양자점
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크기에 따라 내놓는 전자기파의 파장(가시광선의 경우 색)이 달라짐을 보여주는 사진
量子點 / Quantum dot
물질의 크기가 수~수십 나노미터(nm) 단위로 줄어들 경우 전기적, 광학적 성질이 크게 변화하게 되는데, 이러한 반도체 입자를 양자점, 또는 퀀텀닷이라고 한다.
특정 무기화합물 혹은 유기화합물[1]의 입자들이 아주 작은 크기(수~나노미터 수준)로 들어서게 되면, 원자 간, 분자 간의 상호작용으로 인하여 에너지 준위가 분화하여, 본래의 에너지 준위와는 살짝 다른 에너지 준위를 가지게 되는데 이러한 현상들이 양자점 내 수십 개~수백 개의 원자 사이에서 일어나게 된다.
더 정확히 말하자면 고체 결정 내에서는 파울리의 배타원리에 따라 에너지 준위들이 불연속적으로 분화하나, 아주 많은 원자들이 결합을 이루기 때문에 에너지 준위가 연속적인 띠처럼 보이게 된다. 이를 에너지 밴드라고 한다. 이때 결정을 이루는 원자의 개수가 매우 작아지게 되면 밴드의 두께가 달라지게 된다. 이를 통해 전자들이 차 있는 밴드의 에너지 준위[2]와 전자들이 대부분 비어있는 에너지 준위[3] 사이의 크기를 조절[4]함에 따라 에너지를 선택적으로 흡수 또는 방출하는 물질을 말한다. 따라서, 물질의 종류를 달리하는 것이 아닌 입자의 크기만을 설정하여 방출, 흡수 가능한 빛의 진동수, 파장을 효율적으로 바꿀 수 있다.
여기자(bohr exciton)의 개념으로 양자제한효과를 설명하면 다음과 같다. 반도체 안에는 양극을 띄는 양공과 음극을 띄는 전자가 전자기적 인력에 의해 서로 짝을 짓게 되는데 이때 양공과 음극은 일정한 거리를 유지하게 된다. 이것이 바로 여기자이고 그 거리가 bohr exciton이다. 이 거리에 따라 방출되는 색이 결정된다. 그런데 이 bohr exciton보다 입자의 크기를 줄여버리면 전자와 양공 사이도 어쩔 수 없이 줄어들게 된다. 따라서 띠틈이 바뀌어 방출되는 색 또한 변하게 된다.
기존의 발광체보다 색 순도와 광 안정성이 높아 차세대 발광 소자로 각광받고 있다. 굴절률이 특정조건을 만족하면 쉽게 레이저를 발진할 수도 있고[5], 빛을 흡수할 수도 있어 태양전지 산업 등에서도 활용이 기대되고 있다.[6] 이외에도 나노 입자이기 때문에 작은 DNA 조각에 삽입하여 형광물질 용도로 쓰기도 하는 등 여러 쓸모가 있다. 과거에는 인체에 유해한 카드뮴을 주원료로 사용하였기에 취급에 주의를 요했는데, 최근에는 비(非)카드뮴계의 퀀텀닷 개발 및 양산이 이루어지기 시작했다. 이에 따라 가전제품에 소위 양자점 디스플레이란 이름으로 퀀텀닷이 채용되고 광고에도 나와 인지도가 서서히 올라가는 중이다.
양자점의 가장 큰 특징으로는 입자의 크기에 따라 방출되는 스펙트럼이 연속적으로 변한다는 것이다. 이러한 특징 덕분에 한가지 물질을 가지고 여러 가지 색을 만들어 낼 수 있다. 양자점은 크기만 적당히 바꿔주면 바로 옆 파장의 색은 물론이고 더 멀리있는 색을 낼 수 있게 된다. 또한 꼭 크기를 통일해서 단일 파장만 만드는 것이 아닌 크기를 다양하게 합성하고 전체적으로 보면 마치 연속스펙트럼을 방출하는 것처럼 보이게 된다. 또한 무기물질을 이용하여 '''OLED의 최대 단점이었던 소자의 수명을 늘려''' 번인을 해결할 수 있으며[7][8][9], 기존 OLED와의 경쟁력을 갖추게 됐다. 이러한 특징 때문에 백색광 LED의 형광체 소자로도 연구가 진행중이다.
