量子點
Quantum dot
크기에 따라 내놓는 전자기파의 파장(가시광선의 경우 색)이 달라짐을 보여주는 사진
1 소개
물질의 크기가 수~수십 나노미터(nm) 단위로 줄어들 경우 전기적, 광학적 성질이 크게 변화하게 되는데, 이러한 반도체 나노 입자를 양자점, 퀀텀닷이라고 한다.
2 개념
특정 무기화합물[1]의 입자들이 아주 작은 크기(수~나노미터 수준)로 들어서게 되면, 원자간, 분자간의 상호작용으로 인하여 에너지 준위가 분화하여, 본래의 에너지 준위와는 살짝 다른 에너지 준위를 가지게 되는데 이러한 현상들이 양자점 내에선 수십개~수백개 원자 사이의 일어나게 되고, 이러한 에너지 준위들이 마치 연속적인 띠처럼 보이게 되는데 이를 에너지 밴드라고 한다. 양자점은 이러한 에너지 밴드의 대부분 전자들이 들어가있는 아래쪽의 에너지 준위[2]와 전자들이 대부분 비어있는 위쪽 에너지 준위[3]사이의 크기를 조절[4]함에 따라 에너지를 선택적으로 흡수 또는 방출하는 물질을 말한다. 따라서 , 물질의 종류를 달리하는 것보다 효율적으로 입자의 크기만을 설정함에 따라 방출, 흡수 가능한 빛의 진동수, 파장이 바뀐다.
여기자(bohr exciton)의 개념으로 양자제안효과를 설명하면 다음과 같다. 반도체 안에는 양극을 띄는 양공과 음극을 띄는 전자가 전자기적 인력에 의해 서로 짝을 짓게 되는데 이때 양공과 음극은 일정한 거리를 유지하게 된다. 이것이 바로 여기자이고 그 거리가 bohr exciton이다. 이 거리에 따라 방출되는 색이 결정된다. 그런데 이 bohr exciton보다 입자의 크기를 줄여버리면 전자와 양공 사이도 어쩔 수 없이 줄어들게 된다. 따라서 띠틈이 바뀌어 방출되는 색 또한 변하게 된다.
3 특징
기존의 발광체보다 색 순도와 광 안정성이 높아 차세대 발광 소자로 각광받고 있다. 굴절률이 특정조건을 만족하면 쉽게 레이저를 발진할 수도 있고[5], 빛을 흡수할 수도 있어 태양전지 산업 등에서도 활용이 기대되고 있다.[6] 이외에도 나노 입자이기 때문에 작은 DNA조각에 삽입하여 형광물질 용도로 쓰기도 하는 등 여러 쓸모가 있다. 다만 과거엔 인체에 유해한 카드뮴을 주원료로 사용하기에 취급에 주의를 요했다. 최근엔 비(非)카드뮴계의 퀀텀닷 개발 및 양산이 이루어지기 시작했다. 덕분에 가전제품에 소위 퀀텀닷 디스플레이란 이름으로 채용되고, 광고에도 나와 인지도가 서서히 올라가기 시작했다. 물론 싸다곤 안했다.
양자점의 가장 큰 특징으로는 입자의 크기에 따라 방출되는 스펙트럼이 연속적으로 변한다는 것이다. 이러한 특징 덕분에 한가지 물질을 가지고 여러가지 색을 만들어 낼 수 있다. 일반적인 발광다이오드 제작법을 비교해 예를 들어보자. 두가지 물질을 섞어 543nm 파장을 내놓는 물질을 만들었다고 해보자, 이 물질로는 바로 옆 파장인 554nm을 내는것이 불가능하다. 하지만 양자점은 크기만 적당히 바꿔주면 바로 옆파장의 색은 물론이고 더 멀리있는 색을 낼 수 있게 된다. 또한 꼭 크기를 통일해서 단일 파장만 만드는 것이 아닌 크기를 다양하게 합성하고 전체적으로 보면 마치 연속스펙트럼을 방출하는 것처럼 보이게 된다. 이런 원리를 이용해서 OLED의 최대 단점이었던 번인현상이 없어졌으며[7], 기존 OLED의 장점도 더 부각시켰다. 이러한 특징 때문에 백색광 LED의 형광체 소자로도 연구가 진행중이다.
양자점의 특성을 이용한 디스플레이는 QLED 또는 QD라고 불린다. 2015년 기준으로는 양자점만을 이용한 디스플레이는 나오지 않고 있으며 LCD의 백라이트에 양자점 소자를 입혀 색재현력을 높이는 기술이 상용화되었다. 양자점 디스플레이가 상용화될 경우 밝기는 LED의 50~100배, 전력소모는 오히려 적으며 이 방식은 낼 수 있는 빛의 스펙트럼 영역이 30% 정도 넓어진다.
2014년 후반~2015년 초반부터 기사에 오르내리는 일이 많아졌다. 자체 발광인 QLED는 기술적인 난이도가 매우 높지만 백라이트에 퀀텀닷 물질을 도포한 이른바 QD-LCD는 차세대 디스플레이로 주목받던 OLED 디스플레이보다 기술적 난이도가 훨씬 낮기 때문에 중국, 대만 업체들이 집중적으로 개발에 참여하고 있다. 삼성전자는 아예 OLED를 건너뛰고 QLED 연구에 바로 돌입한다는 입장이다.
최근에는 기존 트랜지스터의 고질적인 전력소비와 발열문제[8][9]를 해결하기 위해서, Single Electron Transistor의 주 재료로 연구되고 있다. 기존 트랜지스터가 소스와 드레인 그리고 게이트를 이용하여 전자 무리들의 움직임을 통제하여 정보의 전달, 저장을 하는 역할을 한다면, SET는 소스 전극과 드레인 전극을 수십 나노미터정도 간격을 두고 떨어트려놓고 사이에 비전도성 물질로 채워 넣은 다음 그 사이에 양자점을 집어넣고 게이트 역할을 하게 만드는 트랜지스터이다. 이때 전자들은 양자역학적인 효과중 하나인 터널링 효과를 통해서 각 전극 사이를 움직이게 된다. 양자점의 크기가 상술한대로 수~수십 나노미터 수준임에 비해, 전자의 쿨롱힘은 거리의 제곱에 반비례하므로, 양자점 하나에 전자가 일단 하나 들어서게 되면, 양자점 내의 쿨롱 퍼텐셜이 매우매우매우 높아지기 때문에 다른 전자들이 쉽게 접근하지 못한다. 이때 게이트 전극의 전압을 조절하여, 전자 하나의 움직임을 통제하는 것이 SET의 원리이다. SET는 기존 트랜지스터에 비해서 전력소비, 발열문제의 해결책으로 떠오르고 있는데, 그 이유는 바로 전자 하나의 움직임이라는 것. 전력소비와 발열은 기본적으로 줄히팅, 다시말해 전자의 이동에 따른 결과물인데 기존 트랜지스터에 비해 SET는 전자의 움직임이 훨씬 적다. 따라서 두 가지 문제 모두보다 효율적으로 해결할 수 있다. 또한, 소스 전극, 양자점, 드레인 전극 사이의 거리가 수십~수백 나노미터이기 때문에 정보의 전달, 반응속도가 기존 트랜지스터에 비해 비약적으로 빨라지는 효과도 기대할 수 있다.