Quantum dot 이해하기 (quantum confinement effect)

  안녕하세요 오늘은 양자역학의 application 중 하나인 퀀텀닷 (quantum dot) 디스플레이를 통해 그 안에 적용된 양자역학의 원리 중 quantum confinement가 어떻게 적용되었는지 알아보겠습니다. 퀀텀닷 디스플레이는 에너지가 높은 blue 빛을 받은 퀀텀닷 필름이 그 빛을 red, green, blue로 각각 변환시켜 디스플레이를 구현하는 방식입니다. 각각의 퀀텀닷 필름들이 red, green, blue의 빛을 내기 위해서는 필름내에 퀀텀닷의 크기가 매우 중요합니다. 

 

Fig 1. 퀀텀닷 디스플레이 작동 원리

  퀀텀닷의 크기로 색을 조절하는 원리는 quantum confinement를 이용해서 설명이 가능합니다. 그러면 quantum confinement가 무엇인지 particle in a box를 통해서 설명해보겠습니다. 아래 Fig 2는 particle in a box에서 box의 길이 L에 따른 에너지레벨 간격 변화를 나타낸 그림입니다. Particle in a box에서 양자화된 에너지를 구하는 식 En에 다른 L 값을 대입하고 정수 n (1, 2, 3 ...) 을 넣고 계산을 해보면 L이 작아질 수록 에너지레벨의 간격이 커진다는 것을 알 수 있습니다.

Fig 2. Box 크기에 따른 에너지레벨 간격 변화

 

  이제 퀀텀닷에 quantum confinement effect를 적용해 보겠습니다. 퀀텀닷은 Fig 3과 같이 빛을 내는 반도체 물질이 가운데 위치해 있고 반도체 물질에서 전자가 외부로 나갈 수 없도록 외부가 다른 물질로 감싸여 있습니다. 퀀텀닷의 반도체 물질내에서 전자가 존재하고 있는 상황을 생각해본다면, 퀀텀닷은 box와 같고 전자는 particle과 같습니다. 퀀텀닷의 크기가 작아진다는 의미는 box의 크기가 작아진다는 의미이고 일정크기 이하로 작아진다면 quantum confinement effect가 발생합니다. 그리고 에너지 레벨의 간격이 커지게 됩니다. 이 원리를 이용하여 에너지가 가장 높은 blue 빛을 내는 퀀텀닷의 크기를 가장 작게 설계하고 에너지가 가장 낮은 red 빛을 내는 퀀텀닷의 크기는 크게 설계합니다.

Fig 3. 퀀텀닷 단면. 퀀텀닷은 구형으로 되어있음 (Ligand는 생략)

 

끝.