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최근 TV광고에 OLED 대신 새로운 단어가 등장하기 시작했습니다. 바로 차세대 발광 소자로 주목 받고 있는 ‘퀀텀닷’인데요. 탁월한 색 재현력과 자체 발광 기능으로 디스플레이뿐만 아니라 바이오 이미징, 태양광 에너지 산업까지 유용하게 활용될 예정이라고 합니다. 이처럼 지속적으로 활용범위를 넓혀가고 있는 퀀텀닷. 과연 앞으로 어떻게 발전하게 될까요? 지금부터 차세대 발광소자 퀀텀닷에 대해 알아보도록 하겠습니다. 함께 살펴보시죠!
차세대 발광소자 퀀텀닷은 무엇일까?
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▲ 퀀텀닷의 크기에 따른 색 변화 (출처 : nanosys)
‘퀀텀닷(quantum dot, 양자점)'은 자체적으로 빛을 낼 수 있는 나노미터(nm) 단위의 반도체 결정입니다. 최초 스테인드글라스(stained glass)를 만들던 도중 발견되었는데요. 나노 단위의 영역에서 모양에 따라 광흡수와 광발광 파장이 달라지는 성질을 통해 다양한 색을 구현할 수 있는 특징을 가진 물질이랍니다.
퀀텀닷이 자체 발광이 가능한 이유는 코어(Core)와 쉘(Shell) 덕분인데요. 빛의 파장을 흡수하고 제어하는 코어의 크기에 따라 다른 색을 발광할 수 있게 됩니다. 즉, 입자의 크기가 작으면 짧은 파장의 빛이 발생하여 파란색을 띄고, 입자의 크기가 클수록 긴 파장의 빛을 발생하면서 빨간색에 가까운 색을 구현할 수 있는 것이죠. 또, 코어를 둘러싸고 있는 쉘은 발광 특성을 개선해줍니다.
▲ 크기별 퀀텀닷 색감 예시 (출처 : microno)
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퀀텀닷의 크기는 나노미터(nm) 수준인데요. 이것은 1nm는 1/10억m, 0.000000001m의 크기랍니다. 어느 정도인지 감이 오시나요? 쉽게 생각하면, 지구를 1m라고 생각했을 때, 축구공 정도의 크기라고 보면 됩니다.
퀀텀닷은 크기만큼이나 세밀하고, 다채로운 색 표현이 가능하다고 합니다. 따라서 높은 해상도의 디스플레이 제작이 가능하죠. 또, 빛 흡수율도 높고, 적은 에너지로도 밝은 빛을 낼 수 있어 발광 효율이 매우 좋은 소재인데요. 그만큼 다양한 분야에서 주목 받고 있는 소재이기도 합니다. 그럼 지금부터 퀀텀닷이 어떤 분야에서, 어떻게 응용되고 있는지에 대해 알아보도록 하겠습니다.
다양한 분야에서 활용되고 있는 퀀텀닷
최근 퀀텀닷과 관련된 기술로 디스플레이가 가장 먼저 주목 받고 있었는데요. 하지만 작은 크기, 자체 발광 기능, 고효율의 빛 흡수율로 바이오 이미징과 태양광 에너지 사업에도 적극 활용되고 있답니다. 과연 어떻게 활용되고 있는지 함께 알아보도록 하겠습니다.
하나. 탁월한 색 재현, '퀀텀닷 디스플레이'
▲ 퀀텀닷으로 만든 SUHD TV (출처 : 삼성전자)
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'퀀텀닷'을 가장 널리 활용하고 있는 곳은 디스플레이(Display) 분야 인데요. 퀀텀닷을 형광물질 혹은 발광물질로 사용하여 디스플레이의 특성을 향상시키거나 화면 자체로 활용하면 선명도를 높일 수 있다는 장점이 있습니다. 또, 무기물 소재인 퀀텀닷은 OLED와 같은 유기물질에 비해 가격이 싸고 수명 길다고 합니다.
퀀텀닷은 같은 입자로 모든 색을 구현할 수 있어 색 재현력이 좋습니다. 게다가, 외부 광원이 필요 없다는 점 덕분에 플렉서블 디스플레이나 투명 디스플레이로 활용될 가능성 또한 높은 소재랍니다.
퀀텀닷은 형광물질로 사용한 디스플레이 QD-LCD와 자체 발광물질로 사용한 디스플레이는 QD-LED로 나뉘는데요. QD-LCD는 LED내 형광물질을 퀀텀닷으로 대체하여 LCD의 단점인 색 재현성을 극대화한 디스플레이로, 대량 양산을 위한 기술도 개발이 완료된 상태입니다. 반면, QD-LED는 퀀텀닷을 자체 발광물질로 활용하여 유기물질보다 가격이 싸고, 수명이 길고, 색 재현성과 전력 효율 측면에서도 우수한 장점을 활용할 수 있습니다. 하지만 현재 상용화를 위한 기술은 아직 개발이 완료되지 않아, 상용화까지는 시간이 필요할 것이라는 전망입니다.
