'퀀텀닷' 검색 결과

☞ 이전편 바로가기 : [퀀텀닷 완전정복] 제5화 차세대 기술–① 돌돌 말고 몸에 붙이고! 자체발광 퀀텀닷   카드뮴 안 쓰는 친환경 자발광 퀀텀닷 개발 치열 자발광 퀀텀닷은 이미 개발돼있다. 2014년 중국 저장대 연구팀이 적색 자발광 퀀텀닷에서 최고 효율(20.5%)을    달성했고, 2015년 미국 퀀텀닷 개발업체인 나노포토니카는 녹색 자발광 퀀텀닷에서 최고 효율(21.0%)을 기록했다. 여기서 말하는 발광 효율은 퀀텀닷이 받아들이는 전기 에너지 대비 뿜어져 나오는 빛 에너지의 양을 뜻한다. 하지만 현재 이들 자발광 퀀텀닷이 디스플레이에 사용되지는 않고 있다. 이들 모두 셀렌화카드뮴(CdSe)으로 만든 퀀텀닷이기 때문이다. 카드뮴은 퀀텀닷이 처음 발견될 때부터 주요 재료로 사용한 물질이지만, 인체에 발암물질로 작용할 가능성이 알려지면서 더 이상 디스플레이에 쓰지 않는다.  2013년 일본의 전자업체 소니가 카드뮴을 사용한 퀀텀닷 TV를 출시했지만, 이런 이유로 1년 만에 시장에서 철수했다. 결국 자발광 퀀텀닷 개발은 원점으로 돌아왔다. 세계적으로 카드뮴을 쓰지 않은 친환경 자발광 퀀텀닷을 만들기 위한 경쟁이 치열하다. 카드뮴 대신 사용할 주 재료 물질로는 인화인듐(InP)이 가장 유력한, 그리고 거의 유일한  후보로 꼽히고 있지만, 카드뮴을 사용할 때보다 효율이 낮다. 양 교수는 “환경에 유해하지 않은 물질이어야 하고, 나노미터 단위로 작게 만들 수 있어야 하며, 디스플레이에     사용하기 위해 가시광선 영역의 빛을 내는 등의 조건을 동시에 만족하는 물질은 매우 제한적”이라고 설명했다. 연구자들은 인화인듐을 활용해 디스플레이의 삼원색인 적색, 녹색, 청색을 하나씩 차근차근 구현하고 있다. 2019년 삼성은 자발광 퀀텀닷으로 디스플레이에 사용할 수 있는 적색 소자를 개발하는 데 성공해…

☞ 이전편 바로가기 : [퀀텀닷 완전정복] 제4화 친환경 퀀텀닷-① 인체 유해한 카드뮴을 없애다!   3-5족 퀀텀닷 개발한 삼성 배완기 성균관대 나노공학과 교수는 “현재 퀀텀닷 연구에서 카드뮴으로 대표되는 12족 원소를 16족 원소와 합성(2-6족 퀀텀닷)하는 방식은 거의 사용되지 않는다”며 “대부분 13족 원소를 15족 원소와 합성(3-5족 퀀텀닷)하는 연구를 진행중”이라고 말했다. 하지만 퀀텀닷의 장점을 살리는 데 가장 적합한 원재료였던 카드뮴을 다른 물질로 대체하는 게 말처럼 쉽지는 않다. 인듐으로 대표되는 13족 원소에 15족 원소를 합치면 합성하는 과정과 결과물의 성능 모두에서 문제가 나타난다. 우선 3-5족 퀀텀닷은 2-6족 퀀텀닷보다 합성하기 어렵다. 2-6족이 결합하는 힘보다 3-5족의 결합력이 약하기 때문이다. 배 교수는 “3-5족 퀀텀닷을 합성하기 위해 화학 반응이 더 잘 일어나도록 반응성이 높은 물질을 추가하거나 더 높은 온도에서 합성해야 한다”며 “반응성이 높다는 건 곧 폭발 위험성이 높다는 뜻이기도 해서 산업 현장에서 적용하려면 더 까다로운 관리가 필요하다”고 말했다. 퀀텀닷의 성능 역시 3-5족 퀀텀닷이 떨어진다. 여기서 퀀텀닷의 성능이란 디스플레이와 바이오이미징 분야에서는 색 순도와 열 안정성 등을, 태양전지에서는 광전환 효율을 말한다. ▲ 2-6족과 3-5족 최초로 합성에 성공한 퀀텀닷의 코어는 12족에 속한 카드뮴을 16족의 셀레늄과 합성해 만들었으나, 최근에는 인체에 유해하지 않은 13족의 인듐에 15족 원소인 인(P)이나 비소(AS)를 합성한다. 다만 인듐 기반 퀀텀닷은 카드뮴 기반 퀀텀닷보다 결합력이 떨어져 합성하기도 어렵고 성능, 특히 안정성(수명)이 떨어진다.   정소희 성균관대 에너지과학과 교수는 “카드뮴이나 납 같은 중금속이 경금속인 인듐보다 빛을 흡수하는…

수nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 크기의 아주 작은 나노입자인 퀀텀닷(QD·Quantum Dot). 퀀텀닷의 가장 큰 특징은 같은 재료로 만들더라도 크기를 조금만 달리하면 발광하는 색을 비롯한 전기적, 광학적 특성을 다양하게 조절할 수 있다는 점이다. 이는 다양한 분야에서 주목할만한 장점이다. 예를 들어 µm(마이크로미터·1µm는 100만분의 1m) 이상 크기의 물질을 이용할 때는 기존과 다른 특성의 물질을 만들기 위해 새로운 원재료를 찾아야만 했지만, 퀀텀닷은 굳이 새로운 원재료를 찾지 않아도 입자 크기만 조금 다르게 만들면 원하는 특성을 갖는 물질을 얻을 수 있기 때문이다. 이에 천연색을 구현하고자 하는 디스플레이, 기존 재료로는 광전환 효율의 한계가 명확했던 태양전지, 신체 조직을 뚫고 나올 수 있는 가시광선과 근적외선이 필요한 바이오이미징 등 여러 분야에서 퀀텀닷을 활용하기 위해 연구가 진행되고 있다. 각 분야에 특화된 퀀텀닷을 만들기 위한 연구가 치열하지만, 그럼에도 모든 분야에서 공통으로 우선시하는 것이 하나 있다. 바로 퀀텀닷의 원재료를 친환경 재료로 대체하는 것이다.   인체에 유해한 카드늄, 다른 물질로 대체 최초의 퀀텀닷은 카드뮴에서 나왔다. 1982년 최초로 발견된 퀀텀닷도, 1993년 처음으로 실험실에서 합성하는 데 성공한 퀀텀닷도 모두 카드뮴이 핵심 원재료다. 카드뮴은 은백색의 금속으로, 칼로 자를 수 있을 만큼 부드러워 변형하기 쉽고, 전기전도성이 뛰어나다는 장점이 있다. 다른 물질과 혼합도 잘 돼 또 다른 장점을 보탠 화합물로 만들기도 쉽다. 그래서 이미 1800년대 미술가들은 카드뮴을 황화합물과 섞어 빨간색과 노란색 안료를 만들었고, 1930년대에는 자동차나 비행기의 부식을 막기 위한 도금 재료로 사용했으며,…

  태양전지, 광전환 효율 한계 생기는 이유 태양광 발전은 태양의 빛에너지를 태양전지를 통해 전기에너지로 바꾸는 기술이다. 1954년 당시 미국의 벨연구소에서 최초의 상용화 태양전지인 실리콘 태양전지가 개발된 이래 지금은 친환경 미래 에너지기술로 각광받고 있다. 태양광 발전의 기술력을 판가름 짓는 건 태양전지가 빛에너지를 전기에너지로 전환하는 비율, 즉 광전환 효율이다. 광전환 효율이 높을수록 같은 면적에서 같은 비용으로 더 많은 전기에너지를 얻을 수 있기 때문이다. 학계와 산업계에서는 태양전지의 광전환 효율을 높이기 위해 수십 년 동안 새로운 소재를 발굴하고 그 소재로 다양한 구조의 태양전지를 만들어냈다. 그 결과 해를 거듭하면서 광전환 효율은 점차 높아졌다. 현재 가정과 산업에서 가장 널리 사용되는 실리콘 기반 태양전지의 최고 효율은 27.6%까지 도달했다. 이론적으로는 광전환 효율을 최대 34%까지 끌어올릴 수 있다. (단일 접합 태양전지 기준) 태양전지 개발에서 광전환 효율을 높이는 데 가장 큰 걸림돌은 태양이 뿜는 여러 파장의 빛을 태양전지가 모두 흡수할 수 없다는 물리적인 한계다. 예를 들어 태양은 파장이 250~2500nm (나노미터·1nm는 10억 분의 1m)에 이르는 다양한 빛을 지상으로 보내는데, 실리콘 기반 태양전지는 이 중 500~1000nm의 빛만 활용할 수 있다. 파장이 1000nm가 넘는 빛은 태양전지를 통과해버리며, 500nm 이하의 빛은 흡수는 되지만 열로 전환돼 날아가 버린다. 실리콘뿐만 아니라 다른 어떤 물질로 태양전지를 만들어도 활용할 수 있는 파장의 범위가 정해져 있어서 이론적으로 광전환 효율은 한계치가 존재할 수밖에 없다. 물질마다 활용할 수 있는 파장 범위는…

