■ 기술의 개요

◇ 기술의 정의

양자점은 수 나노미터 크기의 단일 또는 화합물 반도체 입자로서 입자 크기에 따른 양자 구속효과가 발생해, 벌크 반도체와 다른 특이한 전기적·광학적 물성을 나타내는 소재이다. 특히 내부 전자가 3차원적인 구속을 받기 때문에 연속적인 전자 준위로 이루어진 밴드를 가지는 벌크 반도체와 불연속적인 전자 준위를 가지는 분자의 중간적인 전자 특성을 가진다. 따라서 입자 크기나 형상 등을 제어해 전기적·광학적 물성들을 연속적으로 조절할 수 있다.

대표적인 양자점 소재에는 CdSe·ZnSe 등 II-VI족, InAs·InP 등 III-V족, Ge·Si 등 IV족 원소의 나노입자 등이 있다. 이외에도 CuInS₂, AgGaS₂ 등 3원계 및 Cu₂ZnSnS₄ 등 4원계 화합물이 개발되고 있다. 양자점에 응용되는 반도체 소재는 용액 합성, 기상반응 등 화학적 공정방법 혹은 에피 성장된 반도체 다중층에서의 입자 석출 및 자기 배열 과정을 이용하는 물리적 공정방식으로 제조된다.

▲ 양자점 크기에 따른 밴드 구조의 변화.

반도체 소자 내에 형성된 양자점은 불연속적인 에너지 준위 및 전자상태 분포를 가진다. 이 때문에 기존 반도체 소자에 비해 문턱전압이 낮으며, 낮은 전류로 동작이 가능하므로 광전자 소자 분야에 많이 응용되고 있다. 또한 콜로이드 입자 형태의 양자점은 표면개질 및 구조 형성을 통해 생체내 이미징, 암진단, 종양 요법 등 생물/의학 분야에 주로 응용됐다. 또한 용액 공정이 가능하고, 벌크 무기 반도체나 유기 반도체에 비해 우수한 전기적· 광학적 특성을 보유하고 있다. 이러한 특성을 태양전지나 LED·디스플레이 분야에 적용하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

◇ 기술의 분류

양자점 기술은 소재 자체만으로 완성되는 것이 아니라 공정 및 응용기술이 결합돼 기능성을 발휘한다. 양자점 소재기술은 소재·공정·응용의 관점에서 다음의 표와 같이 분류된다.

▲ 양자점 나노소재 기술 분류.

■ 환경변화

◇ 용액기반 저가격 소자 공정기술 개발 필요

MBE(분자선 박막증착)나 MOCVD(유기금속화학증착) 등의 증착법을 이용해 석출 및 자기조직화를 통해 형성되는 Stranski-Krastanow(SK) 양자점은 반도체 레이저, 광증폭기 등 광전자 부품에 응용돼 현재 양자점 시장의 상당부분을 차지하고 있다. 그러나 고가의 장비와 원료물질 등으로 인해 제조 단가가 높아서 최근의 추세인 대면적화, 유연기판 적용, 저가격 공정기술 등의 요구 충족에 한계가 있다.

반면 콜로이드 양자점은 용액 공정이 가능해 이러한 요구의 충족 가능성이 높아 여러 분야에서 기술혁신을 가능하게 해 줄 것으로 기대된다. 하지만 고특성 소자 제작의 경우 아직 해결해야 할 난제들이 산적해 있다. 따라서 콜로이드 양자점은 상대적으로 소자화의 필요성이 적은 바이오 분야에 주로 응용되고 있다.

향후 콜로이드 양자점이 에너지발전·디스플레이·센싱 등의 분야에 응용되기 위해서는 소재 합성기술과 더불어 고특성 소자화 기술 개발이 필요하다. 최근에는 입자 합성과 더불어 입자 표면제어 및 막 형성 등 소자화를 위한 요소 기술 개발이 병행돼 좋은 성과를 거두고 있다.

