Special 국가전략산업 양자 기술 개발 동향 및 산업응용 전망(1)

양자점의 표면구조에 따른 특성

우주영_한국생산기술연구원 수석연구원,

1.    서론

최근 양자점(quantum dot, QD)이라는 소재가 많은 관심을 받고 있다. 약 30년 전부터 본격적으로 시작된 양자점 연구는 국내 대기업에 의해 디스플레이 분야에서 사업화에 성공했으며, 학술적 및 산업적 중요성을 인정받아 관련 연구자들이 2023년 노벨 화학상을 수상하였고, 이를 통해 양자점은 더욱 폭발적인 주목을 받게 되었다. 양자점은 반도체 나노결정이면서, 양자점을 구성하는 반도체의 엑시톤 보어 반경(Exciton Bohr radius)보다 크기가 작은 소재로 정의된다. 양자점과 대비되는 개념으로는 커다란 형태인 bulk를 들 수 있는데, 반도체가 bulk에서 양자점이 되면 다양한 특성이 변화한다. 그 중 대표적인 것이 물질의 색깔과도 밀접한 연관성이 있는 밴드갭이다. 양자점은 크기에 따라 밴드갭이 변하게 되는데, 이는 bulk에서 양자점이 되면 전자(electron)와 정공(hole)이 추가적인 에너지(양자구속 에너지)를 갖게 되기 때문이다. 결과적으로 양자점은 크기에 따라 밴드갭 및 그에 따른 색깔 변화를 구현할 수 있으며, 이와 같은 특성으로 인해 다양한 색의 구현이 필요한 디스플레이에 안성 맞춤인 소재로 평가받는다[1].  

그림 1. (a) 다중엑시톤 생성(MEG)의 모식도 및 (b)양자점과 bulk 소재의 다중 엑시톤 형성 관련 효율(J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 1282–1288).

양자점은 디스플레이 이외에도 태양전지, 광촉매, 적외선 센서와 같은 에너지 분야에서도 많은 연구 성과를 이루었다. 태양으로부터 광자가 방출이 되어 태양전지가 해당 광자 한 개를 흡수하게 되는 경우, 일반적으로 한 개의 전자-정공 쌍인 엑시톤이 형성된다. 그러나 전자와 정공이 매우 작은 크기의 양자점 내부에 존재하게 될 때 높은 에너지의 광자 한 개를 흡수하게 된다면 한 개 이상의 엑시톤이 형성될 확률이 매우 높아지고, 이러한 현상을 다중엑시톤 생성(multiple exciton generation, MEG)이라고 한다(그림 1)[2]. 

Bulk 물질에 비해 양자점에서 훨씬 더 활발하게 발생하는 다중엑시톤 생성으로 인해 양자점은 꿈의 태양전지 소재로 큰 관심을 받았고, 실제 활발한 태양전지 응용 연구로 인해 상당한 수준의 성능을 확보하는데 성공했다[3]. 또한 양자점에 효율적으로 진행할 수 있는 전하의 선택적 분리 등으로 인해 물분해, 수소생산, 이산화탄소 분해와 같은 광촉매 연구에서도 다양한 연구가 진행되었다. 또한 적외선 영역에서도 다양하게 흡수특성을 변조할 수 있는 특성으로 인해 시각에 안전한 적외선 센서 관련 연구도 매우 활발하게 진행이 되고 있는 상태이다(그림 2)[4].

그림 2. 양자점 관련한 디스플레이, 에너지, 통신, 머신비전, 바이오 이미징 등 다양한 응용 가능 분야(Science 2021, 373, 640-653).

이와 같이 기존의 양자점의 응용분야는 디스플레이, 에너지, 촉매, 적외선 센서 등 기성 기술에 집중이 되었다면, 최근에는 이러한 트렌드가 급격하게 변하고 있으며, 양자점의 다양한 양자기술로의 응용이 큰 관심을 받고 있다. 예를 들면 양자점 소재는 양자통신 및 양자센싱과 밀접한 관련이 있는 단일광자 광원 및 단일광자 검출기 응용에 있어 큰 잠재력이 있는 것으로 알려지고 있다[5]. 이는 양자점이 선택적 광자방출 특성, 높은 발광효율, 높은 검출능력과 같이 양자기술 구현에 적합한 우수한 특성을 가졌기 때문이다. 양자기술의 실용화에 있어 저가형 고품질 소재를 구현하는 것이 매우 큰 난제임을 감안했을 때에, 양자점은 광자 기반의 다양한 양자기술을 우리 생활에 구현할 수 있는 매우 잠재력 있는 소재로 생각된다. 

이와 같이 기성기술 및 양자기술 응용에 큰 잠재력이 있는 양자점의 다양한 특성들은 표면구조에 의해 상당하게 지배를 받는다. 이는 양자점의 크기가 작아 비표면적이 높은 것 때문은 물론이고, 양자점의 표면구조가 매우 독특하게 이뤄졌기 때문이다. 따라서 양자점의 표면구조가 특성에 미치는 것을 정확히 이해해야 향후 양자기술 구현에 가능한 고품질 양자점의 구현이 가능하다. 따라서 본 글에서는 표면구조가 양자점 특성에 미치는 영향을 다양한 예를 활용하여 쉽게 전달하고자 한다. 

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<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2025년 8월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>