[알아봅시다] 양자점(Quantum dot)

총 천연빛 구현 형광 나노소재 '주목'
입자 크기로 색상 조절… LED 단점 보완 가능
박막 태양전지ㆍ광섬유 등 다양한 분야에 응용

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IT기술이 끊임없이 진보할 수 있었던 요인은 여러 가지가 있을 수가 있지만 기기를 이루는 구성요소인 부품의 발전과 부품을 만드는 소재의 진보도 빼놓을 수 없는 요소 중 하나입니다.

특히 최근에는 10억분의 1미터 크기의 작은 입자를 의미하는 `나노(nano)' 소재에 대한 연구가 다방면에 걸쳐 진행되고 있으며, 다양한 분야로 응용이 논의되고 있습니다.

양자점(Quantum dot, 퀀텀닷)도 최근 주목받고 있는 나노소재 중 하나입니다. 양자점이란 약 2∼10㎚(나노미터) 크기의 중심체와 ZnS(황화아연)으로 이뤄진 껍질로 구성되며, 껍질 밖 표면에 고분자 코팅을 하기 때문에 통상 10∼15㎚ 크기의 나노입자를 가지게 됩니다. 양자점의 중심체로는 CdSe(카드뮴셀레나이드), CdTe(카드뮴텔루라이드), CdS(황화카드뮴)이 주로 사용됩니다.

양자점은 다른 소재가 갖지 못하는 다양한 성질을 갖고 있습니다. 먼저 좁은 파장대에서 강한 형광을 발생합니다. 양자점이 발산하는 빛은 전도대(Conduction band)에서 가전자대(valence band)로 불안정한(들뜬) 상태의 전자가 내려오면서 발생합니다. 이때 발생하는 형광은 양자점의 입자가 작을수록 짧은 파장의 빛이 발생하고, 입자가 클수록 긴 파장의 빛을 발생하는 매우 특수한 성질이 있습니다.

따라서 양자점의 크기를 조절하면 원하는 파장의 가시광선 영역의 빛을 모두 낼 수 있습니다. 또 여러 크기의 양자점이 함께 있을 때 하나의 파장으로 빛을 발하게 만들면 여러 가지 색을 한번에 낼 수도 있습니다. 양자점은 이같은 성질을 토대로 다양한 응용처가 연구되고 있습니다.

먼저 차세대 광원으로 주목받고 있는 LED(발광다이오드)의 단점을 보완할 수 있는 소재로 각광받고 있습니다. LED는 소자의 종류에 따라 백색, 적색, 녹색, 청색 등 단일색을 구현 할 수 있지만 백색 LED를 제외하고는 아직 수율이 낮고, 가격이 비싸 대중화에 시간이 걸릴 것으로 보고 있습니다. 하지만 양자점의 경우 소재 자체로 원하는 천연색을 모두 구현하기 때문에 색재현율이 좋고, 휘도도 LED에 뒤쳐지지 않아 주목받고 있습니다. 양자점도 가격 문제가 해결되려면 대량 양산기술이 더 발달해야하지만 최근 한국기계연구원과 장비업체 탑엔지니어링이 공동으로 대량 양산기술을 개발하는 등 대중화에 점점 가까워지고 있습니다.

양자점은 신재생에너지로 주목받고 있는 박막형 태양전지의 효율을 높일 수도 있습니다. 양자점 입자를 박막전지 유리기판에 입히면 광전효과가 생기지 않는 빛의 파장을 바꿀 수 있어 광변환효율을 높일 수 있습니다. 국내 태양광 장비 업계는 이 기술을 사용해 효율을 최소 2∼3%는 더 올릴 수 있을 것으로 내다보고 있습니다.

이달 초 양자점을 이용해 전류 감시용 광섬유를 개발한 사례도 있습니다. 광주과기원의 한원택 교수 연구팀은 CdSe를 중심체로 한 양자점을 광섬유 원재료로 사용해 광섬유 속 편광면 회전 변화(광학상수)를 높인 특수 광섬유를 만들었습니다. 이 연구팀은 이를 통해 기존 센서의 단점인 대규모 측정이 불가능하고 장거리 전송이 어렵다는 한계를 극복했다고 밝혔습니다.

또 최근 삼성전자 종합기술원은 양자점을 이용한 4인치 디스플레이를 개발하기도 했습니다. 삼성은 양자점으로 박막층을 만들고 이 위에 양자점을 이어주는 가교 기술을 적용해 효율을 높이며 대면적화를 이뤘다고 발표했습니다.

양자점을 의료 분야에 활용하려는 연구도 다양하게 진행되고 있습니다. 양자점의 높은 휘도를 이용해 광학영상 분야에 적용하려는 움직임도 활발히 진행되고 있습니다. 광학영상에서 중요한 영상을 만드는 데 필요한 다양한 빛을 구현할 수 있어 휘도가 높은 양자점은 새로운 대안으로 떠오르고 있습니다.

김영은기자 link@

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