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.

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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 될까. 기존 에너지 준위와는 다른 에너지값들이 계속 나타나고 결국 이 물질의 에너지 준위는 특정 값이 아닌 일정한 범위로 나타낼 수밖에 없게 된다. 이렇게 에너지 값이 범위로 표현된 것을 에너지 밴드라고 한다. 보통의 물질들은 수많은 원자로 구성돼 있기 때문에 대부분 에너지 밴드를 갖고 있다.

이제 발광물질로 다시 돌아와 보자. 앞서 한 얘기를 퀀텀닷과 같은 발광물질에 적용하면, 우선 발광 물질의 전자는 외부에서 전기나 빛에너지를 받아 바깥쪽 전자껍질로 이동했다가 다시 빛에너지를 방출하면서 안쪽으로 돌아오게 된다. 그리고 이 방출되는 빛이 우리가 눈으로 바라보는 그 빛이다.

발광물질마다 방출하는 빛의 색이 다른 이유는 이렇게 전자가 안쪽 껍질로 이동하면서 잃는 에너지의 크기가 물질마다 다르기 때문이다. 그런데 디스플레이에서 사용하는 발광물질은 수많은 원자로 이뤄진 물질이라 방출하는 에너지가 특정한 값이 아닌 특정 범위를 이룬다. 가령 630nm로 빨간색을 발하는 발광물질이라고 해도 주요 발광색이 630nm일 뿐, 실제 방출하는 빛의 파장은 이보다 넓은 범위인 것이다.

하지만 단 몇 개의 원자만으로 이뤄진 퀀텀닷은 에너지 밴드가 아닌 특정한 값의 에너지 준위로 표현 되거나 아주 작은 영역의 에너지 밴드로 나타낼 수 있다. 박경원 전자부품연구원 디스플레이소재부품 연구센터 선임연구원은 “퀀텀닷의 전자가 정확히 10층에서 3층으로 떨어지는 공이라면, 다른 디스플레이에 사용되는 발광물질의 전자는 8~12층에서 1~5층으로 떨어지는 공인 셈”이라고 비유했다.

10층에서 3층으로만 떨어지면 일곱 층을 떨어지는 공 하나(특정 에너지값)만 있는 것이지만, 후자의 경우 세 층을 떨어진 공부터 최대 열한 층을 떨어진 공까지 다양한 공(에너지 밴드)이 존재한다. 즉 퀀텀닷은 원자가 수십~수백 개만으로 이뤄진 덕분에 의도한 파장에 가까운 빛을 집중적으로 방출하고, 그 외의 빛은 적게 방출함으로써 다른 디스플레이의 발광물질보다 더 원색에 가까운 빛을 발할 수 있다. 박 선임연구원은 “현재 기술로 진정한 삼원색을 가장 근접하게 표현하는 건 퀀텀닷”이라며 “퀀텀닷 디스플레이의 화질이 기존 디스플레이보다 뛰어난 건 바로 이런 순도 높은 색 표현이 가능하기 때문”이라고 설명했다.