[논문]양자점(Quantum Dot) 소재 개발 동향

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인포메이션 디스플레이 = Information display, v.16 no.1, 2015년, pp.33 - 42

배완기 (광전하이브리드연구센터, 한국과학기술연구원)

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문제 정의

본 기술특집에서는 양자점의 합성과 그 구조에 따른 광특성을 바탕으로 현재 학계와 산업계에서 주목받고 있는 양자점 기반의 광변환소자 및 전기발광소자 활용 현황을 소개하였다. 양자점 디스플레이 기술의 발달에는 산업계와 학교, 연구소의 노력이 가장 큰 원동력이 되어온 만큼 체계적인 산·학·연 협력연구를 통하여 현재의 기술적 문제들을 해결할 수 있을 것이며, 조만간 양자점이 디스플레이 및 조명 등 다양한 산업분야에서 폭넓게 활용될 수 있으리라 기대해 본다.
본 기술특집에서는 콜로이드 양자점의 합성과 그 구조에 따른 광특성에 관한 이해를 바탕으로, 양자점을 실제 디스플레이 및 조명 등에 활용하는 연구 동향에 관하여 소개한다. 그리고 현재 양자점의 산업적 활용과 관련하여 소재 측면에서의 기술적 문제점들과 이를 해결하기 위한 앞으로의 연구 방향을 제시하고자 한다.

제안 방법

코어/쉘 구조의 양자점은 코어 양자점을 함유하고 있는 반응기에 성장시키고자 하는 쉘 반응전구체를 포화 상태 농도 이하의 조건으로 추가적으로 주입하여 새로운 핵의 생성 없이 무기층의 형성을 유도함으로써 제작한다. 이때 주입하는 반응 전구체의 반응성과 주입속도, 화학반응에 상용된 계면활성제의 종류, 그리고 반응 온도 등에 따라, 형성되는 쉘의 모양 및 결정 구조 등을 조절할 수 있다.

성능/효과

2족 반응전구체가 포함되어 있는 반응기 내에 6족 반응전구체를 주입하여 양자점 입자가 생성될 수 있는 포화농도상태 이상의 조건(super-saturation)을 제공하면 먼저 양자점 핵이 형성(nucleation)되고, 이후 핵 생성에 참여하지 않은 반응전구체들이 핵의 표면과 추가적으로 반응하면서 양자점이 성장(growth)하게 된다.^[2][그림3(a)] 이후 용기 내 반응전구체의 농도가 임계농도 이하로 떨어지게 되면, 표면에너지가 더 큰 작은 크기의 양자점이 녹아나가며 표면에너지가 더 작은 양자점의 성장을 촉진하는 입자의 조대화(ostwald ripening) 과정이 진행되어 양자점의 크기 분포가 커지게 된다. 따라서 입자의 조대화 현상이 일어나기 전에 반응기의 온도를 낮추어 화학반응을 종결함으로써, 균일한 크기 분포를 가지는 양자점을 합성한다.
양자점이 지니는 높은 색순도를 활용하여 기존 LCD BLU를 활용한 디스플레이 대비 30% 이상 넓은 색재현범위를 구현할 수 있다고 알려져 있다. 또한 칼라필터 (color filter)에 의해 활용되지 못하는 영역의 파장이 줄어들게 되어, 기존 LCD BLU 대비 높은 광추출 효율을 보인다. 현재 양자점 TV의 사업화에 있어 가장 큰 기술적 한계는 비카드뮴계 양자점의 소재 개발에 있는 것으로 알려져 있다.
(e) 삼성전자(왼쪽)와 LG전자(오른쪽)에서 CES 2015에서 선보인 양자점 LCD TV의 사진. 비카드뮴계 양자점을 활용하였으며, 기존 LCD TV보다 향상된 색 구현율을 보인다.
이는 무기 LED나 유기 OLED 소자에서도 동일하게 관찰되는 현상으로 efficiency droop 혹은 efficiency roll-off 현상으로 불린다. 양자점 소자 내부의 양자점 발광층을 분광학(spectroscopy)을 활용하여 분석한 결과, QD-LED 구동 중에 양자점 발광층의 형광결합속도(photoluminescence lifetime)가 급격하게 감소하는 것이 확인되었고, 형광결합속도 변화와 비례적으로 양자점 소자의 효율 또한 감소하는 것이 확인되었다.^[22] 이러한 결과는 소자 구동시 양자점층의 비발광 결합(non-radiative recombination process) 속도가 증가하였으며, 그러한 이유로 소자의 효율이 감소하였다는 것을 의미한다.