◇ 환경규제 및 독성 발생에 따른 비 카드뮴(Cd)계 양자점 개발 필요성 증대

지금까지 양자점 소재로서 카드뮴, 납 등의 중금속을 포함하는 화합물 반도체 소재가 많이 연구돼 왔다. 그러나 이러한 소재는 생체 내에 축적되기 쉽고 독성이 있어 최근에는 이러한 중금속을 사용하지 않는 다원계 양자점과 게르마늄(Ge)·규소(Si) 등 VI족 양자점에 대한 연구가 활발하다. 특히 최근 RoHS(유해물질제한지침) 등 환경유해물질 사용에 대한 규제가 엄격해지면서 독성을 지니는 중금속을 사용하지 않으면서도 우수한 물성을 지니는 양자점 소재의 개발이 중요한 이슈로 부각됐다.

■ 기술의 중요성

◇ 양자점은 기존 반도체 소자의 고효율화 가능

양자점이 광소자에 응용되는 경우 전자-정공쌍 간의 결합에너지가 높아지고 전하를 공간적으로 모을 수 있기 때문에 극저온이 아닌 상온에서도 높은 효율을 얻을 수 있다. 일례로 초기의 반도체 레이저는 상온에서 거의 동작하지 않거나 매우 높은 문턱전류 값을 가져 실용화되지 못했으나, 양자우물 등 저차원 나노구조를 도입해 문턱전류 값을 낮춤으로써 실용화가 가능해졌다.

▲ 양자우물 구조를 포함하는 반도체 레이저.

또한 청색 LED의 경우에도 양자우물 구조를 도입해 상온에서 높은 효율로 청색 발광이 가능해져 조명 분야에 혁신을 가져왔다. 1차원적으로 전하 분포를 제한하는 양자우물 구조에서 3차원 양자점 구조를 도입함으로써 더욱 효율적인 소자 제작이 가능해졌다.

또한 태양전지 등에 양자점을 적용되는 경우 벌크 반도체에서는 매우 드문 다중 여기자 생성(multiexciton generation)이나, 중간대(intermediate band) 형성 등의 현상이 발생해 기존 태양전지의 이론적 한계를 뛰어 넘는 고효율 태양전지 실현이 가능하다.

◇ 기존 반도체 공정에 비해 저비용 공정으로 유연소자 제조 가능

콜로이드 양자점은 용매 내에 균일한 분산이 용이해 기존의 반도체 증착 및 식각공정에 비해 저렴한 용액공정으로 소자 제작을 가능하게 한다. 따라서 평탄도가 아주 우수하고 딱딱한 단결정 기판이 아닌 유연성 있는 플라스틱 혹은 금속기판 위에 적용 가능하고 대면적화가 상대적으로 용이하다.

■ 기술분야별 동향

◇ 양자점 합성 기술

○ 물리적 합성 기술

반도체 박막에서 양자 나노구조는 1970년대에 도입됐다. 특히 밴드갭이 좁은 반도체를 밴드갭이 큰 반도체 사이에 끼워 넣은 양자우물(quantum well) 구조가 대표적이다. 이후 격자불일치(lattice mismatch)가 7% 이상으로 큰 반도체를 분자선 증착(molecular beam epitaxy) 등의 방법으로 다층 성장시키는 경우, 원자층 수가 늘어남에 따라 계면에서의 격자 불일치에 의한 응력 발생을 억제하기 위해 입자가 뭉쳐서 성장하게 되는 Stranski-Krastanow 모드로 양자점이 성장하는 현상이 발견됐다.

또한 응력해소를 위한 입자 성장 과정에서 입자들이 거의 규칙적으로 배열하는 현상까지 발생하게 된다. 이러한 방식으로 성장된 양자점은 렌즈형 또는 피라미드형으로 결함이 없고 매우 균일하다. 그러나 양자점의 위치 조절이 어렵고, 입자 크기가 특정 구간 내로 제한되는 단점이 있다. 현재 이러한 방식으로 얻어진 양자점은 반도체 레이저나 광검출기 등에 응용돼 일부 상용화되고 있다. 또한 중간밴드(intermediate band)를 사용하는 고효율 태양전지 분야에도 적용돼 좋은 성과를 내고 있다.

