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‘QD(Quantum Dot, QD)란 무엇일까?’ 두 번째 시간. 오늘은 QD 입자의 특징과 활용 분야에 대해서 살펴보는 시간을 갖겠습니다.


QD의 특징은?

① 발광 (Photoluminescence & Electroluminescence)

QD의 가장 큰 특징 중 하나는 입자 크기에 따라 나타나는 색상입니다. 같은 조성으로 된 QD를 만들더라도 크기에 따라 서로 다른 색상을 나타내는 재미있는 모습을 보여줍니다. QD가 색을 내는 방법은 크게 2가지입니다. 먼저 외부로부터 빛(photon, 광자)의 형태로 특정 파장의 에너지가 주입되어 QD가 빛을 내는 경우로 ‘광 발광(PL; Photoluminescence)’이라고 합니다. 다른 하나는 양쪽 전극에서 전자와 정공의 형태로 전기적 에너지가 주입되어 QD가 빛을 내는 경우로 ‘전계 발광(EL; Electroluminescence)’이라고 합니다.

광 발광은 푸른색의 광원을 QD 입자로 쏴 주어 빨간색, 초록색 등의 빛을 내는 색 변환 물질로써 QD를 이용하는 방법으로 비교적 조절이 용이해 이미 디스플레이 산업분야에서 활발하게 적용되고 있습니다. 반면, 전계 발광의 경우 발광 특성 외에도 전기적인 특성을 조절해야 하는 어려움과 안정성 문제로 아직까지는 연구 단계에 머물고 있습니다.

이러한 발광 현상은 빛 또는 전기 에너지를 흡수한 퀀텀닷 내의 전자가 가전자대에서 전도대로 이동한 후, 그 자리에서 생긴 정공과 재결합하는 과정에서 발생합니다. QD 연구 초기에는 발광 효율이 그리 좋지 못하였는데요, 그 이유는 여기(원자의 에너지 준위가 증가) 된 전자가 발광하지 않는 다른 경로로 이동하는 경우가 많았기 때문입니다. QD의 크기가 너무 작기 때문에 입자 표면에서 완전하게 결합을 하지 못한 결함(defect)이 많이 존재하는데, 이 결함 부위로 전자가 이동할 경우 발광에 기여하지 못하게 됩니다.

이러한 표면 결함을 최소화하기 위해서 도입된 개념이 코어/쉘(core/shell) 개념입니다. 발광을 담당하는 코어를 만들고, 코어보다 좀 더 넓은 밴드갭을 가지는 물질로 표면을 감싸주게 되면 표면으로의 비 발광 현상을 줄일 수 있어 발광 효율이 획기적으로 개선됩니다. 다만 이럴 경우 코어와 쉘 사이의 격자 상수 불일치로 인한 격자 간 스트레스가 발생하는 내부 결함이 오히려 커질 수 있기 때문에, 최근에는 멀티쉘(multi-shell)의 개념으로 격자 간 결함을 최소화하면서 표면을 안정화하는 QD 재료들이 많이 연구되고 있습니다.


② 다중 엑시톤 생성 (Multiple Exciton Generation)

다중 엑시톤 생성(Multiple Exciton Generation, MEG)이란 반도체에 쏜 한 개의 광자가 한 개 이상의 전자를 전도대로 여기시키는 현상을 말합니다. 일반적으로 1개의 광자는 밴드갭을 뛰어넘는 1개의 전자만을 여기시켜 광전류를 생성하고, 여분의 광 에너지는 물질의 격자 내에서 열의 형태로 소실되는 것으로 알려져 있습니다. 하지만 다중 전하 여기가 가능한 물질의 경우 밴드갭의 두 배에 해당하는 광자가 입사되면 1개 이상의 전자를 전도대로 여기시킬 수 있으므로, 이론상으로 기존의 태양전지보다 훨씬 높은 효율을 달성할 수 있게 됩니다. 전자가 이동할 때 열이 발생하지 않고 오히려 다른 전자까지 이동시키면서 전력이 배로 늘어나는 것입니다.

다중 엑시톤 생성 현상은 PbSe(셀레늄화납) 구조에서 처음 관찰되었으며, 후에 PbS(황화납), CdS(황화카드뮴), CdSe(셀렌화카드뮴) 등의 다른 물질에서도 관찰되었습니다. 다만 발광 형태의 QD는 표면 결함을 줄이기 위해 쉘을 씌우는 반면, 태양전지용 QD에서는 원활한 전류 이동을 위해 쉘을 씌울 수 없기 때문에 표면을 안정화하는 것이 상용화를 위해 남은 과제입니다.


QD는 어디에 쓰일까?

