양자점 성능 (구조, 특성)

양자점은 벌크에 비해 표면에 위치한 원자의 분포가 매우 크기 때문에 결정 결함이 많고 또한 에너지상태가 높기 때문에 쉽게 전자를 잃는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위해 다른 물질로 양자점의 표면을 둘러싸는 코어/쉘(Core/Shell) 이종구조 형태를 많이 이용하게 된다.
응용 분야에 따라 기능성을 부여하기 위해 조금씩 다른 구조와 형태의 양자점을 사용한다.
양자점의 구조는 기능에 따라 코어(Core), 쉘(Shell), 리간드(Ligand)로 나눌 수 있다.

코어에 의해 빛의 흡수나 발광, 전자의 주입 및 전달 등 모든 기능이 좌우되며, 양자점의 크기에 따라 발광 파장이 달라지는 것도 코어의 크기에 의한 것이다.
주로 CdSe나 CdS와 같은 II-VI족 원소로 구성되며, 밴드갭이 작은 반도체인 경우 PbSe, PbS 등을 사용하기도 한다.
또한 카드뮴과 같은 중금속 사용을 피하고자 InP, GaP 등의 III-V족 원소를 이용하는 양자점도 개발되었다.

쉘의 기본적인 역할은 양자점 코어의 표면 보호이다. 양자점 코어 결정은 매우 작아서 부피대비 표면적이 벌크 반도체에 비해 매우 넓다.
또한, 결정의 표면에 있는 원자들은 완전한 결합을 이루지 못한 댕글링 본드(Dangling Bond)가 많아서 불안정하며 외부 노출의 결점이 생기기 쉽다.
코어 표면의 결점은 트랩을 형성하여 발광 효율을 떨어뜨리는 등 양자점의 반도체 특성에 치명적인 영향을 준다.
댕글링 본드를 줄이고 결점 생성을 막기 위해 코어를 보호하는 쉘을 형성해야 한다. 쉘은 ZnS와 같이 밴드갭이 큰 II-VI족 원소로 이루어진다.

양자점 표면에 붙어 있는 리간드는 양자점이 콜로이드 상태로 용매에 안정적으로 분산되도록 하는 매우 중요한 요소이다.
리간드는 양자점 표면에 드러난 원자들과 결합하여 표면에 존재하는 댕글링 본드의 전기적, 화학적 패시베이션 역할을 한다.
또한, 원하지 않는 양자점의 결집(Agglomeration)과 성장(Growth)을 방지하며, 용매에 대한 용해도(Solubility) 등을 결정한다.

양자점의 크기가 작아질수록
양자구속 효과는 더 커짐

나노 결정은 코어의 취약성을 줄이고자 반도체 쉘과 표면 리간드에 둘러싸인 반도체
특성의 양자점 코어로 만들어짐. 쉘은 전자 및 전공과 같은 전하 캐리어의 구속 및 표면
상태의 효과적인 제거를 달성하는 데 도움을 주므로 양자 수율과 안정성을 향상시킬 수 있음

양자점 제조방법

양자점을 합성하는 방법은 크게 ‘Top-down’법과 ‘Bottom-up’법으로 나눌 수 있다.
‘Top-down’방법은 벌크 물질을 조각내어 3차원 입자를 더 낮은 차원의 형태로 만드는 것을 뜻한다. 주로 리소그래피 (Lithography)를 통해 이루어졌으며, 나노입자의 크기를 쉽고 정확하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라 원하는 위치에 배열할 수 있다는 장점을 가진다.
한편 불순물의 함유, 구조적 불안정, 10 nm이하 크기의 나노입자 구현에 대한 문제점도 있다.

‘Bottom-up’ 방법은 주로 화학적 분자나 원자 선구 물질을 이용해 용액상에서 양자점을 합성하는 것으로 ‘Top-down’법의 단점을 보완할 수 있다. 대표적인 ‘Bottom-up’방법은 콜로이드 용액 합성법이며, 유기금속화합물을 이용해 결정 핵의 생성(Nucleation) 및 결정성장 (Crystal growth)을 이용하는 비가수분해 합성법(Non-hydrolytic synthesis)이 있다. 비가수분해법은 뜨거운 배위용매 속에서 유기 금속을 열분해시켜 균일한 핵생성을 유도하고, 오스트발트 숙성(Ostwald ripening)과 어닐링 (Annealing) 과정을 통해 평균 입자의 크기가 균일하고 규칙적인 내부구조를 갖는 양자점을 합성한다. 생성된 양자점 혹은 코어 물질 위에 보호층인 이종 반도체 재료(쉘, shell)을 성장시킴으로써 안정한 빛을 발할 수 있는 코어/쉘(core/shell) 구조를 형성할 수 있다.

(Source: Journal of Korea Powder Metallurgy Institute)