양자점과 포토닉스
2023년 노벨 화학상은 이미 종양학부터 차세대 디스플레이까지 다양한 응용 분야에 영향을 미치고 있는 혁신적인 나노 규모 광자 기술인 양자점을 조명했습니다.
2023년 12월 19일, 작성: Coherent
오늘 이 글을 작성하는 이유는 2023년 노벨 화학상 수상을 기념하기 위해서입니다. 이번 수상자는 Moungi Bawendi, Louis Brus 및 Alexei Ekimov로, 특별한 신소재인양자점 을 발견 및 개발했습니다.
양자점은 직경이 수 나노미터에서 수십 나노미터에 이르는 작은 물질 입자입니다. 이를 양자점이라고 지칭하는 이유는 그 크기가 작아 이러한 작은 나노결정의 전자가 양자 행동을 나타내기 때문이며, 양자 행동은 화학적 조성뿐만 아니라 입자의 크기에 의해 부분적으로 결정됩니다. 또한 양자점은 다양한 크기로 생성할 수 있기 때문에 맞춤형 전자 특성을 갖춘 재료를 생산할 수 있는 방법을 제시해 줍니다. 선택한 재료가 빛을 흡수 및/또는 방출하는 경우, 맞춤형 광자 특성을 갖춘 재료를 생산할 수 있는 방법이 되기도 합니다. Coherent의 레이저는 흔히 이러한 광자 특성을 조사하고 측정하는 데 사용됩니다.
양자점은 맞춤형 광자 행동을 보이기 때문에 이미 상업용 제품에서 찾아볼 수 있으며 물리학, 화학에서 의학에 이르기까지 다양한 과학 분야에서 사용되고 있습니다. 이러한 제품 중 일부는 생산에 레이저를 사용하는데, 그러면 레이저와 직접적으로 관련된 예를 소개하겠습니다. 다만 그 전에 먼저 양자점의 작용 방식을 살펴보겠습니다.
양자점의 작용 원리 - "상자 안의 입자"
양자 역학에서는 전자와 같은 매우 작은 것들이 입자뿐만 아니라 파동으로도 행동한다는 사실을 알려줍니다. 그리고 파동이 어떤 방식으로든(원하는 경우 상자 안에) 한정되는 경우, 상자의 크기에 따라 허용되는 파동의 크기가 결정됩니다. 상자가 크면 공간이 커져 긴 파동이 가능합니다. 상자가 작으면 공간이 작아져 짧은 파동만 가능합니다. 대학 신입생 수준의 화학 수업에서는 이 간단한 이론 모델을 “상자 안의 입자”라고 하는데, "상자 안의 파동"이라고 하는 편이 더 효과적인 설명입니다. 또 다른 더 간단하고 실용적인 비유로는 파이프 오르간에서 생성되는 음파를 들 수 있습니다. 파이프가 길면 음파가 길어집니다. 즉, 주파수가 낮아져 낮은 음조가 들리게 됩니다. 파이프가 짧으면 전달하는 음파가 짧아지며, 결과적으로 주파수와 음조가 높아집니다.
이것이 양자점의 광자 특성에서는 어떤 의미일까요? 황화카드뮴과 같이 빛을 흡수하는 재료라면 점이 클 때는 벌크 재료와 비슷한 흡수 특성을 갖추게 됩니다. 하지만 점이 작아질수록 흡수 프로파일은 더 짧은 파장, 즉 파란색 쪽으로 이동합니다. 마찬가지로 특정 페로브스카이트 재료와 같이 흡수된 빛을 형광으로 다시 방출하는 재료의 경우 점이 크면 방출 특성이 벌크 재료와 유사합니다. 하지만 점의 크기가 작아질수록 방출은 파란색으로 이동합니다.
양자점과 디스플레이 기술
물질을 특정 크기의 양자점으로 형성하여 물질의 광 흡수 및 방출 특성을 조정할 수 있다는 것은 양자점을 색상 변환기로 사용할 수 있다는 의미입니다. 이는 디스플레이와 같은 응용 분야에서 구식 형광체의 역할을 대체합니다. Coherent는 디스플레이 응용 분야에 대한 지식이 풍부한데, 그 이유는 Coherent의 레이저가 백플레인 회로가 흔히 형성되는 저온 폴리실리콘 어닐링, 편광판 화면 트리밍, 대량 전사 등 최신 µLED 디스플레이의 여러 중요한 제조 공정에서 사용되기 때문입니다.
양자점은 기존 형광체에 비해 변환 효율이 더 높기 때문에 더 밝은 디스플레이를 제작할 수 있습니다. 게다가 방출 스펙트럼(색상 확산)이 매우 좁아서 더 넓은 색 영역을 갖춘 RGB 디스플레이가 가능합니다.
