총천연색 양자점 합성법과 구조

지난 글에서는 QD의 양자구속효과부터 현재의 사용화 제품인 삼성전자의 QD-OLED까지 쭉 살펴보았는데요, 이번 글에서는 QD의 구조와 발광 원리에 대해 간략하게 살펴보도록 하겠습니다.

양자점 합성과 구조

고온주사법(Hot-Injection) 콜로이드 양자점 합성

QD는 양자구속효과에 의해 반도체 소재의 크기에 따라 다른 색을 나타낼 수 있다는 매력때문에 발견 초기부터 매우 주목을 받았습니다.

특정 색을 만들어내기 위해 새로운 소재를 찾아낼 필요가 없이 하나의 소재로 크기만 달리하면 빨주노초파남보 가시광을 모두 만들어낼 수 있기 때문입니다.

그러나 그 크기를 나노미터 수준에서 제어하는 것이 쉽지 않기 때문에 본격적인 소재를 활용하는데 어려움이 있었습니다.

그러던 1993년 처음으로 QD의 크기를 세밀하게 제어할 수 있는 '콜로이드 합성법'이 개발되었습니다.

고온주사법(Hot-Injection)

생각보다 복잡하지 않은 간단한 방법인데요, 반도체를 이루는 원소를 고온에서 섞어주면 원소들이 활성화 된 상태에서 반응하여 결정화가 진행됩니다. 

이 결정화 시간이 길어질수록 입자의 크기가 커지게 되는데요, 따라서 적당한 시점에서 온도를 낮춰줌으로써 이 결정화가 중단되도록 하면 원하는 크기의 QD가 용액 속에 분산되어있는 상태로 합성이 가능하게 됩니다.

즉, 온도를 내리는 시점을 제어함으로써 다양한 색상을 내는 다른 크기의 QD를 합성할 수 있는 것입니다.

비표면적과 코어-쉘 구조

물질의 부피 대비 표면적을 비표면적이라고 합니다. 어떤 물질이든 쪼개고 쪼개서 그 크기를 줄여나가면 물질의 전체 부피는 일정하지만 포면적은 계속 늘어나게 됩니다.

예를 들어 한 변의 길이가 1m인 정육면체는 그 부피:표면적이 1:6입니다.

그런데 이 정 육면체를 가로 세로로 잘라내어 한 변의 길이가 0.5m인 총 8개의 정육면체를 만들면 부피는 그대로인 반면 면적이 매우 늘어 그 부피:표면적이 1:12로 비표면적이 2배로 늘어나게 됩니다.

이를 무한히 더 쪼개서 QD크기인 수나노미터가 되면 그 비표면적은 매번 자를 때마다 2배씩 증가하여 천문학적으로 높은 비표면적을 갖게 됩니다.

이렇게 소재의 표면적의 비중이 크게 되면, QD의 반도체적 특성이 표면 특성에 따라 매우 달라지게 됩니다.

즉, 양자점은 결국 표면 특성이 소재의 특성에 미치는 영향력이 매우 커지므로 표면을 잘 관리하는 것이 중요합니다. 

때문에 현대의 QD는 그 구조가 코어-쉘로 이뤄져있습니다. 코어, 즉 QD의 핵은 실제로 해당 QD의 발광 특성을 결정하는 본체라고 이해할 수 있고 쉘은 그 핵을 감싸는 껍질로 QD의 핵이 제대로 된 반도체 특성을 유지할 수 있도록 표면을 보호해주는 역할을 주로 하게됩니다.

최종적으로 이 표면에 리간드라는 유기물을 붙여 콜로이드 용액 내에 QD가 잘 분산될 수 있도록 합니다.

 

2021.12.25 - [분류 전체보기] - 양자점- 삼성전자 QD OLED TV의 시작

양자점- 삼성전자 QD OLED TV의 시작