  에너지 ‘밴드’ 대신 에너지 ‘값’으로 나와 퀀텀닷 디스플레이와 다른 디스플레이 사이에는 분명한 차이가 있다. 다른 디스플레이에 비해 퀀텀닷 디스플레이는 진정한 삼원색의 파장에 더 근접할 수 있고, 다른 파장의 빛이 뒤섞이는 것을 현저히 줄일 수 있다는 점이다. 그 비결은 퀀텀닷 자체에 있다. 발광물질인 퀀텀닷이 적은 수의 원자들이 모인 매우 작은 물질이기 때문이다. ☞ 이전편 바로가기 : [퀀텀닷 완전정복] 제2화 화질의 비밀-① 진정한 삼원색을 만드는 퀀텀닷! 이를 이해하기 위해 조금 더 심화 과정으로 들어가 보자. 고등학교 1학년 과목 ‘통합과학’에 나오는에너지 준위에 관한 얘기를 꺼내야 한다. 우선 중학교 때 배우는 기본적인 원자의 구조를 하나 떠올려 보자. 정 가운데 원자핵이 있고, 그 주위에 전자가 돌아다니는 경로인 전자껍질(궤도) 세 개를 동심원으로 나타낸 그림이다. 이 그림에서 전자는 세 개 층으로 이뤄진 전자껍질을 자유롭게 넘나들 수 있다. 단 외부의 에너지를 얻을 때는 바깥쪽 전자껍질로, 전자가 에너지를 잃을 때는 안쪽 전자껍질로 이동한다. 이때 전자가 몇 번째 전자껍질에 있느냐에 따라 원자가 갖는 에너지값이 달라지는데, 한 원자가 가질 수 있는 에너지값 전체를 표현한 것을 에너지 준위라고 한다. 보통 원자가 하나만 있을 때는 이 에너지 준위가 특정한 수로 정해져 있다. 하지만 원자들이 하나둘 모이기 시작하면 각 원자의 전자껍질들이 겹치면서 어떤 전자는 느려지고 어떤 전자는 빨라지는 등 서로 영향을 받기 시작한다. 이는 곧 에너지 준위에 변화가 생기는 걸 의미한다. 원자의 개수가 더욱 많이 늘어나면 어떻게…

수nm(나노미터·1nm는 10억분의 1m) 크기의 아주 작은 반도체 입자인 퀀텀닷(QD·Quantum Dot)의 활용 분야는 무궁무진하다. 같은 물질로 만들어진 퀀텀닷이라도 크기에 따라 발광하는 색을 비롯한 전기적, 광학적 특성이 다르기 때문이다. 여러 응용 분야 중에서도 단연 퀀텀닷에 눈독을 들이는 건 TV, 모니터를 비롯한 디스플레이 시장이다. 총천연색 구현을 꿈꾸는 디스플레이 업계에서 퀀텀닷은 그 꿈을 실현할 새로운 소재이자 차세대 소재로 꼽힌다. 디스플레이에 퀀텀닷이 입혀졌을 때 가장 크게 기대할 수 있는 건 화질, 그중에서도 화질의 핵심 3요소 중 하나인 색의 표현이다. 디스플레이는 수많은 색을 표현하지만, 이를 위해 활용하는 색은 단 세 가지다. 삼원색(RGB)으로 불리는 빨간색, 초록색, 파란색이다. 그 외의 색은 이들 세 가지를 합쳐 만들어낸다. 빨간색과 초록색을 함께 뿜어 노란색을 만들고, 세 가지 색을 모두 발해 흰색을 표현하는 식이다. 그래서 디스플레이에서 생성하는 삼원색이 ‘진정한 원색’이냐 하는 점은 화질을 좌우하는 주요 요소가 된다. 원재료인 삼원색이 정확해야 조합될 다른 색 역시 정확한 색을 가질 수 있기 때문이다. 그런데 사실 현재 모든 디스플레이에서 내는 삼원색은 우리가 알고 있는 그 원색이 아니다. 더군다나 그렇게 생성되는 세 가지 빛조차 딱 세 가지 색이 아닌, 그와 비슷한 수많은 색이 함께 섞여 있다. 디스플레이가 생성하는 빨간색 빛은 정말 빨간색도, 빨간색만 나오는 것도 아니라는 뜻이다.   퀀텀닷, 삼원색에 가장 가까운 색 구현 빛의 색을 물리학적 개념인 빛의 파장으로 바꿔 말하면 이를 조금 더 분명하게 이해할 수 있다. 우리가 볼 수 있는 모든 색, 즉 가시광선은 380~700nm의…

