아래의 내용은 삼성디스플레이 뉴스룸에서 소개된 글을 공부차 정리한 글입니다.
원문 내용을 보시고 싶으시면, 아래 링크를 참조 부탁드립니다.
-목차-
원리와 합성법
퀀텀닷의 화질
퀀텀닷 활용
원리와 합성법
- 퀀텀닷 개발 경과
1982년
-양자구속효과 발견
-러시아에서 나노크기의 반도체 입자는 크기가 줄수록 발광색이 달라지는 현상 발견.
1993년
-콜로이드 합성법 개발
-미국 연구팀에서 코온에서 퀀텀닷을 원하는 크기로 만들 수 있는 콜로이드 합성법 개발.
1996년
-코어 쉘 구조 고안
-퀀텀닷의 수명을 늘리기 위해 핵심물질을 중앙에 두고 껍질로 싸는 코어 쉘 구조 개발. 발광 효율 50% 달성.
2005년
-멀티 쉘 구조 고안
-껍질의 수를 늘린 멀티 쉘 구조 개발. 발광 효율 80% 달성.
2008년
-퀀텀닷 나노플레이트 개발
-퀀텀닷으로 필름 형태의 매우 얇은 막을 만드는 기술 개발
-블링킹 현상 제거
-껍질을 더 두껍게 만들어 블링킹 현상 해결.
2013년
-발광 효율 90%
-얇은 필름 현태에서 발광 효율 80% 개발.
- 양자구속효과 발견
-입자의 크기가 nm 단위로 작아지면 물질의 고유 전자 에너지 변동폭이 커짐.
-작은 입자의 변동폭이 상대적으로 크다 = 외부에서 전자로 들어오고 나가는 에너지가 크다 = 푸른색 계열의 색을 가진 빛
-큰 입자의 변동폭이 상대적으로 작다 = 외부에서 전자로 들어오고 나가는 에너지가 작다 = 붉은색 계열의 색을 가진 빛
-입자의 크기에 따라서 색이 달라지는 현상을 ‘양자구속효과(quantum confinement effect)’라 함.
- 콜로이드 합성법
-퀀텀닷이 유용한 이유는 특정 색을 만들기 위해서 새로운 소재를 만들 필요 없이, 한개의 소재의 입자 크기를 조절하면 붉은색부터 푸른색까지 색을 표현 가능하기 때문,
-입자의 크기를 조절하여 합성할 수 있는 방법 = 콜로이드 합성법
-콜로이드 합성법 = 12족 원소(아연, 카드뮴 등)+16족 원소(황, 셀레늄 등)+부가물질을 섞어 가열함.
-부가물질을 넣는 이유는 입자의 표면을 안정화시키기 위함. -> 입자의 크기가 작아질 수록 입자 표면의 영향이 커지기 때문에 입자 표면이 퀀텀닷의 특성을 결정함.
-퀀텀닷의 구조: 발광을 담당하는 코어, 코어의 표면을 덮어 표면의 결점을 제거하고 온도나 습도에 의한 손상을 막아 발광 효율을 유지하고 수명을 늘리는 쉘, 쉘과 함께 외부 환경으로부터 코어를 보호하고 수많은 나노입자들이 서로 뭉치지 않도록 하는 리간드로 구성됨.
-카드뮴이 환경 오염을 유발하기 때문에 13족 원소(갈륨, 인듐 등)+15족 원소(인, 비소 등)을 합성하여 핵을 만들고, 셀레화아연(ZnSe)와 황화아연(ZnS)로 만든 이중 쉘 구조를 갖는 퀀텀닷도 개발 중.
퀀텀닷의 화질
- 삼원색의 파장
-1931년, 국제조명위원회(CIE)에서 빨간색은 700nm, 초록색은 546.1nm, 파란색은 435.8nm로 정함. 그러나, 현재 디스플레이 기술로는 구현하는 것이 거의 불가능.
-현재 가장 높은 단계의 색표준 ‘BT.2020’ 목표: 빨간색 630nm, 초록색 532nm, 파란색 467nm로 정함.
-퀀텀닷으로 BT.2020의 목표 파장을 거의 구현 가능.
