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☞ 이전편 바로가기 : [퀀텀닷 완전정복] 제1화 원리와 합성법-① 총천연색 차세대 발광 소자 너의 이름은?

 

핵을 껍질로 싸고 리간드 붙여 완성

크기에 따라 다른 색을 낼 수 있다는 점은 발광 반도체에서는 획기적인 특징이었다특정 색을 만들기 위해 새로운 소재를 일일이 찾아다닐 필요 없이한 종류의 소재로 만든 반도체라고 해도 크기만 조절하면 붉은색부터 푸른색까지 모든 색깔을 만들어낼 수 있기 때문이다.

이런 가능성 때문에 퀀텀닷 연구는 1990년대 활발히 진행됐다. 1993년에는 처음으로 퀀텀닷의 크기를 세밀히 조절할 수 있는 제조법인 ‘콜로이드 합성법’이 개발됐다.

기본적인 합성법은 매우 간단하다반도체 소재로 흔히 사용되는 12족 원소(아연카드뮴 등) 16족 원소(셀레늄 등)를 한 데 섞어 열을 가하면 된다물론 이 두 종류로 끝나는 것은 아니다입자의 표면을 안정화하는 부가적인 물질들이 필요하다입자의 크기가 작아질수록 입자 표면의 영향은 커지기 때문이다.

예를 들어 한 변의 길이가 10cm인 정육면체는 부피와 겉넓이의 비가 10:6이지만한 변의 길이가 1cm인 정육면체는 그 비율이 1:6으로 크기가 작을수록 겉면의 비중이 크게 뛴다퀀텀닷은 입자 표면이 퀀텀닷 전체의 특성을 결정짓는데 중요한 역할을 한다.

[퀀텀닷 완전정복] 제 1화 원리와 합성법-② 총천연색 차세대 발광 소자 너의 이름은?

이 때문에 퀀텀닷은 중심 물질()을 껍질()로 싸고껍질에 다시 추가로 리간드[1]를 부착한 구조로 만들어 전기적·광학적 특성을 손상하지 않고 제 기능을 할 수 있도록 만든다.

배 교수는 “어떤 종류의 리간드를 어떤 구조로 부착하는지가 퀀텀닷의 기능에 매우 중요하다”며 “리간드뿐만 아니라 온도와 반응시간 등을 세밀히 조절해야 원하는 크기원하는 수명의 퀀텀닷을 제조할 수 있다”고 말했다.

최근에는 기본 재료로 12족 원소와 16족 원소가 아닌 13족 원소(갈륨인듐 등) 15족 원소(비소 등)를 사용하는 방법이 개발되고 있다. 12족 원소인 카드뮴이 심각한 환경 오염을 유발하기 때문이다배 교수는 “12족과 16족 원소는 이온 결합을 이루며 쉽게 합쳐지지만, 13족과 15족 원소는 공유 결합을 이뤄야하기 때문에 화합물을 만들기가 더 어렵다”며 “반응성이 높은 원소를 쓰거나 입자를 손상하지 않는 선에서 반응 온도를 높이는 등 새로운 합성법을 연구 중”이라고 말했다.

2019 11월 삼성전자 종합기술원 연구팀은 13족 원소와 15족 원소로 디스플레이에 적용할 수 있을 만큼 높은 효율과 안정된 수명을 가진 퀀텀닷을 개발해 국제학술지 ‘네이처’에 게재했다doi: 10.1038/s41586-019-1771-5 

연구팀은 13족 원소인 인듐(In) 15족 원소인 인(P)을 합성해 핵을 만들었으며셀렌화아연(ZnSe)과 황화아연(ZnS)으로 만든 이중 쉘을 덮었다배 교수는 “삼성전자를 비롯해 국내 대학과 기관에서 진행하고 있는 퀀텀닷 연구는 세계 최고 수준”이라며 “지난 20년간 국내 나노기술에 꾸준히 투자가 이어져 온 덕분”이라고 말했다.


[1] 리간드 : 중심 원자(대부분 금속원소) 주위에 배위결합된 분자 혹은 원자. 배위결합은 두 원자가 공유 결합을 할 때 한쪽 원자에서만 전자를 제공하는 결합을 일컫는다.

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