▲ Stranski-Krastanow 모드로 형성된 InAs/GaAs 양자점의 표면, 소자구조 및 단면.

○ 화학적 합성 기술

수 nm 크기의 반도체 나노입자는 1990년부터 합성돼 왔으나, 입자 크기 분포가 불균일하고 표면특성이 좋지 않아 양자효율이 낮았다. 1990년대 MIT에서 용액 합성 방법으로 균일한 크기를 가지는 양자점을 합성하는 방법이 개발되면서 콜로이드 양자점 연구가 촉발돼 현재 연구가 활발하다. 초기에는 반응성이 좋지만 화재 위험이 있는 유기금속 화합물과 산소족 화합물을 혼합해 고온의 계면활성제(예, trioctylphosphine oxide 등) 용액에 직접 주입해 핵생성을 이루고, 추가 재가열을 통해 좁은 크기 분포를 가지며 10nm 이내의 지름을 가지는 콜로이드 양자점을 합성하는 공정이 개발됐다.

이후 2000년대 초반에는 반응성이 상대적으로 적지만 안정성이 좋은 금속 지방산염이나 알킬아민 용액에 산소족 화합물을 고온에서 주입해 이와 동일한 품질의 콜로이드 양자점을 얻는 공정이 개발됐다.

▲ 기본적인 양자점 합성 공정-CdSe 나노입자.

합성된 콜로이드 양자점은 표면에 지방산, 알킬아민, trioctylphosphine oxide 등의 유기 리간드를 포함하고 있으며, 합성과정에서 이들 유기 리간드가 입자의 급격한 성장을 막는 역할을 한다. 콜로이드 양자점은 합성 직후에도 전하 재결합에 의한 발광을 나타내지만 양자효율을 높이기 위해 외부에 밴드갭이 더 크면서 동일한 결정구조를 가지는 반도체 층을 형성시켜 핵-껍질(core-shell) 구조를 얻는 것이 일반적이다.

대표적인 예로서 CdSe(핵)-ZnS(껍질) 핵-껍질 구조를 살펴보면 양자점 형성을 위해 합성된 CdSe 입자를 증발점이 높은 용매에 재분산해 가열한 후 이에틸화 아연(diethyl zinc)를 주입하고 일정 시간동안 반응시킨 후 황 전구체를 주입해 반응시키는 공정을 반복해 ZnS 껍질의 두께를 증진시키는 SILAR(반복적 이온층 흡착 및 반응)법이 사용된다.

그러나 이 공정은 껍질 형성 과정에 발화성이 큰 유기금속화합물을 사용하고, 정밀한 공정 제어가 필요하며, 껍질층의 형성속도가 느리다는 문제가 있어 최근에는 Zn과 S을 동시에 포함하는 분자 전구체가 도입되고 있다.

▲ 핵-껍질 구조를 가지는 양자점 형성.

美·EU·日, 양자점 나노소재 선점위한 치열한 기술개발 경쟁

韓, D/P 강국·차세대 PV 선점·IT 강국 위해 투자 집중해야

◇ 양자점 디스플레이 및 LED 기술

가시광선 영역에서 발광효율이 100%에 근접하는 양자점은 기존의 형광체, 유기물 등에 비해 발광선폭이 매우 좁아서 색재현성이 우수한 디스플레이나 고연색성 LED에 적용 가능하다. 1994년 UC Berkeley의 Alivisatos 교수 연구팀에 의해 파라페닐렌비닐렌과 CdSe 양자점의 블렌딩을 통해서 최초로 양자점 LED가 만들어진 이후 여러 연구팀에서 양자점을 이용한 LED 소자 및 디스플레이를 개발하고 있다.