후속연구

높은 전류밀도에서 양자점 발광층 내로 주입되는 전자와 정공의 주입속도가 달라지게 되고, 내부에 축적된 전하가 양자점 발광층의 오제 결합을 유도하여 소자 효율 저하의 원인이 된다.^[22] 따라서 양자점 내에 전자와 정공의 주입속도가 동일한 양자점 전기발광소자 구조를 개발하여 오제 결합이 일어나는 경우를 최소화하거나, 앞선 광변환소자의 경우와 같이 오제 결합 효율이 낮은 양자점을 개발하는 것이 소자의 효율 및 안정성 향상을 위한 중요한 연구가 될 것이다.
본 기술특집에서는 콜로이드 양자점의 합성과 그 구조에 따른 광특성에 관한 이해를 바탕으로, 양자점을 실제 디스플레이 및 조명 등에 활용하는 연구 동향에 관하여 소개한다. 그리고 현재 양자점의 산업적 활용과 관련하여 소재 측면에서의 기술적 문제점들과 이를 해결하기 위한 앞으로의 연구 방향을 제시하고자 한다.
양자점 디스플레이 기술의 발달에는 산업계와 학교, 연구소의 노력이 가장 큰 원동력이 되어온 만큼 체계적인 산·학·연 협력연구를 통하여 현재의 기술적 문제들을 해결할 수 있을 것이며, 조만간 양자점이 디스플레이 및 조명 등 다양한 산업분야에서 폭넓게 활용될 수 있으리라 기대해 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	양자점의 발광파장은 무엇에 의해 결정되는가?	그리고 양자점 내부에서는 전자와 정공이 결합하며 빛을 내는 발광 (luminescence) 현상을 보인다. 양자점의 발광파장은 양자점 내부에서 결합하는 전하들의 에너지 준위에 의하여 결정되며, 전하들의 에너지 준위는 양자점의 크기, 모양 및 조성에 의하여 결정된다. 양자점의 발광효율은 양자점 내부에서의 엑시톤이 빛을 내며 결합하는 효율을 의미하며, 이는 엑시톤이 빛을 내며 결합하는 속도와 빛을 내지 않고 전하들이 소멸되는 속도들과의 비율로 표현된다.
	콜로이드 양자점이란?	콜로이드 양자점(quantum dots, QDs)은 직경 2 -20나노미터(nm) 정도의 크기를 갖는 콜로이드 형태의 반도체 나노입자를 일컫는다.[1] 양자점은 전자(electron) 와 정공(hole), 그리고 이들의 정전기적 결합체인 엑시톤(exciton) 등의 전하체들이 양자점 내부에서 공간적제약을 받아 양자 국한 현상(quantum confinement effect)을 보인다고 하여 붙여진 이름이다.
	삼성전자에서는 양자점 전기발광소자를 실제 디스플레이로로 구현하기 위해 어떻게 하였는가?	또한 양자점 전기발광소자를 실제 디스플레이로 활용 하기 위해서는 양자점 발광층을 패터닝화하는 기술의 개발이 요구된다. 삼성전자에서는 실리콘 웨이퍼와 같이 평탄한 기판 위에 코팅되어 있는 양자점 박막으로부터 원하는 형태의 양자점 패턴을 전하 주입층 위에 전사(transfer)하는 방법을 활용하여 다양한 색의 양자점을 패턴화하였으며, 이를 능동형 디스플레이로 구현한바 있다.[24][그림 6(c)]

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Y.-S. Park, W. K. Bae, L. A. Padilha, J. M. Pietryga, and V. I. Klimov, Nano Lett. 14, 396 (2014).

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