① QD 태양전지

태양전지는 태양빛을 전류로 바꿔주는 반도체 소자입니다. 좁은 밴드갭을 가지는 광 흡수체가 태양광을 흡수하여 전자-정공 엑시톤을 만들어내고, 반도체의 p-n 접합으로 인해 형성된 전기장에 의해서 빠르게 전자와 정공으로 분리가 된 후 외부 회로를 돌며 전류를 생성하는 원리입니다. 앞에서 설명했듯이, 다중 엑시톤 생성이 가능한 QD의 특별한 능력과 함께 다양한 파장의 빛을 흡수할 수 있도록 밴드갭을 조절할 수 있는 능력, 많은 광을 할 수 있는 능력(흡광 계수) 등은 QD를 태양전지에 사용할 매력적인 재료로 생각하기에 충분합니다.

QD를 활용한 태양전지의 효율은 빠르게 개선되고 있습니다. 이론적으로 밴드갭보다 작은 에너지를 가지는 빛은 소자에 흡수되지 않고 투과되기에 전력 생성에 도움이 되지 못합니다. 이러한 이유로 실리콘 기반 태양전지의 이론적인 최대 효율은 33.7%에 그칩니다. 하지만 QD를 활용해 가장 큰 밴드갭을 가지는 QD를 상부에 배치하고 그보다 작은 입자를 차례로 적층하게 되면, 상부에서부터 순차적으로 높은 에너지를 가지는 빛부터 낮은 에너지를 가지는 빛까지 모두 흡수할 수 있기 때문에 전력 생성에 기여할 수 있습니다. 이러한 원리로 가능한 이론적인 QD 태양전지의 최대 효율은 열역학적 한계치인 86%에 이릅니다. QD의 표면을 안정화 시키는 기술이 발전한다면, 이론적 한계치에 근접한 초고효율의 태양전지 제작도 가능해질 것입니다.


② 바이오 이미징 (Bio-Imaging)

QD에 대한 최근의 연구는 생물학적 분석 분야에서도 큰 잠재력을 보여주고 있습니다. 작은 크기의 QD는 몸 안에서 어디로든 갈 수 있기 때문에 의학 이미징, 바이오센서 등에 적합하며, 특히 종양 추적, 생체 내 세포 추적, 의학 진단, 높은 해상도의 세포 이미징 등에 널리 응용되고 있는 추세입니다.  바이오 이미징 기술이란, 세포 내에서 일어나는 다양한. 분자 수준의 변화를 영상화하는 기법으로, QD를 사용할 경우 기존에 사용되던 대표적인 이미징 물질인 유기 염료에 비해서 훨씬 뛰어난 특성을 보입니다. QD는 높은 양자 효율, 광 안정성, 그리고 발광 스펙트럼 조절 용이성을 갖고 있으며, 전통적인 형광 염료에 비해 100배나 안정적이며 밝기도 20배 이상을 보여줍니다. 극도로 민감한 세포 이미징에도 QD의 높은 광 안정성 덕분에 고해상도의 3차원 이미징이 가능해지고 있으며, 펩타이드나 항체 또는 리간드를 이용해서 특정 세포나 단백질을 추적할 수 있어 단백질이나 세포의 행동을 연구하는 데에도 쓰이고 있습니다.


③ QD디스플레이

QD의 뛰어난 광학적인 특성 덕분에 가장 먼저 응용된 분야는 디스플레이입니다. 삼성전자에서는 이미 QD가 들어간 제품들을 시장에 내놓고 있습니다. 현재 QD를 활용한 디스플레이 제품들은 백라이트(backlight) 및 화질 개선 용도에 제한적으로 사용되고 있는 편입니다만, QD를 사용하면서 화질은 상당히 개선되었습니다.

▲ 현재 상용화된 QD 기반 디스플레이 발광 구조

기존의 LCD TV 제품들은 주로 백색 LED 광원을 백라이트로 사용하였기 때문에 색순도가 다소 떨어지는 단점이 있었으나, LCD 패널과 백라이트 사이에 퀀텀닷 시트를 사용하고 청색 LED를 광원으로 사용하게 되면 녹색 및 적색의 색순도를 높이는 것이 가능해져, 소비자들이 보기에 적색은 좀 더 깊게, 녹색은 좀 더 밝게 느껴짐으로써 실제 세상에 가까운 색상을 표현하는 것이 가능해졌습니다. 현재 삼성디스플레이에서는 QD를 본격적으로 활용한 차세대 디스플레이를 준비중입니다. QD를 발광체로 사용하는 삼성디스플레이의 QD디스플레이란 무엇인지 다음 편에서 좀 더 자세히 알아보도록 하겠습니다.

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