현재 디스플레이 시장에서는 LCD와 OLED가 대세를 이루고 있는데 LCD는 스스로 빛을 발하지 않아 백라이트가 필요하지만 대형화가 가능하고 OLED는 스스로 빛을 발하지만 아직은 대형화가 어려우며 단가도 비싼 편이다. 그러나 양자점 디스플레이는 OLED와 같이 스스로 발광하는 디스플레이지만 색을 구현하는 픽셀(pixel)들을 더욱 작게 만들 수 있고 양자점의 발광 선폭이 매우 좁기 때문에 색재현성이 우수하다. 또한 용액 공정으로 생산하기 때문에 대형화도 가능하고 유연성 있는 기판 위에 제조될 수 있어 기존 LCD를 뛰어넘는 차세대 디스플레이로 떠오르고 있다.

2003년에는 MIT의 Bawendi 그룹에서는 발광유기 분자인 TPD를 양자점과 혼합해 코팅함으로써 상분리를 통해 단일층의 양자점 박막을 얻을 수 있었다. 한편 2008년에는 MIT에서 spin-off된 QD-Vision사에서 효율적인 프린팅 방식으로 양자점 디스플레이를 구현했다. 이러한 방식으로 제조된 양자점 디스플레이는 넓은 범위의 색표현이 가능하다. 또한 2009년 3월에는 적색 발광 LED에서 외부양자효율을 7% 이상으로 높였으며, 황색 LED에서의 발광 효율은 14 lumen/Watt로서 백열등의 발광효율에 가까운 값을 얻었다.

국내에서도 관련 연구가 활발히 진행돼 삼성종합기술원에서는 최근 CdSe/CdS/ZnS의 다중 core shell 구조의 양자점을 이용해 4인치급 양자점 디스플레이를 제작했다. 발광 효율은 4.25 lumen/watt로서 LCD급 이상의 고효율을 나타냈다. 양자점 디스플레이는 아직 많은 개선이 필요하지만 가까운 미래에 실용화될 것으로 예상된다.

▲ 양자점 디스플레이.

◇ 양자점 태양전지 기술

일반적으로 단일접합 태양전지에서 Shockley-Queisser(SQ) limit로 일컬어지는 이론적인 최대 변환효율은 33.7%이며, 1.0~1.6eV의 band gap을 갖는 물질의 경우 최대 30% 이상의 변환효율을 나타낼 수 있다. 양자점 태양전지는 기존 태양전지의 이론적 한계를 극복하고 광전변환효율을 증가시킬 수 있는 전지로 주목받고 있다.

양자점을 광전 변환층으로 사용하는 경우 가능한 다중여기자 발생(multiple exciton generation, MEG)을 사용한다. 즉 양자점의 밴드갭보다 2배 이상의 큰 광에너지를 주면 여러 개의 여기자를 형성할 수 있다. 이 현상은 입자 차원에서는 거의 대부분의 반도체 나노입자에서 관찰된바 있으나 최근 미국의 NREL(National Renewable Energy Lab.)에서 이를 실제로 구현하는 태양전지를 발표했다. 그러나 아직 자외선 대역의 고에너지를 가하는 경우 이러한 현상이 관찰되므로 다중여기자 발생과정에서 이론적으로 예상되는 44%의 고효율 달성을 위해서는 적합한 나노 입자를 선택하고 합성하는 공정에 대한 연구가 필요하다.

▲ 양자점 태양전지의 구조도 및 전기적 특성.

◇ 양자점 기반 광전자소자 기술

레이저 다이오드 등 광전자 소자에 적용되는 양자점은 대부분 MBE나 MOVPE 등의 방법으로 격자 불일치가 큰 III-V족 화합물 반도체 기판 위에 형성된다. 특히 1990년대 중반 양자점 형성기술이 성숙되면서 InGaAs/GaAs, InGaAs/InP 등과 같은 화합물반도체의 재료를 이용하는 양자점 개발이 주를 이루고 있다.