최근에는 기존 트랜지스터의 고질적인 전력소비와 발열 문제[10][11]를 해결하기 위해서, Single Electron Transistor의 주 재료로 연구되고 있다. 기존 트랜지스터가 소스와 드레인 그리고 게이트를 이용하여 전자 무리들의 움직임을 통제하여 정보의 전달, 저장을 하는 역할을 한다면, SET는 소스 전극과 드레인 전극을 수십 나노미터정도 간격을 두고 떨어트려놓고 사이에 비전도성 물질로 채워 넣은 다음 그 사이에 양자점을 집어넣고 게이트 역할을 하게 만드는 트랜지스터이다. 이때 전자들은 양자역학적인 효과 중 하나인 터널링 효과를 통해서 각 전극 사이를 움직이게 된다. 양자점의 크기가 상술한대로 수~수십 나노미터 수준임에 비해, 전자의 쿨롱힘은 거리의 제곱에 반비례하므로, 양자점 하나에 전자가 일단 하나 들어서게 되면, 양자점 내의 쿨롱 퍼텐셜이 매우 높아지기 때문에 다른 전자들이 쉽게 접근하지 못한다. 이 때 게이트 전극의 전압을 조절하여, 전자 하나의 움직임을 통제하는 것이 SET의 원리이다. SET는 기존 트랜지스터에 비해서 전력소비, 발열문제의 해결책으로 떠오르고 있는데, 그 이유는 바로 전자 하나의 움직임이라는 것. 전력소비와 발열은 기본적으로 줄히팅, 다시말해 전자의 이동에 따른 결과물인데 기존 트랜지스터에 비해 SET는 전자의 움직임이 훨씬 적다. 따라서 두 가지 문제 모두보다 효율적으로 해결할 수 있다. 또한, 소스 전극, 양자점, 드레인 전극 사이의 거리가 수십~수백 나노미터이기 때문에 정보의 전달, 반응속도가 기존 트랜지스터에 비해 비약적으로 빨라지는 효과도 기대할 수 있다.
양자점의 특성을 이용한 디스플레이는 QLED라고 불린다. 양자점 디스플레이는 기술적으로 최대 밝기는 현재의 LCD 대비 50~100배에 달하고 소비 전력은 오히려 같은 밝기 기준에서 30~50%까지 절약 가능하며 낼 수 있는 빛의 스펙트럼 영역이 30% 정도 넓어질 수 있을 것으로 예상된다.
다만 현재 기준으로도 각 화소의 발광 제어까지 양자점만을 이용하는 디스플레이는 아직도 연구 단계로, 개발 속도를 보면 완전한 상용화까지는 앞으로도 상당한 시간이 걸릴 것으로 보인다. 대신 2014년 후반~2015년 초반부터 LCD의 백라이트에 양자점 소자를 입혀 색 재현률을 높이는 이른바 QD-LCD 기술이 주목을 받고 있다. 중국 업체들의 맹추격으로 LCD 시장의 주도권이 중국으로 넘어간 상황에서, 삼성은 새로운 돌파구의 일환으로 CES 2017에서 드디어 QLED 디스플레이를 채용한 UHD TV를 선보일 것으로 알려졌으나, 실제로 발표된 제품은 여전히 QD-LCD였으며 이름만 QLED TV로 지어 내놓은 것으로 드러났다. 게다가 삼성에서는 이미 SUHD TV 등에서 QD-LCD를 이용했기 때문에[12] '''QLED를 못 만드니까 이름 가지고 장난치는 것'''이다.[13] QD-LCD를 QLED란 이름으로 프리미엄 TV와 게이밍 모니터 등의 고가 모델부터 조금씩 적용하기 시작했다. 마치 OLED의 개선 모델, 혹은 QD-OLED인 것처럼 착각하게 만들 가능성이 높다. 2018년부터는 진짜 QD-OLED 패널을 개발하겠다고 했다.# 이와 같은 속임수로 마케팅#하는 삼성을 LG가 아니꼽게 보았는지. 대놓고 까는 광고를 내기도 하였다. 리얼미는 세계 최초의 SLED TV 출시할 계획이다.#
2019년, 중국 TCL에서 무기물 퀀텀닷 직접발광 디스플레이 패널 개발을 성공했다고 한다. 아직은 시제품이며, 31인치 H-QLED 패널이라고 한다.
QLED와 비슷하게 차세대 디스플레이로 각광받고 있는 마이크로 LED라는 것도 있다. 자세한 내용은 항목 참조.
