나노시스 엔지니어가 리간드를 사용하여 완벽한 퀀텀닷을 만드는 방법

과학

6월 11일

작성자: 조엘 블레어

2025년 6월 11일
7분 전 읽기

양자점에는 미세한 결함이 있을 수 있습니다. 그 해답은 리간드라고 하는 더 작은 분자에 있습니다.

글 아담 코박
일러스트 주앙 마르쿠스 펠릭스

리간드는 퀀텀닷을 합성하는 데 중요한 역할을 할 뿐만 아니라 안정성을 유지하여 10만 시간 동안 지속되는 화면을 구현하는 데도 중요한 역할을 합니다.

첨단 기술을 당연하게 여기기 쉽습니다. 텔레비전 화면을 보고 있으면 그 이미지를 구현하기 위해 얼마나 많은 연구가 이루어졌는지 잊어버릴 수 있습니다. 여기에는 퀀텀닷을 통합한 디스플레이가 포함되며, 이를 생산하고 구현하는 데 상당한 엔지니어링 과제가 있습니다.

나노시스의 QD 포뮬레이션 디렉터인 데이비드 올메이저가 바로 그 주인공입니다. 올메이저는 퀀텀닷의 선명한 색상을 가능하게 하는 공정을 개발하는 데 중요한 역할을 담당하고 있지만, 퀀텀닷을 염두에 두고 과학 경력을 시작한 것은 아닙니다. 오히려 그는 고분자 화학을 공부했습니다. 그의 말처럼 "거의 모든 사람이 고분자를 필요로 하기 때문에 운이 좋은 결정이었습니다. 거의 모든 종류의 기술은 어느 정도 수준에서는 폴리머와 무언가를 통합하게 될 것이기 때문입니다."

여기에는 퀀텀닷이 포함됩니다. 나노시스가 만든 양자점은 필름이나 잉크와 같은 다양한 물질에 통합됩니다. 이는 고분자 화학자에게 딱 맞는 분야입니다.

올메이저는 "제 핵심 전문 분야는 아니지만 결과적으로 제 전문성을 활용할 수 있는 여러 기술에 참여할 수 있었습니다."라고 말합니다.

제가 나노시스에 입사한 것은 약 10년 전으로, 나노 소재와 나노 복합재를 활용하여 다양한 응용 분야에 흥미로운 제품을 만들 수 있는 매우 흥미로운 방식입니다."

올메이저는 퀀텀닷이 소비자 시장에 미칠 수 있는 영향에 대해 크게 생각하고 있지만, 퀀텀닷이 제대로 작동하기 위해서는 나노시스 엔지니어들이 먼저 아주 작게 생각해야 합니다. 퀀텀닷은 가로세로 크기가 수 나노미터에 불과할 정도로 매우 작습니다. 참고로 수소 원자는 약 0.1나노미터, DNA 이중 나선은 약 2나노미터 너비입니다. 이처럼 크기가 매우 작은 물체를 연구할 때 과학자들은 예측할 수 없는 모든 종류의 문제에 부딪힐 수 있습니다. 양자점의 경우 이러한 문제 중 하나는 높은 표면 대 부피 비율입니다.

"퀀텀닷은 반도체이며 매우, 매우, 매우 작기 때문에 표면 대 부피 비율이 매우 높기 때문에 표면의 전자 특성이 전체 재료의 특성에 큰 역할을 하게 됩니다."라고 올메이저는 설명합니다. "표면에 있는 결함은 퀀텀닷 자체의 효율과 성능에 상당히 중요한 역할을 하게 될 것입니다."

이는 양자점의 크기 때문에 양자점의 전자가 내부에서 표면으로 이동할 수 있다는 것을 의미합니다. 표면에 결함이 있는 경우 전자가 표면에 달라붙어 선명하고 밝은 색상을 구현하는 도트의 특성을 망칠 수 있습니다. 이러한 결함을 그대로 방치하면 도트가 작동하지 않거나 훨씬 더 비효율적으로 작동합니다.

"우리는 분자 결함에 대해 이야기하고 있습니다."라고 올메이저는 말합니다. "퀀텀닷의 개별 원자에 적절한 수의 결합이 없는 원자가 하나 있으면 갑자기 전자가 과잉이 되거나 정공이 과잉이 되어 결과적으로 퀀텀닷의 전자 특성이 영향을 받는다는 이야기입니다."라고 설명합니다.

이 특정 입자 크기의 문제에 대한 해답은 리간드라고 불리는 유기 분자에 있습니다. 리간드의 정확한 구성은 양자점 표면에 어떤 원자가 나타나는지에 따라 달라질 수 있습니다. 리간드는 두 가지 중요한 기능을 수행한다는 공통점이 있습니다. 첫 번째는 특정 종류의 리간드를 사용하여 특정 도트의 문제를 해결할 수 있다는 것입니다. 이는 결함이 있는 개별 점을 일일이 찾아가서 고치는 것이 아니라(점의 크기를 고려할 때 이는 악몽이 될 것입니다), 점이 어떻게 태어났는지에 대한 문제입니다. 리간드는 양자점을 합성하는 데 사용되는 여러 전구체 물질에 존재합니다. 이러한 물질은 신중하게 측정한 다음 정확한 온도에 노출됩니다. 양자점이 나타나고 성장함에 따라 양자점은 리간드의 바다에서 헤엄치는 것과 같아서 분자가 처음부터 양자점에 달라붙어 합성 과정의 문제를 해결할 수 있습니다.

양자점 표면에 전자가 너무 많으면 들어오는 리간드가 그 전자와 결합할 수 있습니다." 라고 올메이저는 설명합니다.