제조되는 양자점의 전자상태밀도는 원자와 유사한 델타함수 모양을 나타낸다. 이러한 특성으로 인해 양자효율이 증가하고, 양자점에 주입되는 전하는 온도의 영향을 작게 받게 돼 온도 특성이 우수하고 반도체 레이저의 경우 발진 전류의 문턱 값을 줄여준다. 현재 발표된 양자점 레이저 다이오드의 문턱전류는 16A/cm² 정도로 양자우물을 이용한 레이저 다이오드(~60A/cm²)에 비해 현저히 낮다. 또한 양자점 레이저 다이오드는 매우 고속 동작이 가능해 현재 25Gbs급의 광통신용 레이저가 개발돼 있다.

또한 양자점 소자는 적외선 수광소자로도 사용되고 있다. 현재 적외선 수광소자는 HgCdTe 반도체를 사용해 주로 제작되고 있으나, 깨어지기 쉽고 균일한 소자 array 제작에 난점이 있고 가격 또한 높다. 양자점을 이용한 적외선 수광소자는 균일한 2-D array 제작이 가능하며 고속 동작하는 HEMT(High Electron Mobility Transistor)와 결합할 수 있어 최근 많은 연구가 수행되고 있다. 또한 상온 동작이 가능하고 편광의존성이 적으며 암전류 크기가 작고 매우 큰 광전도 이득을 나타낸다. 이외에도 양자점 광전자 소자는 광증폭기, 단광자 발생기, 양자 연산 장치 등에 응용돼 연구개발이 활발히 진행 중이다.

▲ 25Gbs급 광통신용 양자점 레이저.

■ 기술개발 주요이슈

◇ 밴드갭 엔지니어링에 의한 광학적, 전기적 물성 제어

전술한 바와 같이 양자점의 특성향상을 위해서 단일 양자점을 사용하기 보다는 양자점 표면에 껍질층을 덮어 핵-껍질 구조의 양자점을 만든다. 이때 사용하는 반도체 소재의 밴드갭과 전자구조를 잘 선택함으로써 양자점의 광특성 및 전기적 물성을 제어할 수 있다. 예를 들어 핵의 밴드갭이 껍질보다 작은 경우에 전도대와 가전자대의 상대적인 위치에 따라 입자의 물성이 급격히 변한다. 또한 껍질층의 상대적인 두께를 변화시키는 경우에도 양자점의 광특성이 변한다.

▲ 밴드갭 엔지니어링에 의한 물성 제어 및 밴드 구조.

◇ 표면 개질 및 전기적 특성 향상

양자점의 표면 리간드는 양자점의 크기제어 및 분산을 위해 필요하다. 하지만 합성 직후에는 대부분 부도체로 이루어져 있어 소자 응용을 위해서는 이러한 표면 리간드를 제거하거나 전도성이 좋은 물질로 대체해야 한다. 합성 직후 나노입자는 긴 지방산 리간드(1.1 nm)를 표면에 붙이고 있다. 이러한 표면 리간드는 부도체로 작용하므로 전도성 있는 나노입자 박막을 제조하기 위해 현재 적용되는 방법은 다음과 같다.

○ 리간드-나노입자 결합을 해리할 수 있으면서도 나노입자의 녹는점 이하에서 열처리한다.
○ 박막 증착 이전에 표면 리간드를 짧은 길이를 가지는 것으로 치환한다.
○ 형성된 나노입자 박막에서 리간드를 제거한다. 혹은 리간드간 혼합을 유도하거나 짧은 길이의 분자로 대체할 수 있는 물질의 희석 용액에 담근다.

◇ 양자점 응용에 적합한 소자구조 개발

양자점을 디스플레이 소자나 태양전지 등에 응용하는 경우 물성 및 화학적 특성 측면에서 기존에 많이 사용하던 유기물질 등과 많은 차이점이 있기 때문에 이에 적합한 소자 구조가 필요하다. 예를들어 양자점 태양전지의 경우 기존의 유기태양전지에서 주로 사용되던 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 구조뿐만 아니라, 공핍 이종접합(depleted heterojunction), 양자접합형 구조(quantum junction) 등의 다양한 구조가 시도되고 있다.

