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과학뉴스

양자점’ 이용한 꿈의 디스플레이
ㆍ작성자: 투모로	ㆍ작성일: 2010-12-12 20:06	ㆍ조회: 2240
ㆍ분류: 물리학	ㆍ추천: 0	http://paulus.woobi.co.kr
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요즘 우리 삶 속엔 어느 것 하나 빼놓을 수 없을 만큼 중요한 기술들이 다양한 곳에 적용돼 있다. 그 중에서도 무엇보다 우리에게 ‘눈에 띄는’ 편리함을 제공하는 것은 무엇일까. 바로 지금 이 시간에도 집중해 바라보고 있는 ‘디스플레이’다.

어떤 전자제품이라도 디스플레이가 빠지는 곳이 없을 만큼 디스플레이 기술은 날로 발전해 왔다. TV, 컴퓨터, 휴대폰은 물론 카메라, 시계, 전기밥솥, 냉장고, 심지어는 작은 장난감에도 디스플레이는 적용돼 있다.

기술이 발전하면서 하루가 멀다 하고 신기술, 신소재들이 계속해서 연구‧발견되고 있는 요즘 시대에 디스플레이 분야도 예외는 아니다. 최근 차세대 디스플레이 기술로 주목받는 것은 바로 ‘양자점(Quantum Dot)’이다.

불연속적 에너지 값을 갖는 양자효과 이용

▲ 양자점 디스플레이는 여러 분야에 이용 가능하다. ⓒSandiaLabs 사실 양자점은 디스플레이 분야에만 적용되는 기술이 아니다. 초미세 반도체에, 의학, 태양전지, 레이저 등 다양한 분야에서 이용이 가능한 신기술이다. 얼마 전까지만 해도 대학교 물리학 전공 과정에서나 등장했던 ‘양자’라는 단어가 이제 실생활에 이용될 수준까지 발전해 온 것이다.

양자점의 개념은 일반인들이 이해하기엔 다소 어려운 점이 있다. 우리가 주변에서 쉽게 접하는 일반적인 물질들과는 다른 특성을 띄고 있기 때문이다.

매우 작은 미시세계에서는 에너지 값이 불연속적인 모습을 띄는 양자효과가 나타난다. 일상생활에서는 에너지 분포가 연속적으로 나타나는데 비해 매우 특이한 모습이다. 예를 들어 어떤 사람이 엘리베이터를 타고 건물을 올라갈 때, 그 사람이 가지는 중력으로 인한 위치에너지는 연속적으로 증가하게 된다.

하지만 만약 이곳이 양자효과가 나타나는 세계라면 1층, 2층, 3층에만 존재가 가능하다. 1층과 2층 사이에 존재할 수는 없는 것이다. 이로써 이 사람이 가지는 에너지는 불연속적인 분포를 보이게 된다.

양자점은 이런 미세입자에서 나타나는 특이한 현상들을 이용한 것이다. 반도체가 이런 양자효과가 나타나는 정도까지 작아지게 되면 전자띠와 홀띠를 전자가 매우 자유롭게 돌아다니게 되는 현상이 나타난다. 이 때 나노기술을 통해 전자의 움직임을 제한하게 되는데 한 방향으로 제한한 구조를 ‘양자 우물’, 두 방향으로 제한한 구조를 ‘양자선’ 그리고 모든 방향의 움직임을 모두 제한한 것이 바로 여기서 말하는 ‘양자점’이라 한다. 양자점의 경우 전자와 홀은 모든 방향에 양자효과를 나타내 모든 방향으로 불연속적인 에너지 값을 가지게 된다.

이 상태에서 양자점은 마치 수소원자와 같은 모습을 띄게 된다. 수소원자에서 한 개의 전자가 에너지를 받아 들뜬 후, 다시 바닥상태로 떨어지면서 그 차이에 해당하는 에너지를 방출하게 된다. 양자점에서도 이와 같은 효과가 나타나게 되며 이를 디스플레이에 이용할 수 있는 것이다.

전자띠에서 홀띠로 들뜬 상태의 전자가 다시 전자띠로 내려오면서 에너지를 내놓게 되고 이 에너지의 파장이 빛의 형태로 나타나게 되는 것이다. 이렇게 양자점을 통해 얻은 빛은 다른 광원들에 비해 매우 유용한 점이 많아 양자점 디스플레이가 주목받고 있는 것이다.