사실 양자점은 현재 흔히 QLED TV라고 하는 형태로 거의 10년 동안 TV 디스플레이에 사용되어 왔습니다. 이는 필름에 점이 포함되어 있고 점에 닿는 빛이 LED 백라이트에 의해 공급되는 일종의 LCD 디스플레이입니다. QLED TV는 각 픽셀이 발광 다이오드인 유기 LED(OLED) 디스플레이보다 저렴한 비용으로 매력적인 화질을 확보해 주기 때문에 현재 가장 인기 있는 TV 유형 중 하나입니다. OELD 단독보다 화질을 더욱 향상시키기 위해 양자점을 색상 변환기/강화 장치로 다시 사용하는 QD-OLED라는 또 다른 TV 버전도 있습니다.
새롭게 떠오르고 있는 디스플레이 기술로 microLED라는 기술이 있습니다. 여기서는 무기 LED가 디스플레이의 각 픽셀에 위치하는데, 크기가 픽셀보다 훨씬 작습니다. 이 기술은 몇 가지 중요한 이점이 있습니다. 첫째, microLED 장치는 수 마이크론 수준으로 작은 크기가 가능하기 때문에 웨이퍼에 촘촘하게 밀집시켜 매우 낮은 단가로 대량 생산할 수 있습니다. 둘째, 각 픽셀의 사용되지 않는 큰 영역은 향후 AR/VR 응용 분야에서 감지 또는 기타 목적으로 사용될 수 있습니다. 이러한 디스플레이를 제작하는 데 까다로운 부분은 단 몇 분 만에 수억 개의 작은 LED를 이동하고 정확하게 배치하는 것입니다. Coherent는 비기계적 방식으로 이 작업을 효과적으로 수행하는 UVtransfer를 구현했습니다.
그렇다면 microLED 디스플레이에서 양자점의 역할은 무엇일까요? 현재 이미 두 가지 유형의 microLED 디스플레이가 존재합니다. 원래 형식에서는 모든 픽셀에 빨간색, 녹색, 파란색의 3가지 LED가 포함되어 있습니다. 또 다른 형식에서는 파란색 LED만 사용되며 양자점이 빨간색과 녹색의 색상 변환기 역할을 합니다. 이 후자 형식은 빨간색 microLED의 낮은 방출 효율로 인해 발생하는 한계를 해소해 줍니다.
양자점: 새롭게 떠오르는 과학 응용 분야
다른 여러 분야의 엔지니어와 과학자들은 암을 시각화하기 위한 일부 바이오이미징 방법을 포함하여 여러 새로운 응용 분야에 양자점을 사용하고 있습니다. 그러나 양자점은 아직 초기 단계에 있으며, 새로운 물질 유형에서 양자점의 생산과 기능을 최적화하는 방법을 이해하는 데 많은 기본 연구 작업이 남아 있습니다. 이러한 작업에서 Coherent의 과학 및 계측 레이저 제품이 광범위하게 사용됩니다. 몇 가지 예를 간단히 살펴보겠습니다.
펌프-프로브 분광학. 양자점은 일반적으로 빛을 흡수하여 더 높은 에너지로 여기된 전자가 형광을 방출하여 에너지를 방출할 때 빛을 방출합니다. 하지만 이 과정은 결코 100% 효율적이지 않습니다. 에너지 중 일부는 다른 과정에서 손실됩니다. 과학자들은 효율성을 높이고 기타 목적을 달성하기 위해 이러한 과정을 이해하고자 합니다. 매우 빠른 시간 간격 때문에 이러한 조사에는 Ultrafast 레이저가 최상의 도구입니다. 레이저는 펨토초 또는 피코초 레이저 펄스(펌프 펄스라고 함)가 전자를 여기시키고 두 번째 펄스(프로브 펄스)가 어떤 방식으로든 샘플을 조사하는 펌프/프로브 분광학이라는 접근 방식에 자주 사용됩니다.
THz-Raman. 모든 구조물은 어느 정도 진동합니다. 분자의 원자는 적외선에 해당하는 주파수로 진동하기 때문에 대부분의 화학 실험실에서 적외선 분광계를 찾아볼 수 있습니다. 양자점과 같은 나노규모 구조물은 테라헤르츠(THz) 주파수에서 진동합니다. THz 방사선은 생성하기도 감지하기도 어렵기 때문에 조사에 까다로운 방식입니다. Coherent는 더 간편하면서 효과적인 THz-Raman이라는 솔루션을 갖추고 있습니다. 이 솔루션에서는 가시 레이저광을 사용하여 THz 정보를 추출합니다.
몇 가지 최종 견해
노벨 과학상은 새로운 과학 분야를 밝히거나 실제 응용 분야 측면에서 중요한 의미가 있는 발견/발명에 수여됩니다. 불과 몇 년 만에 양자점은 두 범주의 훌륭한 예임이 입증되었으며, 실제로 이제 막 걸음마를 뗀 포토닉스라는 흥미로운 영역을 대표하고 있습니다. 포토닉스에 기반을 둔 회사인 Coherent는 양자점 개발자들이 2023년 화학상으로 노벨상 위원회의 인정을 받은 것을 매우 기쁘게 생각합니다. 진정 수상 자격이 있는 업적입니다.