◇ 독성이 있는 중금속 사용을 대체하는 새로운 양자점 소재 개발

대표적인 양자점 소재인 CdSe, PbSe 등은 환경규제 대상인 독성 중금속(Cd, Pb)을 포함하고 있어 향후 양자점의 응용이 제한될 수 있을 것으로 예상된다. 따라서 독성 중금속을 사용하지 않으면서도 우수한 물성을 나타내는 I-III-VI족 양자점이나, 4원계 양자점에 대한 기초적 개발연구가 진행되고 있다.

■ 해외 동향-북미

◇ 연구개발 현황

양자점 관련 연구개발 프로그램은 주로 대형 프로그램의 일부분으로 진행되고 있다. 양자점 연구의 대부분은 대학, 연구소 위주로 이루어지고 있다. 기업체의 경우에도 이들 연구기관에서 스핀오프(spin-off)된 벤처기업들의 수가 많다. 미국의 국립연구소인 NREL(National Renewable Energy Lab.)는 최근 콜로라도 대학과 함께 양자점 태양전지 분야에서 난제로 여겨졌던 다중여기자 생성 현상을 소자 상에서 구현해 100% 이상의 외부양자효율을 가지는 양자점 태양전지를 발표했다.

또한 미국의 Univ. of Michigan의 Battacharya 연구팀은 상온동작 양자점 반도체 레이저 및 수광소자 분야에서 선도적인 역할을 하고 있다.

한편 캐나다의 Univ. of Toronto의 연구팀은 최대 7.4%의 효율을 나타내는 양자점 태양전지를 발표했으며, 다양한 소자구조를 제시하고 이 분야의 연구개발을 주도하고 있다.

양자점 LED의 경우 미국 에너지부의 ‘Solid state lighting’ 프로그램의 일부로 Eastman Kodak사가 참여해 양자점 형광체의 개발이 진행되고 있다. 또한 미국 국방부의 DARPA 프로그램에는 QD-Vision사가 양자점 기반 적외선 소자 개발로 참여하고 있으며 ORNL(Oak Ridge National Lab.)은 세균을 이용한 양자점 대량생산기술 개발에 참여하고 있다.

▲ 양자점 나노소재 - 북미의 선도 기관.

세계 시장규모 2010년 6,700만불서 2015년에는 6억7천만불로 10배 ↑ 전망

韓, D/P 집중 벗어나 다방면 양자점 소재개발에 전력 必…벤처 규모 벗어나야

■ 해외 동향-유럽

◇ 연구개발 현황

유럽의 양자점 연구는 7차 Framework 프로그램에서 양자점 반도체 레이저 등 바이오 응용을 위한 포토닉스 소자 개발을 위주로 하는 FAST-DOT 프로젝트로 진행되고 있다. 또한 DOTSENSE 프로젝트는 화학센서용으로 양자점 광소자 개발을 목표로 한다. 이 프로젝트를 통해 최근 III-V족 질화물 양자점과 나노선의 광전 효과를 이용해 수소, 탄화수소 등을 검지하는데 민감도가 극도로 우수한 화학센서를 개발했다. 또한 N4E(Nanophotonics for Energy Efficiency) 프로그램에는 독일의 드레스덴 공대, Bilkent 대학 등이 참여하고 있다. 고효율 고체조명을 위한 친환경 양자점 형광체 개발, InP/ZnS 등 Cd-free 양자점을 광변환소재로 개발하고 광추출을 위한 금속 산화물 입자 coating, 거대 양자점 등을 주로 연구하고 있다.

▲ 양자점 나노소재 - 유럽의 선도 기관.