2019년 현재 삼성이 QLED란 이름으로 프리미엄 TV와 게이밍 모니터 등을 팔고 있는데 실상은 백라이트와 액정 위에 퀸텀닷 필름을 씌운 LCD 패널이다.# 이 때문에 진짜 양자점을 이용한 QLED 디스플레이와 혼동 할 수 있으니 주의하자. 진짜 QLED 패널은 아직 실용화되지 않았다.
LG전자의 스마트폰에서 볼 수 있는 Quantum Display는 LG G4에서 설명하듯 양자점 기술과는 전혀 상관 없다. LCD의 백라이트 유닛 구조에서 빛의 3원색을 3원색 중 하나를 내는 단색 LED+다른 두 원색을 내는, 받은 빛을 내는 형광물질의 조합을 한 가지의 형광물질이 아니라 각각의 색을 내는 두 가지 물질로 바꾸고, 액정분자를 컨트롤하는 전기장의 방향을 화면에 평행한 방향에서 화면에 수직한(뚫고 들어가거나 나오는) 방향으로 바꾼 디스플레이이다.
크기에 따라 내놓는 전자기파의 파장(가시광선의 경우 색)이 달라짐을 보여주는 사진
1. 소개
量子點 / Quantum dot
물질의 크기가 수~수십 나노미터(nm) 단위로 줄어들 경우 전기적, 광학적 성질이 크게 변화하게 되는데, 이러한 반도체 입자를 양자점, 또는 퀀텀닷이라고 한다.
2. 개념
특정 무기화합물 혹은 유기화합물[1]의 입자들이 아주 작은 크기(수~나노미터 수준)로 들어서게 되면, 원자 간, 분자 간의 상호작용으로 인하여 에너지 준위가 분화하여, 본래의 에너지 준위와는 살짝 다른 에너지 준위를 가지게 되는데 이러한 현상들이 양자점 내 수십 개~수백 개의 원자 사이에서 일어나게 된다.
더 정확히 말하자면 고체 결정 내에서는 파울리의 배타원리에 따라 에너지 준위들이 불연속적으로 분화하나, 아주 많은 원자들이 결합을 이루기 때문에 에너지 준위가 연속적인 띠처럼 보이게 된다. 이를 에너지 밴드라고 한다. 이때 결정을 이루는 원자의 개수가 매우 작아지게 되면 밴드의 두께가 달라지게 된다. 이를 통해 전자들이 차 있는 밴드의 에너지 준위[2]와 전자들이 대부분 비어있는 에너지 준위[3] 사이의 크기를 조절[4]함에 따라 에너지를 선택적으로 흡수 또는 방출하는 물질을 말한다. 따라서, 물질의 종류를 달리하는 것이 아닌 입자의 크기만을 설정하여 방출, 흡수 가능한 빛의 진동수, 파장을 효율적으로 바꿀 수 있다.
여기자(bohr exciton)의 개념으로 양자제한효과를 설명하면 다음과 같다. 반도체 안에는 양극을 띄는 양공과 음극을 띄는 전자가 전자기적 인력에 의해 서로 짝을 짓게 되는데 이때 양공과 음극은 일정한 거리를 유지하게 된다. 이것이 바로 여기자이고 그 거리가 bohr exciton이다. 이 거리에 따라 방출되는 색이 결정된다. 그런데 이 bohr exciton보다 입자의 크기를 줄여버리면 전자와 양공 사이도 어쩔 수 없이 줄어들게 된다. 따라서 띠틈이 바뀌어 방출되는 색 또한 변하게 된다.
3. 양자점을 이용한 디스플레이
기존의 발광체보다 색 순도와 광 안정성이 높아 차세대 발광 소자로 각광받고 있다. 굴절률이 특정조건을 만족하면 쉽게 레이저를 발진할 수도 있고[5], 빛을 흡수할 수도 있어 태양전지 산업 등에서도 활용이 기대되고 있다.[6] 이외에도 나노 입자이기 때문에 작은 DNA 조각에 삽입하여 형광물질 용도로 쓰기도 하는 등 여러 쓸모가 있다. 과거에는 인체에 유해한 카드뮴을 주원료로 사용하였기에 취급에 주의를 요했는데, 최근에는 비(非)카드뮴계의 퀀텀닷 개발 및 양산이 이루어지기 시작했다. 이에 따라 가전제품에 소위 양자점 디스플레이란 이름으로 퀀텀닷이 채용되고 광고에도 나와 인지도가 서서히 올라가는 중이다.