둘. 작은 크기의 발광 물질, '바이오 사업'
▲ 바이오 이미징 (출처 : KBS TV화면 캡쳐)
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퀀텀닷의 활용이 기대되는 또 다른 분야는 바이오 사업입니다. 그 중에서도 '바이오이미징(Bio Imaging)' 분야에서 각광받고 있는데요. 몸 속 DNA 보다도 크기가 작지만, 자체 발광력이 뛰어나고, 선명한 빛을 낼 수 있어 신체 내에서 활용도가 높을 것이라는 기대를 받고 있는데요.
예를 들면, 퀀텀닷의 특징을 활용하여 아주 작은 암세포를 초기에 검진할 수 도 있습니다. 암세포에 달라붙는 성질을 가진 단백질에 퀀텀닷을 주입한 후 레이저를 쏘면 이 단백질이 빛을 발산하여 암세포의 위치와 크기 등을 알 수 있게 되는 것이죠. 뿐만 아니라 미세 혈관이나 신경을 치료할 때에도 활용할 수 있도록 연구 중이라고 하니 추후 의료 분야에서 퀀텀닷의 활약이 기대가 됩니다.
셋. 태양 빛을 전기에너지로, '태양 전지'
▲ 태양전지 소재로서 퀀텀닷 (출처 : KIST)
퀀텀닷의 또 다른 성질 중 하나는 빛 자극을 전기자극으로 바꾸는 것인데요. 바꿔 말하면, 태양광을 전기 에너지로 바꾸는 것도 가능하다는 것입니다. 때문에 태양전지의 소재로도 활용이 가능하죠. 원래 태양 전지는 보통 실리콘을 사용했지만, 이러한 퀀텀닷을 활용하면, 보다 간단한 공정으로 저렴한 가격의 태양전지를 만들 수 있게 됩니다.
퀀텀닷을 태양전지로 활용하면, 크기 제어를 통해 짧은 파장부터 긴 파장까지 태양광을 효율적으로 흡수할 수 있게 됩니다. 때문에 기존의 태양 전지보다 훨씬 넓은 영역의 광흡수가 가능하고, 더 많은 에너지를 만들어 내는 것도 가능하죠. 때문에 현재 몇몇 연구기관들에서는 퀀텀닷을 이용한 태양전지나, 배터리를 만드는 연구도 진행 중이라고 합니다.
현재 진행 중인 퀀텀닷의 연구와 미래
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▲ 퀀텀닷 시장 전망 (출처 : IHS)
앞서 말씀 드렸듯 퀀텀닷은 많은 장점과 가능성을 가진 물질입니다. 하지만, 아직 극복해야 할 부분도 있는데요. 바로 카드뮴 입니다. 퀀텀닷에는 인체에 유해한 물질인 카드뮴이 포함되어 있어 기술 활용에 많은 제약을 받고 있는데요. 현재 비카드뮴 양산에 성공하여 TV 제품까지 등장했지만, 아직 다른 분야에서 카드뮴 문제는 해결되지 않고 있습니다. 특히, 바이오 이미징 분야에서 카드뮴은 치명적일 수 밖에 없죠.
또한, 현재 개발된 퀀텀닷 TV는 QD-LCD로 QD-LED와 다소 차이가 있습니다. 퀀텀닷을 형광물질(LCD)로 사용했느냐 자체 발광물질(LED)로 활용했느냐의 차이인데요. 아직 QD-LED 기술은 상용화까지 연구가 필요한 상황이라고 합니다.
▲ 퀀텀닷의 색상 선명도 차이 (출처 : newscenter.lbl.gov)
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하지만, 이런 문제들이 해결된다면, 퀀텀닷의 가능성은 무궁무진할 것으로 예상됩니다. IHS에 따르면 퀀텀닷 소재의 시장 규모는 2020년 4억 7,400만 달러 규모로 성장할 것으로 전망하고 있습니다. 최근 퀀텀닷 디스플레이가 차세대 TV로 급부상하면서 국내 여러 기업들도 퀀텀닷 부품 및 소재 시장에 진출하기 위해 노력하고 있고, 국외 기업들도 미국과 영국의 선도 아래에 퀀텀닷 시장을 개척하고 있습니다.
작은 크기에 무궁무진한 가능성을 담고 있는 신소재 퀀텀닷. 지금도 디스플레이와 바이오 이미징, 태양전지 소재로의 연구가 활발하게 진행되고 있는데요. 이 외에도 다양한 분야에서 활용되며, 영역을 넓혀갈 전망이라고 합니다. 점점 더 작고, 빠르게 변화하고 있는 기술 속에서 지속적으로 발전하고 있는 퀀텀닷은 과연 어떤 역할을 보여줄까요? 앞으로 퀀텀닷 기술이 우리의 삶을 더욱 윤택하게 해주기를 기대해봅니다.