양자점 디스플레이가 주목받는 이유

기존의 디스플레이를 살펴보면 양자점 디스플레이의 장점이 더욱 부각된다. 우선 LCD의 경우는 액정 자체로 빛을 내지 못한다는 것이 가장 큰 문제다. 그렇다보니 뒤쪽에 BLU(Back Light Unit)을 설치하게 되는데 이로 인한 발열이나 에너지 소비 등의 문제점이 있다. 그 외에도 좁은 시야각이나 느린 응답속도도 문제점으로 지적된다.

LCD 뒤를 이은 LED도 완벽하지만은 않다. LED디스플레이는 사실 LCD장치의 BLU광원을 LED소자로 바꾼 것인데, 반도체를 사용하기 때문에 이로부터 나오는 빛은 단색광에 가깝다. 이에 눈의 피로가 오기도 쉬우며 무엇보다 백색광을 만드는데 어려움이 따른다. 이에 형광물질을 사용하기도 하는데 이런 과정에서 색감이 다소 떨어질 수밖에 없는 것이다.

하지만 양자점 디스플레이는 이런 단점들을 보완할 수 있다. 양자점은 CdSe, CdTe, CdS 등의 반도체 입자를 중심입자로 사용하는데 이것들은 그 크기에 따라 전자띠와 홀띠 사이의 간격인 띠 간격(band gap)을 조절 할 수 있다. 따라서 전자가 이동하며 방출하는 에너지의 파장을 자유롭게 변화시킬 수 있다는 의미다. 이 입자의 크기가 작으면 짧은 파장의 빛을 방출해 푸른색 쪽, 입자의 크기가 크면 파장이 긴 붉은 색 쪽의 빛이 나오게 된다.

이것은 양자점의 크기에 따라서 모든 색을 표현할 수 있음을 의미한다. 즉, 스스로 총천연색을 내기 때문에 일반적인 반도체를 사용한 경우보다 더 선명하고 실제적인 색감을 표현할 수 있는 것이다.

또한 양자점의 미세함을 이용해 매우 다양한 응용이 가능하기도 하다. 종잇장처럼 얇은 디스플레이는 물론이며 커튼처럼 유연성 있는 소재에도 원하는 정보가 표시되도록 하는 기술도 가능하다.

▲ 양자점을 이용하면 스스로 총천연색을 낼 수 있어 색감이 뛰어나다. ⓒNASA 디스플레이 강국인 우리나라의 성과

하지만 아직 해결해야 할 문제점들도 남아있다. 양자점을 제작하는 데 드는 비용적 문제나 발열문제 등이 그것이다. 이에 양자점은 각종 기업과 대학, 연구소 등에서 활발하게 연구, 개발되고 있다.

특히 우리나라는 디스플레이 분야 강대국으로써 많은 연구‧개발을 통해 그 명성을 떨치고 있다. 실제로 작년엔 삼성전자에서 양자점 디스플레이 소자를 이용해 세계 최초로 4인치 QVGA급 해상도의 디스플레이를 개발한 바 있다.

또한 LG이노텍은 내년 중에 세계 최초로 양자점을 이용한 BLU를 상용화 할 계획을 가지고 있다. LG이노텍은 이미 지난 5월, 나노기술 전문업체인 미국 ‘나노시스’사와 양자점 상용화를 위한 사업협력 계약을 체결하고 양자점 BLU 양산에 착수한다고 밝힌 바 있다.

이는 양자점 소자를 직접 이용한 디스플레이는 아니지만 기존의 일반 LED BLU에서 백색광을 구현하기 힘든 단점을 극복하게 한다. 기존 LED가 색감도가 떨어지는 백색광을 사용했던 것과 다르게 이는 LED에서 청색광을 나오게 하고 이것이 양자점으로 채워진 관을 통과하면서 백색을 구현한다. 이는 기존의 색재현율(70%)에 비해 더욱 고감도의 색재현율(110%)을 보인다.

또한 지난 10월엔 서울대에서 양자점의 박막을 프린팅 기술을 이용해 넓은 면적에 균일하게 분포시키며 한 층씩 정밀히 쌓아 올리는 기술을 개발했다. 이는 양자점 디스플레이가 상용화 되기 위한 핵심 기술로 꿈의 디스플레이를 향해 한 발짝 더 전진하게 된 계기라 볼 수 있다.

가까운 시일 내에 BLU광원을 양자점 소자로 하는 디스플레이를 볼 수 있을 것이다. 그리고 더 나아간 미래엔 양자점 소자 자체로 제작된 더욱 놀랍고 획기적인 디스플레이가 국내에서 개발될 것으로 기대된다.