양자점의 가장 큰 특징으로는 입자의 크기에 따라 방출되는 스펙트럼이 연속적으로 변한다는 것이다. 이러한 특징 덕분에 한가지 물질을 가지고 여러 가지 색을 만들어 낼 수 있다. 양자점은 크기만 적당히 바꿔주면 바로 옆 파장의 색은 물론이고 더 멀리있는 색을 낼 수 있게 된다. 또한 꼭 크기를 통일해서 단일 파장만 만드는 것이 아닌 크기를 다양하게 합성하고 전체적으로 보면 마치 연속스펙트럼을 방출하는 것처럼 보이게 된다. 또한 무기물질을 이용하여 '''OLED의 최대 단점이었던 소자의 수명을 늘려''' 번인을 해결할 수 있으며[7][8][9], 기존 OLED와의 경쟁력을 갖추게 됐다. 이러한 특징 때문에 백색광 LED의 형광체 소자로도 연구가 진행중이다.
최근에는 기존 트랜지스터의 고질적인 전력소비와 발열 문제[10][11]를 해결하기 위해서, Single Electron Transistor의 주 재료로 연구되고 있다. 기존 트랜지스터가 소스와 드레인 그리고 게이트를 이용하여 전자 무리들의 움직임을 통제하여 정보의 전달, 저장을 하는 역할을 한다면, SET는 소스 전극과 드레인 전극을 수십 나노미터정도 간격을 두고 떨어트려놓고 사이에 비전도성 물질로 채워 넣은 다음 그 사이에 양자점을 집어넣고 게이트 역할을 하게 만드는 트랜지스터이다. 이때 전자들은 양자역학적인 효과 중 하나인 터널링 효과를 통해서 각 전극 사이를 움직이게 된다. 양자점의 크기가 상술한대로 수~수십 나노미터 수준임에 비해, 전자의 쿨롱힘은 거리의 제곱에 반비례하므로, 양자점 하나에 전자가 일단 하나 들어서게 되면, 양자점 내의 쿨롱 퍼텐셜이 매우 높아지기 때문에 다른 전자들이 쉽게 접근하지 못한다. 이 때 게이트 전극의 전압을 조절하여, 전자 하나의 움직임을 통제하는 것이 SET의 원리이다. SET는 기존 트랜지스터에 비해서 전력소비, 발열문제의 해결책으로 떠오르고 있는데, 그 이유는 바로 전자 하나의 움직임이라는 것. 전력소비와 발열은 기본적으로 줄히팅, 다시말해 전자의 이동에 따른 결과물인데 기존 트랜지스터에 비해 SET는 전자의 움직임이 훨씬 적다. 따라서 두 가지 문제 모두보다 효율적으로 해결할 수 있다. 또한, 소스 전극, 양자점, 드레인 전극 사이의 거리가 수십~수백 나노미터이기 때문에 정보의 전달, 반응속도가 기존 트랜지스터에 비해 비약적으로 빨라지는 효과도 기대할 수 있다.
양자점의 특성을 이용한 디스플레이는 QLED라고 불린다. 양자점 디스플레이는 기술적으로 최대 밝기는 현재의 LCD 대비 50~100배에 달하고 소비 전력은 오히려 같은 밝기 기준에서 30~50%까지 절약 가능하며 낼 수 있는 빛의 스펙트럼 영역이 30% 정도 넓어질 수 있을 것으로 예상된다.
다만 현재 기준으로도 각 화소의 발광 제어까지 양자점만을 이용하는 디스플레이는 아직도 연구 단계로, 개발 속도를 보면 완전한 상용화까지는 앞으로도 상당한 시간이 걸릴 것으로 보인다. 대신 2014년 후반~2015년 초반부터 LCD의 백라이트에 양자점 소자를 입혀 색 재현률을 높이는 이른바 QD-LCD 기술이 주목을 받고 있다. 중국 업체들의 맹추격으로 LCD 시장의 주도권이 중국으로 넘어간 상황에서, 삼성은 새로운 돌파구의 일환으로 CES 2017에서 드디어 QLED 디스플레이를 채용한 UHD TV를 선보일 것으로 알려졌으나, 실제로 발표된 제품은 여전히 QD-LCD였으며 이름만 QLED TV로 지어 내놓은 것으로 드러났다. 게다가 삼성에서는 이미 SUHD TV 등에서 QD-LCD를 이용했기 때문에[12] '''QLED를 못 만드니까 이름 가지고 장난치는 것'''이다.[13] QD-LCD를 QLED란 이름으로 프리미엄 TV와 게이밍 모니터 등의 고가 모델부터 조금씩 적용하기 시작했다. 마치 OLED의 개선 모델, 혹은 QD-OLED인 것처럼 착각하게 만들 가능성이 높다. 2018년부터는 진짜 QD-OLED 패널을 개발하겠다고 했다.# 이와 같은 속임수로 마케팅#하는 삼성을 LG가 아니꼽게 보았는지. 대놓고 까는 광고를 내기도 하였다. 리얼미는 세계 최초의 SLED TV 출시할 계획이다.#
2019년, 중국 TCL에서 무기물 퀀텀닷 직접발광 디스플레이 패널 개발을 성공했다고 한다. 아직은 시제품이며, 31인치 H-QLED 패널이라고 한다.