■ 해외 동향-일본

◇ 연구개발 현황

일본은 콜로이드 양자점 합성 및 응용분야보다는 MBE나 MOVPE를 이용한 양자점 제작 및 광소자 응용 연구에서 좋은 성과를 얻고 있다. 일본 동경대의 Arakawa 교수 그룹은 광통신용 양자점 레이저 다이오드 및 다층 태양전지 분야에서 주도적인 역할을 하고 있다. 최근에는 후지쯔사와 공동으로 상온에서 25Gps의 고속 동작이 가능한 양자점 레이저 다이오드를 발표한 바 있다. 한편 오사카대는 CuInS₂ 등 비Cd계 양자점 합성 및 응용기술 개발 연구를 진행하고 있다. AIST는 생체 imaging 응용을 위한 양자점-실리카 복합입자 개발 연구에서 좋은 성과를 발표하고 있다.

▲ 양자점 나노소재 - 일본의 선도 기관.

■ 국내 동향

◇ 연구개발 현황

국내에서 양자점 연구는 2000년대에 대학에서 기초연구 중심으로 시작돼 현재는 대학·연구소·산업체 등에서 양자점 나노소재 및 응용기술 관련 연구를 수행하고 있다. MBE 등을 이용한 S-K 양자점 연구는 KIST, ETRI, 광주기술원 등에서 진행되고 있다. 또한 양자점 레이저 등 발광소자와 수광소자 개발 및 단광자 발생기 등의 연구가 진행되고 있다.

양자점 LED, 디스플레이 등 발광 소재 분야에서는 삼성전자, LG 디스플레이가 천연색 화면표시가 가능한 시제품을 발표한 바 있으며, 서울대 등에서 양자점 LED 기초연구를 수행하고 있다.

양자점을 형광체로 사용해 연색성이 높은 백색 LED를 구현하려는 연구는 홍익대, 재료연(KIMS) 등에서 진행되고 있으며, 양자점 복합입자를 이용해 최근 90% 이상의 연색성을 갖는 백색 LED를 제조한 바 있다.

태양전지 분야에서는 한국화학연구원은 최대 6% 이상의 효율을 가지는 양자점 태양전지 개발을 발표했다. 더불어 한국기계연구원은 미세유로를 이용한 양자점의 대량생산 기술을 발표했으며 관련 기술을 기업체에 이전했다.

종양 마커 등 생물 의학 분야 양자점 응용에 대해서도 KIST, 한국 파스퇴르 연구소 등에서 우수한 연구성과를 발표하고 있다.

▲ 양자점 나노소재 - 국내의 선도 기관.

▲ 양자점 나노소재 - 기술격차 및 기술수준.

■ 산업 및 시장 동향

◇ 산업동향

양자점은 수 나노미터의 크기를 가지므로 다양한 분야에 응용이 가능하다. 현재까지 콜로이드 양자점소재가 적용된 분야는 생물/의학분야(예. 고정밀 조직 표지, 암치료, 종양 감지)가 유일하다.

조명분야의 경우, 양자점을 이용한 조명은 기존 LED 조명에 비해 고효율, 가격절감이 가능해질 것으로 기대된다. 현재 양자점을 기존 백색 LED의 보조 필터로 사용하는 초보적인 제품이 시판되고 있다.

또한 양자점 디스플레이 분야 연구에서도 산업체에서 연구가 활발하다. 양자점 디스플레이는 2012년말경 실용화될 것으로 예상되며, 기존의 CRT나 LCD에 비해 높은 색순도를 가지는 영상표시장치가 가능해질 것으로 기대된다.

태양전지 분야에서도 양자점을 이용한 새로운 구조의 태양전지가 개발됐다. 건물의 외벽이나, 광고판 등에서 태양에너지를 흡수하는데 사용될 수 있는 양자점 페인트도 개발돼 2014년경이면 시장에 출시될 것으로 예상된다. 한편, 양자점의 안정성 및 발광특성을 이용해 유가증권이나 중요 서류의 위조 방지용 마커소재로 양자점이 응용되고 있다.

▲ 양자점 나노소재 - 국내외 산업동향.

