2023년 노벨 화학상은 양자점의 발견 및 개발에 수여되었습니다. 노벨 위원회는 "양자점은 인류에게 가장 큰 혜택을 가져다주고 있으며, 그 잠재력에 대한 탐구는 이제 막 시작되었을 뿐이다."라고 밝혔습니다. 이 상은 양자점 연구에 대한 최고의 영예일 뿐만 아니라 디스플레이 조명, 에너지 촉매, 생물의학, 양자 기술 등 다양한 분야에서 양자점이 지닌 엄청난 잠재력을 강조합니다. 본 특별 보고서는 실리콘 양자점, 특히 용매 분산 시스템에 초점을 맞춰 합성 방법, 구조적 특성, 광학적 특성에 대한 연구 진행 상황과 용액 공정 발광 다이오드(주도의)에서의 응용 사례를 체계적으로 소개합니다.
양자점은 크기가 수 나노미터에 불과한 반도체 나노결정입니다. 콜로이드 양자점은 여러 가지 고유한 장점을 가지고 있습니다. 진공 공정을 사용하지 않고도 크기 조절이 가능한 풀컬러 발광을 구현할 수 있고, 광발광 양자 효율이 거의 100%에 달하며, 20~40nm의 좁은 발광 대역폭과 유기 발광 다이오드(OLED)보다 3~4배 넓은 색 영역을 제공합니다. 또한 저온 용액법을 이용하여 상온에서 제조할 수 있습니다. 이러한 특성 덕분에 밴드갭을 정밀하게 제어할 수 있는 코어-쉘 구조가 구현되었고, 양자점 TV와 같은 상용 제품이 성공적으로 개발되었습니다. 앞으로 양자점은 초소형 주도의, 마이크론 크기 주도의, 그리고 양자점 주도의 기술 개발에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대되며, 신축성 웨어러블 기기와 같은 인간 중심 광전자공학의 차세대 기술 개발을 주도할 것입니다. 이러한 기술 혁신의 물결에 힘입어 전 세계 양자점 시장은 연평균 9.47%의 성장률을 기록하며 지속적으로 확대될 것으로 예상됩니다.
하지만 양자점 기술의 광범위한 적용에는 여전히 세 가지 주요 과제가 남아 있습니다. 첫째, 원자재 확보가 어렵고 안전상의 위험을 초래할 수 있습니다. 현재 시판되는 양자점은 대부분 희귀 금속인 인듐과 독성 금속인 카드뮴, 납과 같은 중금속을 기반으로 합니다. 반면, 콜로이드 실리콘 양자점과 그 나노물질은 본질적으로 중금속과 할로겐을 함유하지 않아 차세대 디스플레이, 고체 조명, 생체 영상, 심지어 최첨단 양자장 분야에 지속 가능한 대안을 제공합니다. 둘째, 양자점의 효율 병목 현상을 시급히 극복해야 합니다. 카드뮴 기반 및 페로브스카이트 양자점은 거의 100%에 가까운 양자 효율을 달성했지만, 중금속이 없는 시스템은 표면 결함과 불완전한 패시베이션으로 인해 오랫동안 뒤처져 왔습니다. 다행히 최근 연구에서는 실리콘 양자점의 양자 효율을 70% 이상으로 향상시켰습니다. 셋째, 기존 합성 방법의 간소화가 시급합니다. 널리 사용되는 고온 주입법은 핵 생성을 유도하기 위해 전구체를 고온 용매에 빠르게 주입해야 하므로 온도 제어, 불활성 분위기 및 특수 장비에 대한 요구 조건이 매우 까다로워 대규모 생산에 높은 비용이 소요됩니다. 더욱 중요한 것은 현재 고온 주입법을 사용하여 높은 결정성과 우수한 광학적 특성을 모두 갖춘 실리콘 양자점을 합성할 수 있는 적합한 전구체 또는 용매가 없다는 점입니다.
지난 20년간, 연구팀은 실리콘 양자점 연구에서 여러 중요한 성과를 체계적으로 달성해 왔습니다. 삼색 발광 및 연속 백색광 발광 구현, 최초의 하늘색 발광 실리콘 양자점 다이오드 개발, 생산 비용을 수백에서 수천 배 절감하는 저비용 합성법 개발, 쌀겨를 이용한 지속 가능한 실리콘 양자점 다이오드 제조, 약 80%의 양자 효율과 우수한 결정성을 갖는 실리콘 양자점 획득, 내구성이 뛰어난 적색, 녹색, 청색 삼색 박막 제작, 10% 이상의 외부 양자 효율을 갖는 발광 다이오드 소자 구현, 그리고 네 가지 성능 기록 수립 등이 그 예입니다.
일본 히로시마 대학의 사이토 켄이치 연구팀은 특별 보고서에서 양자 효율이 최대 80%에 달하는 고결정성 실리콘 양자점의 합성 방법, 구조적 특성 및 광물리적 특성을 요약하여 발표했습니다. 실리콘 양자점의 장점을 살펴본 후, 콜로이드 실리콘 양자점의 합성 경로, 특히 수소실세스퀴옥산 중합체 방법을 중점적으로 다룹니다. 이 방법은 고온 주입 단계를 생략하고 상온의 온화한 조건에서 진행할 수 있어, 빠른 전구체 주입 및 엄격한 조작 절차에 대한 요구 사항을 없앨 수 있습니다. 이는 실험 과정을 크게 단순화하고 대규모 생산을 용이하게 합니다. 이 합성 경로를 기반으로 제조된 수소실세스퀴옥산 유도체 소재는 4가지 주요 성능 지표에서 실리콘 양자점 발광 다이오드 분야에서 기록적인 성과를 보여줍니다.