QLED와 비슷하게 차세대 디스플레이로 각광받고 있는 마이크로 LED라는 것도 있다. 자세한 내용은 항목 참조.
4. 주의
2019년 현재 삼성이 QLED란 이름으로 프리미엄 TV와 게이밍 모니터 등을 팔고 있는데 실상은 백라이트와 액정 위에 퀸텀닷 필름을 씌운 LCD 패널이다.# 이 때문에 진짜 양자점을 이용한 QLED 디스플레이와 혼동 할 수 있으니 주의하자. 진짜 QLED 패널은 아직 실용화되지 않았다.
LG전자의 스마트폰에서 볼 수 있는 Quantum Display는 LG G4에서 설명하듯 양자점 기술과는 전혀 상관 없다. LCD의 백라이트 유닛 구조에서 빛의 3원색을 3원색 중 하나를 내는 단색 LED+다른 두 원색을 내는, 받은 빛을 내는 형광물질의 조합을 한 가지의 형광물질이 아니라 각각의 색을 내는 두 가지 물질로 바꾸고, 액정분자를 컨트롤하는 전기장의 방향을 화면에 평행한 방향에서 화면에 수직한(뚫고 들어가거나 나오는) 방향으로 바꾼 디스플레이이다.
[1] 무기물의 경우 기존에는 카드뮴 화합물(특히 황화물이나 셀레늄 화합물)이 사용되었으나 카드뮴이 독성을 가지는 문제로 인해 최근에는 인화인듐(InP)을 이용한 카드뮴-프리 양자점 기술이 연구되고 있다. 또한 그래핀이나 흑연입자를 이용한 카본닷 또한 광범위하게 연구되고 있다[2] 원자가띠, Valence band, 가전자대[3] Conduction band, 전도대[4] 즉 valence band와 conduction band 사이의 차이가 밴드갭이고, 밴드갭을 조절하는 것을 밴드갭튜닝(band gap tuning)이라 말한다.[5] 특정 파장대의 빛을 일정하게 조사하는 것은 의외로 이러한 양자점을 이용한 것들이 많다. 다른 물질은 불순물이 포함되있을 확률이 매우 높기 때문에 일정한 파장대의 빛을 만든다는 게 쉬운 일이 아니기도 하고.[6] 단위 면적당 에너지 저장률이 기하급수적으로 증가한다.[7] 현재로서는 유기물질을 같이 이용하는 경우도 있다.[8] 출처. 여기서는 아예 번인이 안 생긴다고 나와 있다.[9] 번인문제가 덜한건 OLED와 QLED가 빛을 내는 원리가 다르기 때문이다. 마치 과거 LCD TV를 쓸 때 번인 걱정을 안 한 것과 같다.[10] 조금 더 정확히는 단위 면적당 발열량, 현대의 집적회로는 단위 면적당 발열량이 거의 태양의 표면 수준과 비교된다.[11] QD-LCD의 경우는 퀀텀닷 소자가 열에 약해서 자칫 잘못하면 잔상이 영원히 남는 경우도 있다. 이에 대해, 삼성전자는 삼성 SUHD-TV에 10년 번인 무상보증을 한다고 했다.[12] 다만 SUHD TV는 양자점 이용을 적극적으로 홍보하지는 않고 대신 나노 크리스탈과 픽셀 제어 기술이라는 식으로 표현하였다.[13] 이러한 용어 마케팅은 이전부터 이어져 온 결과물이다. 업계에서는 OLED TV가 상용화 되기전 이미 LED TV, LED 모니터라는 이름으로 제품을 생산해왔었는데, LED TV는 본질적으로 LCD TV와 같다. 단지 백라이트 광원을 CCFL에서 LED로 바꾸었을뿐 액정을 이용해 빛의 양을 조절하는것에 있어서는 변함이 없기 때문이다.