◇ 시장규모 및 전망

양자점의 세계 시장규모는 2010년 6,700만달러에서 2015년에는 6억7,000만달러 규모로 10배가량 증가할 것으로 전망된다. 광전자 분야가 전체 양자점 시장 중에서 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 2010년 이후 연평균 128.4% 성장해 2015년에는 3억1,000만달러 규모가 될 것으로 전망된다. 또한 생물/의학분야는 2010년 4,800만달러 규모에서 2015년 1억8,000만달러 규모의 시장이 형성될 것으로 예상된다. 현재 미국이 양자점 시장에 있어 주도적 역할을 하고 있으며 유럽과 아시아가 뒤따르고 있다.

▲ 양자점 - 세계시장전망.

■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 방향

◇ 미래의 연구방향

○ 응용 분야에 적합한 양자점 소재 및 합성 기술 개발

양자점은 단일 입자 상태로는 응용범위가 제한적이기 때문에 대부분의 경우 소자화의 필요성이 매우 크다. 따라서 합성되는 양자점도 소자 응용에 걸맞은 우수한 광학적 전기적 물성을 나타낼 수 있도록 특화돼야 할 것이다.

○ 양자점과 타 소재 간의 이종 복합 소재 개발

양자점만으로도 우수한 특성을 나타낼 수 있지만, 다양한 형태의 유기분자·무기물·금속·고분자 등 이종 소재와의 접합 또는 복합화를 통해 더욱 향상된 물성을 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 이처럼 외부 환경 인자의 영향에 취약한 양자점의 단점을 보완해 줄 수 있는 이종 복합소재 개발이 필요하다.

○ 친환경 무독성 양자점 소재 기술 개발

현재 생물의학 분야에서도 주로 사용되고 있는 양자점은 Cd계가 주류이다. Cd의 독성에 대한 억제방안이 개발되고 있으나, 현실적으로 이러한 독성 문제가 양자점의 응용을 제한하고 있다. 따라서 무독성 입자를 사용하는 기술을 개발함으로써 양자점 응용 소자의 실용화를 앞당기며, 응용 범위를 확대할 수 있을 것으로 기대된다.

◇ 국내 산업이 나아갈 방향

○ 관련 분야 원천기술 확보

타 분야도 마찬가지이지만 고도의 광학적 물성을 나타내는 양자점을 합성하거나 소자화하기 위해서는 관련 원천기술의 확보가 필수적이다. 예를 들어 양자점의 안정화 및 특성 향상을 위한 핵-껍질 구조 관련 특허는 이미 1990년대 후반에 미국에서 등록됐다. 본 기술이 양자점의 응용에 있어 거의 기본적인 기술이 된 현 시점에서 양자점의 응용을 위해서는 상기 특허의 라이센싱이 반드시 필요하다. 더구나 양자점과 유사한 형광체 분야에서의 치열한 특허전쟁은 우리에게 시사하는 바가 크다. 양자점은 상대적으로 새로운 소재이기 때문에 아직 개척해야할 관련 기술이 많고, 원천기술을 확보할 수 있는 여지도 충분하다고 사료된다.

○ 실용화를 목표로 한 과감한 투자 및 지원

양자점은 이제 소규모 기초연구 단계를 넘어 고기능 소자 응용 단계에 진입했다. 일부 분야에서는 벌써 시장이 형성되고, 관련 매출이 발생하고 있다. 전술한 바와 같이 기존의 소재 대비 양자점은 많은 강점을 가지고 있으나 국내에서 관련 기술에 대한 투자는 디스플레이 등 일부 분야를 제외하면 미미하고, 기업의 경우에도 소규모 벤처 기업이 주류라고 볼 수 있다.

OLED용 발광소재 등의 경우에서도 주요 소재는 일본 등 소재분야 강국의 제품이 관련 국내 소재시장을 석권하고 있으며 기술격차가 상당하다. 양자점 분야는 초기 시장분야로 현재 연간 성장률 100%이상으로 급격히 성장할 것으로 예상된다. 따라서 이 분야의 기술 경쟁력을 확보하기 위한 적극적인 투자 및 지원이 뒷받침 돼야 한다.