"표면에 전자가 부족하면 다른 종류의 리간드가 들어와 전자를 기증하여 결함을 수정하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 그 결과 퀀텀닷 전자 구조가 완성되고 더 효과적으로 작동할 수 있게 됩니다."

다시 말해, 리간드가 전자가 빠져나갈 수 있는 구멍을 막기 때문에 양자점이 더 안정적으로 됩니다. 리간드는 또한 산소와 같은 다른 분자가 도트에 침투하는 것을 방지하여 안정성에도 영향을 미칩니다. 리간드는 양자점이 기능을 수행할 수 있게 할 뿐만 아니라 더 오랜 시간 동안 기능을 수행할 수 있게 해줍니다. 퀀텀닷을 사용한 제품은 수명이 다하기 전에 소비자에게 더 많은 가치를 제공할 수 있습니다.

올메이저는 "퀀텀닷을 충분히 안정적으로 만들어 TV 화면이 10만 시간 이상 지속될 수 있도록 하는 전략이 있습니다!" 라고 말합니다.

미국인이 하루 평균 2.67시간 TV를 시청한다는 점을 감안하면, 이는 스크린이 닳기 전까지 약 100년 동안 넷플릭스를 시청했다는 뜻입니다.

하지만 리간드는 단순히 고정제 역할만 하는 것은 아닙니다. 리간드는 또한 도트를 유용하게 만드는 데 필수적인 역할을 합니다. 올메이저는 리간드의 분자 구조가 도트를 다양한 용액에 혼합할 수 있게 해준다고 설명합니다. 따라서 디스플레이 외에도 다양한 응용 분야가 열립니다.

"리간드는 유기 분자이므로 머리와 꼬리가 있습니다."라고 그는 설명합니다. "양자점에 결합하여 결함을 수정하는 모든 작업을 수행하는 머리가 있습니다. 그리고 꼬리가 있는데, 보통 지방산이나 그 비슷한 형태의 물질입니다. 꼬리가 하는 일은 퀀텀닷을 다른 용매, 다른 폴리머, 다른 수지에서 처리할 수 있게 해줍니다."

안타깝게도 이러한 지방산 리간드가 존재하는 상태에서 양자점을 합성하는 것은 해결해야 할 또 다른 문제로 이어집니다. 이 과정에서 사용되는 리간드는 소수성이며 기름에서만 잘 작동합니다. 도트가 통합될 폴리머 자체가 소수성이라면 이는 나쁜 일이 아닐 수 있습니다. 그러나 도트가 알코올이나 다른 액체에 용해되어야 하는 사용 사례가 있는 경우 오작동을 일으킬 수 있습니다.

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"아크릴레이트와 같은 극소수성 폴리머에는 어느 정도의 극성이 있습니다."라고 올메이저는 말합니다. "소수성 리간드는 이러한 종류의 폴리머나 단량체와 호환성을 갖기에는 불충분합니다. 따라서 리간드 껍질에 약간의 극성을 도입해야 양자점이 호환될 수 있습니다."

올메이저는 더 많은 리간드를 사용하면 이 작업을 수행할 수 있다고 설명합니다.

"여기서 우리가 할 수 있는 일은 리간드를 바꾸는 것입니다."라고 그는 말합니다. "원래 있던 리간드를 다른 종류의 리간드로 대체하여 양자점이 다른 종류의 물질에 용해될 수 있도록 하는 것입니다."

이 과정의 한 가지 예로 잉크가 있습니다. 잉크에서 퀀텀닷의 독특한 색상 특성의 잠재적 유용성은 매우 분명하지만(예: 퀀텀닷 기반 잉크젯 프린터), 많은 잉크가 약간 극성이 있는 분자를 기반으로 하고 있어 퀀텀닷에 적대적일 수 있습니다. 올메이저는 나노시스가 이 문제를 해결할 수 있는 프로세스를 보유하고 있다고 설명합니다.

퀀텀닷을 잉크에 녹이려면 퀀텀닷 표면의 극성을 바꾸는 작업을 해야 합니다." 라고 그는 말합니다.

"이것은 극성 유기 용매의 세계에 대한 이야기일 뿐입니다. 퀀텀닷을 물에 용해시키고 싶다면, 즉 수성 응용 분야가 있다면 더 나아가야 합니다. 양자점 표면에 많은 극성을 부여하고 전기 화학적 전하를 부여해야 합니다."

올메이저와 같은 사람들이 화학 분야에서 계속 발전하고 있기 때문에 양자점에 사용할 수 있는 리간드의 수는 계속 증가하고 있습니다. ("항상 새로운 분자를 만들 수 있습니다."라고 그는 열변을 토합니다.) 이러한 혁신은 퀀텀닷의 미래가 말 그대로 상상할 수 없을 정도로 무궁무진하다는 것을 의미합니다. 올메이저는 현재 리간드와 도트 자체 모두 개선된 VR 및 AR 디스플레이를 만드는 데 사용하기까지 몇 가지 장애물이 있다고 지적했습니다. 하지만 헌신적인 연구자들이 열심히 연구하고 있기 때문에 미래는 밝아 보입니다.

"이것이 어디까지 나아갈 수 있을지 말하기는 어렵습니다."라고 그는 말합니다. "이 모든 것에는 논리적 한계가 있습니다. 하지만 퀀텀닷의 세계는 확실히 점점 더 많은 응용 분야에 진출하려고 노력하고 있으며, 저처럼 퀀텀닷 합성의 리간드 쪽을 연구하는 사람들은 그 한계를 뛰어넘을 수 있도록 우리의 역할을 해야 할 것입니다."