2023년 노벨 화학상은 양자점의 발견과 개발에 수여되었습니다. 노벨 위원회는 "양자점은 인류에게 가장 큰 혜택을 가져다주고 있으며, 그 잠재력에 대한 우리의 탐구는 이제 막 시작에 불과합니다."라고 밝혔습니다. 이 상은 양자점 연구에 대한 최고의 인정을 의미할 뿐만 아니라 디스플레이 조명, 에너지 촉매, 생물 의학, 양자 기술 등의 분야에서 양자점이 지닌 엄청난 잠재력을 강조합니다. 이 특별 보고서는 실리콘 양자점, 특히 용매 분산 시스템에 초점을 맞춰 합성 방법, 구조적 특성, 광학적 특성 분야의 연구 진행 상황과 용액 공정 발광 다이오드(주도의)에서의 양자점 응용 분야를 체계적으로 소개합니다.
양자점은 수 나노미터 크기의 반도체 나노결정입니다. 콜로이드 양자점은 몇 가지 고유한 장점을 가지고 있습니다. 비진공 공정을 통해 크기 조절이 가능한 풀컬러 발광을 구현할 수 있으며, 광발광 양자 수율이 100%에 근접할 수 있습니다. 또한 20~40nm의 좁은 발광 대역폭을 가지며, 유기 발광 다이오드(OLED)의 3~4배에 달하는 색 영역을 가지고 있습니다. 또한 저온 용액 공정을 사용하여 실온에서 제조할 수 있습니다. 이러한 특성 덕분에 좁은 밴드갭 공학적 제어가 가능한 코어-쉘 구조가 구현되었고, 양자점 TV와 같은 상용 제품이 성공적으로 개발되었습니다. 앞으로 양자점은 소형 주도의, 마이크론 크기 주도의, 양자점 주도의 기술 개발에 중추적인 역할을 할 것으로 예상되며, 신축성 웨어러블 디바이스와 같은 인간 중심 광전자 분야의 차세대 기술 개발을 주도할 것입니다. 이러한 기술 혁신에 힘입어 글로벌 양자점 시장은 연평균 성장률 9.47%로 계속 확대될 것으로 전망됩니다.
그러나 양자점 기술의 광범위한 적용은 여전히 세 가지 주요 과제에 직면해 있습니다. 첫째, 원자재 확보가 어렵고 안전 위험을 초래할 수 있습니다. 현재 시판되는 양자점은 대부분 희귀 금속인 인듐과 독성 금속인 카드뮴, 납과 같은 중금속 재료를 기반으로 합니다. 반면, 콜로이드 실리콘 양자점과 그 나노소재는 중금속과 할로겐을 본질적으로 함유하지 않아 지속 가능한 차세대 디스플레이, 고체 조명, 생체 이미징, 심지어 최첨단 양자장 분야에 이상적인 대안을 제공합니다. 둘째, 양자점의 효율 병목 현상을 시급히 극복해야 합니다. 카드뮴 기반 및 페로브스카이트 양자점은 거의 100%의 양자 수율을 달성했지만, 중금속을 사용하지 않는 시스템은 표면 결함과 불완전한 패시베이션으로 인해 오랫동안 뒤처져 왔습니다. 고무적인 것은 최근 연구를 통해 실리콘 양자점의 양자 수율이 70% 이상으로 향상되었다는 것입니다. 셋째, 기존 합성 방법의 단순화가 시급히 요구됩니다. 널리 사용되는 열 주입법은 핵 생성을 위해 전구체를 고온 용매에 빠르게 주입해야 하므로, 온도 제어, 불활성 분위기, 그리고 특수 장비에 대한 엄격한 요구 조건을 요구하여 대량 생산 시 높은 비용이 발생합니다. 더 중요한 것은, 현재 열 주입법을 사용하여 높은 결정성과 우수한 광학적 특성을 모두 갖춘 실리콘 양자점을 합성할 수 있는 적절한 전구체나 용매가 없다는 것입니다.
지난 20년 동안 연구팀은 실리콘 양자점 연구에서 체계적으로 여러 이정표를 달성했습니다. 3색 발광과 연속 백색광 발광 달성, 최초의 하늘색 발광 실리콘 양자점 다이오드 개발, 생산 비용을 수백에서 수천 배까지 줄이는 저비용 합성 경로 개발, 쌀겨를 이용한 지속 가능한 실리콘 양자점 다이오드 제조, 약 80%의 양자 수율과 잘 정의된 결정성을 갖춘 실리콘 양자점 획득, 내구성 있는 적색, 녹색, 청색 3색 박막 제작, 외부 양자 효율이 10%를 넘는 발광 다이오드 소자 달성, 4가지 성능 기록 수립 등이 있습니다.
일본 히로시마 대학교의 사이토 켄이치 외 연구진은 특별 보고서에서 최대 80%의 양자 수율을 갖는 고결정성 실리콘 양자점의 합성 방법, 구조적 특성 및 광물리적 특성을 요약했습니다. 실리콘 양자점의 장점을 설명한 후, 콜로이드성 실리콘 양자점 합성 경로, 특히 수소 실세스퀴옥산 고분자법에 초점을 맞춥니다. 이 방법은 고온 주입 단계가 필요 없고 온화한 실온에서 수행될 수 있어 신속한 전구체 주입 및 엄격한 작업 절차가 필요하지 않습니다. 이는 실험 공정을 크게 단순화하고 대량 생산을 용이하게 합니다. 이 합성 경로를 기반으로 제조된 수소 실세스퀴옥산 유래 물질은 실리콘 양자점 발광 다이오드의 네 가지 핵심 성능 지표에서 기록적인 성과를 더욱 입증합니다.