크기에 따라 내놓는 전자기파의 파장(가시광선의 경우 색)이 달라짐을 보여주는 사진
1. 개요
量子點 / quantum dot물질의 크기가 수십~수 나노미터(nm) 단위로 줄어들 경우 전기적, 광학적 성질이 크게 변화하게 되는데, 이 현상을 사용할 수 있을 정도로 작은 반도체 소재이다.
결정형 고체 물질은 벌크(덩어리) 형태에서는 전자 에너지 준위들이 보통 연속적인 띠 형태(에너지 밴드)로 나타나기 때문에 광학작용에 의해 흡수 또는 방출되는 빛이 넓은 범위에서 나타나기 마련이다. 결정형 고체의 크기가 작아지면 에너지 준위가 매우 좁아지는데, 나노 크기까지 이르게 되면 분자와 마찬가지로 에너지 준위들이 "양자화(Quantization)" 되어 불연속적인 에너지 차이를 갖게 된다.
양자화된 에너지 차이(에너지갭)가 가시광 영역인 경우를 한정하여 양자점이라 부르는 경우가 많고, 이러한 가시광 영역의 흡광 또는 발광에 해당하는 물질은 반도체이다. 그래서 일반적으로 반도체 나노결정 입자를 양자점 또는 퀀텀닷이라고 한다. 엄밀하게는 에너지 차이가 가시광 영역이 아니어도 결정크기로 인한 에너지 양자화가 나타난다면 넓은 의미의 양자점이라 부를 수 있다.
나노크기의 입자로 만들었다고 하더라도 이것저것의 크기로 된 입자들이 섞여 있다면 벌크 형태와 마찬가지로 넓은 범위의 빛을 흡수 또는 방출하게 된다. 그렇기 때문에 우리가 원하는 색만 고르기 위해서는 입자의 크기를 정확하게 제어할 수 있어야 한다. 이론적으로 같은 물질로 크기만 제어하면 우리가 원하는 어떠한 색깔도 만들어낼 수 있다는 점이 양자점의 가장 중요한 특징이다.
2. 개념
특정 무기화합물 혹은 유기화합물[1]의 입자들이 아주 작은 크기(수나노미터 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~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 띠는 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 디스플레이의 특징
2024년 현 시점 양자점 디스플레이(QLED)는 구현자체가 매우 어려우며 하단에 서술된 삼성QLED라인 제품군은 실제 양자점 디스플레이 기술이 아니며 사실상 말장난에 불과하다.
기존의 발광체보다 색 순도와 광 안정성이 높아 차세대 발광 소자로 각광받고 있다. 굴절률이 특정 조건을 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 형광 물질 용도로 쓰기도 하는 등 여러 쓸모가 있다. 과거에는 인체에 유해한 카드뮴을 주원료로 사용하였기에 취급에 주의를 요했는데, 최근에는 비(非)카드뮴계의 양자점 개발 및 양산이 이루어지기 시작했다.[7] # 이에 따라 가전제품에 소위 양자점 디스플레이란 이름으로 양자점이 채용되고 광고에도 나와 인지도가 서서히 올라가는 중이다.
양자점의 가장 큰 특징으로는 입자의 크기에 따라 방출되는 스펙트럼이 연속적으로 변한다는 것이다. 이러한 특징 덕분에 한 가지 물질을 가지고 여러 가지 색을 만들어 낼 수 있다. 양자점은 크기만 적당히 바꿔주면 바로 옆 파장의 색은 물론이고 더 멀리 있는 색을 낼 수 있게 된다. 또한 꼭 크기를 통일해서 단일 파장만 만드는 것이 아닌 크기를 다양하게 합성하고 전체적으로 보면 마치 연속 스펙트럼을 방출하는 것처럼 보이게 된다. 또한 무기 물질을 이용하여 소자의 수명을 늘려[8], 번인 현상이 최대 단점인 OLED와 경쟁력을 갖출 수 있다. 이러한 특징 때문에 백색광 LED의 형광체 소자로도 연구가 진행 중이다.
최근에는 기존 트랜지스터의 고질적인 소비 전력과 발열 문제[9]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 상술한 대로 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. 이때 게이트 전극의 전압을 조절하여, 전자 하나의 움직임을 통제하는 것이 SET의 원리이다. SET는 기존 트랜지스터에 비해서 소비 전력, 발열문제의 해결책으로 떠오르고 있는데, 그 이유는 바로 전자 하나의 움직임이라는 것. 소비 전력과 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, 반응 속도가 기존 트랜지스터에 비해 비약적으로 빨라지는 효과도 기대할 수 있다.
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.