에너지 준위와 에너지 밴드
-원자가 한개만 있을 경우 전자는 특정한 에너지 준위에 대응하는 에너지 값만 갖을 수 있으며, 이를 양자화라고 함.
-전자가 외부에서 에너지를 받으면 높은 에너지 준위를 갖고, 외부로 에너지를 보내면서 낮은 에너지 준위를 갖으며, 높은 에너지 준위와 낮은 에너 준위의 차에 해당하는 에너지에 대응하는 특정 파장의 빛을 발산함.
-그러나 원자의 개수가 많은 물질은 각각의 원자들의 서로 다른 에너지 준위들이 서로 겹쳐지면서, 전자들이 갖을 수 있는 에너지지의 준위들이 늘어남. 에너지준위들의 겹져진 현상을 에너지밴드라고 함.
-전자들은 에너지를 외부로 방출하여 높은 에너지밴드로부터 낮은 에너지밴드에 대응하는 에너지를 갖을 수 있으나, 각 전자들은 에너지밴드의 내부에서 서로 다른 에너지 준위를 갖을 수 있어서 서로 다른 파장의 빛을 방출할 수 있음.
-발광물질은 여러개의 원자로 이뤄져 있기 때문에 외부로부터 전기 또는 빛 에너지를 받으면, 발광물질의 전자가 바깥쪽 껍질로 이동했다가 안쪽 껍질로 이동하면서 빛을 방출하게 됨.
-발광물질은 많은 원자로 이뤄져 있기 때문에 방출하는 에너지(빛)가 특정한 값이 아닌 특정 범위를 이룸.
-그러나, 퀀텀닷은 원자를 몇개만 가지고 있기 때문에 특정한 에너지 준위만 가지므로 특정 값의 파장의 빛만 방출하므로 특정 색의 빛만을 표현할 수 있음.
퀀텀닷의 응용
- 태양전지, 광전환 효율 한계
-태양광 발전: 태양의 빛에너지-> 태양전지-> 전기에너지로 변환
-1954년 미국의 벨연구소에서 최초의 상용화 태양전지인 실리콘 태양전지 개발
-광전환 효율: 태양전지가 빛에너지를 전기에너지로 전환하는 비율
-광전환 효율 한계 이유: 태양 빛에는 여러 파장(250~2500nm)의 빛이 포함됨.
-그러나, 실리콘 기반 태양전지는 500~1000nm의 빛만 활용가능.
- 퀀텀닷 태양전지
-다중 여기자 생산(carrier multiplication)이라는 물리 현상”: 2004년 미국 에너지부 산하 로스알라모스 국립연구소에서 반도체 입자인 셀레늄화납(PbSe)을 나노미터 크기로 아주 작게 퀀텀닷으로 만들면 낮은 파장의 빛을 받았을 때 열이 발생하지 않고 두세 배의 전자가 이동하는 것을 실험으로 관측함.
-실리콘 기반 태양전지는 짧은 파장의 빛의 높은 에너지를 받으면 전자가 한개의 에너지 밴드 안에서 이동하면서 열 에너지를 방출하지만, 퀀텀닷 기반 태양전지는 에너지 밴드가 아닌 에너지 준위 사이를 이동하므로 열 에너지 방출을 최소화함.
-다만, 퀀텀닷 태양전지는 표면안정화가 어려움. 왜냐하며 디스플레이에서 사용되는 퀀텀닷과 같이 겉에 껍질을 씌운 코어-쉘 구조로 태양전지용 퀀텀닷을 만들면, 껍질에 의해서 전류가 막혀서 태양전지로 사용할 수 없음.
-태양전지용 퀀텀닷에서 코어(핵심물질 자체)를 안정한 소재로 만들거나, 표면에 추가적으로 다른 물질(리간드)을 붙여 안정화시키는 방법 고안 중.
<참조 내용>
http://news.samsungdisplay.com/22082?s=%EC%96%91%EC%9E%90%EC%A0%90
http://news.samsungdisplay.com/22369
http://news.samsungdisplay.com/22694?s=%ED%80%80%ED%85%80%EB%8B%B7
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