☞ 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 특징이었다. 특정 색을 만들기 위해 새로운 소재를 일일이 찾아다닐 필요 없이, 한 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 간단하다. 반도체 소재로 흔히 사용되는 12족 원소(아연, 카드뮴 등)와 16족 원소(황, 셀레늄 등)를 한 데 섞어 열을 가하면 된다. 물론 이 두 종류로 끝나는 것은 아니다. 입자의 표면을 안정화하는 부가적인 물질들이 필요하다. 입자의 크기가 작아질수록 입자 표면의 영향은 커지기 때문이다. 예를 들어 한 변의 길이가 10cm인 정육면체는 부피와 겉넓이의 비가 10:6이지만, 한 변의 길이가 1cm인 정육면체는 그 비율이 1:6으로 크기가 작을수록 겉면의 비중이 크게 뛴다. 즉, 퀀텀닷은 입자 표면이 퀀텀닷 전체의 특성을 결정짓는데 중요한 역할을 한다. 이 때문에 퀀텀닷은 중심 물질(핵)을 껍질(쉘)로 싸고, 껍질에 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…

“인간의 머리카락 한 가닥 두께보다 5만 배 이상 작은 퀀텀닷(quantum dot) 기술을 처음 적용해 선명한 색상을 만들어 기존 TV보다 2배 이상 밝다.”(BBC, 2015년 1월 6일) 2015년 1월 미국 라스베이거스. 전 세계 최신 전자제품이 한자리에 모이는 세계 최대 전자 정보통신기술(ICT) 쇼인 ‘CES 2015’에 기존에 없던 TV가 나타났다. 삼성전자가 2000년대 초반부터 10여 년간 연구한 퀀텀닷 기술을 접목해 만든 차세대 TV였다. 전 세계 언론은 퀀텀닷 TV의 성능을 극찬했다. 그리고 삼성전자는 올해 1월 열린 ‘CES 2020’에서 기존의 퀀텀닷 기술을 업그레이드해 퀀텀닷발광다이오드(QLED) 8K TV 신제품을 공개해 관람객의 발길을 붙잡았다. 삼성디스플레이는 2019년 10월 퀀텀닷(QD) 디스플레이 양산을 위해 디스플레이 투자로는 사상 최대 규모인 13조1000억 원을 투입해 기존 액정디스플레이(LCD) 생산설비를 퀀텀닷 디스플레이 생산설비로 전환하고 2021년부터 대규모 양산에 돌입하겠다는 계획을 밝혔다. 퀀텀닷이 뭐길래 이토록 큰 변화의 바람을 불러일으키는 것일까.     같은 물질인데, 다른 색깔이네? 퀀텀닷, 우리말로 풀이하면 양자점, 좀 더 풀면 양자물리의 법칙이 적용되는 아주 작은, 수nm (나노미터·1nm는 10억 분의 1m) 크기의 반도체 입자를 뜻한다. 양자물리의 모든 것을 이 글에 풀 수는 없지만 퀀텀닷을 이해하기 위해 아주 주요한 특징만 몇 가지 말하자면, 우선 양자물리는 아주 작은 크기의 세상에 적용되는 물리 법칙들을 일컫는다. 어느 정도의 크기보다 작은 걸 작은 세계라고 부를지 그 기준은 아직 명확하게 정해지진 않았다. 다만 원자나 분자 또는 그보다 작은 입자들의 세계는 우리가 눈으로 보고 직관적으로 생각하는 것과는 다른 방식으로 굴러간다. 나노물질이 좋은 예다. 입자가 아주 작은 크기일 때는 같은 소재, 같은 방식으로 만들었다고 해도 그…