4. 양자점 디스플레이의 종류
4.1. QD-LCD
2015년부터 삼성전자는 LCD에 양자점 컬러 필터를 씌워 색 영역을 개선하는 이른바 QD-LCD 기술을 이용한 제품을 내놓아 주목받았다.#LCD 시장의 주도권이 중국으로 넘어간 상황에서, 삼성전자는 새로운 돌파구의 일환으로 CES 2017에서 드디어 양자점 디스플레이를 채용한 TV를 선보일 것으로 알려졌으나, 실제로 발표된 제품은 여전히 QD-LCD였으며 이름만 QLED TV로 지어 내놓은 것으로 드러났다. 삼성전자는 2017년부터 양자점 컬러 필터를 씌워 색 영역을 개선한 LCD를 QLED라 부르고 있다. 이미 SUHD TV 등에서 QD-LCD를 이용했는데 QLED라는 상표로 신기술 제품인 것처럼 대대적으로 홍보하는 것은 상표로 소비자에게 혼동을 주는 행위이다.[10] QD-LCD를 QLED란 이름으로 프리미엄 TV와 게이밍 모니터 등의 고가 모델부터 조금씩 적용하기 시작했다. 양자점 디스플레이의 목표점인 QD-LED와 혼동을 줄 수도 있으며, 마치 OLED의 개선 모델인 것처럼 착각하게 만들 가능성도 있다.
게다가 QD-LCD도 비가역적 변색 현상을 겪을 수 있다. 양자점 컬러 필터는 열과 습기에 약하며, 이로 인해 비가역적인 변성을 겪으면 채도가 떨어지게 되는데 이를 광표백(Photobleaching)[11] 현상이라고 한다. 이에 대해, 삼성전자는 2017년부터 전 세계 10년 번인 무상 보증으로 대응하고 있다.
이와 같이 혼동을 주는 방식으로 마케팅#하는 삼성전자를 LG전자가 아니꼽게 보았는지, 대놓고 까는 광고를 내기도 하였다.
4.2. QD-OLED
삼성전자가 그동안 LG전자의 OLED TV를 번인 현상으로 오랫동안 비판했으나, CES 2022에서 삼성디스플레이가 QD-OLED 패널의 상용화를 발표했다. 그 후 에일리언웨어의 게이밍 모니터인 AW3423DW를 시작으로 다양한 회사들에서 QD-OLED를 적용한 모니터와 TV들을 출시하고 있다.다만 이 패널도 무기물 직접 발광 디스플레이와는 거리가 멀고, 청색 단색 OLED에 양자점 컬러 필터를 씌운 것이다. 때문에 광퇴색 현상 또는 번인 현상을 겪을 수 있다.
5. 기타
- 2015년 4월#, LG G4의 Quantum Display는 양자점 기술과 전혀 상관 없다. OLED vs QLED 전쟁 한가운데 시점에서, 모바일 AMOLED에 약한 LG디스플레이는 색 영역을 확장하는 기술들을 넣은 LCD를 만들었다.# LG전자는 양자점 디스플레이가 아닌 퀀텀 디스플레이를 퀀텀점프란 의미로 이름을 붙였다며 마케팅을 하였다.
- 백라이트 LED에서 RGB 3원색 빛을 발생시키는 소재가 달라졌다. 기존에는 단색 LED에 노란색 형광 물질을 발라 "LED에서 나오는 색(B)" + "형광 물질에서 나오는 색(R, B)"로 빛의 3원색을 발생시켰다면, Quantum Display는 "LED에서 나오는 색(B)" + "형광 물질1에서 나오는 색(R)" + "형광 물질2에서 나오는 색(G)"으로 빛의 3원색을 발생시켰다. 이 "백라이트 LED 위에 바른 형광체" 덕에 색 영역을 확장할 수 있었다. 또한 액정 분자를 제어하는 전기장의 방향을 화면에 평행한 방향에서 화면에 수직한(뚫고 들어가거나 나오는) 방향으로 바꿔 빛 투과성을 개선했다.
- 단점은 잔상이다(...) 많은 기술 개선점이 있었으나 LCD의 일종에 불과하기 때문이다.
- 리얼미는 세계 최초의 SLED TV를 출시할 계획이다. #
- 2019년, 중국 TCL에서 무기물 양자점 직접 발광 디스플레이 패널 개발#에 성공했다고 한다. 그러나 시제품이며 31인치에 불과한 H-QLED 패널이라고 한다.
- 2023년 노벨화학상은 이 양자점을 발견 및 합성한 공로에 대해 주어졌다. 같은 해 노벨물리학상이 아토초 단위의 펄스를 만들어낸 것에 대해 주어졌는데, 두 분야 모두 이론 및 활용에 물리와 화학이 같이 얽혀있어 서로 수상분야가 바뀌어야 하는 게 아니냐는 농담도 나온다.
[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 포함되어있을 확률이 매우 높기 때문에 일정한 파장대의 빛을 만든다는 게 쉬운 일이 아니기도 하다.[6] 단위 면적당 에너지 저장률이 기하급수적으로 증가한다.[7] 비카드뮴이라고 해도 인듐 같은 금속이 들어가는데, 인듐도 수용성은 인체에 폐독성이 있다.[8] 현재로서는 유기 물질을 같이 이용하는 경우도 있다.[9] 조금 더 정확히는 단위 면적당 발열량, 현대의 집적회로는 단위 면적당 발열량이 거의 태양의 표면 수준과 비교된다.[10] 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 조절하는 것에 있어서는 변함이 없기 때문이다.[11] 광퇴색이라고도 부른다.