물리 양자점의 전하 이동 성질 향상

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양자점(quantum dot)은 빛 혹은 정전기적 전하를 흡수하거나 방출하는 성질을 이용하는 다양한 분야에 잠재성을 가지고 있다. 예는 보다 선명한 색을 가지고 있는 광 발광 다이오드(light-emitting diode), 광전압 태양 전지(photovoltaic solar cell), 나노 트랜지스터, 바이오센서 등이다. 그러나 이러한 응용 분야가 때로는 다르거나 반대의 성질을 요구하기 때문에 양자점의 광학 및 전자 성질을 조절하는 방법을 찾는 일은 매우 중요하다고 볼 수 있다.

최근 미자원부 산하 브룩헤이븐 국립 연구소(Brookhaven National Laboratory), 스토니 브루크대(Stony Brook Univ), 시라큐스대(Syracuse Univ) 연구진은 양자점의 중심을 축소하는 것이 주변 고분자의 성질을 향상시켜 빛의 흡수에 의해 양자점에서 생성된 전하의 추출이 가능하다는 것을 입증할 수 있었다.

전도성 고분자와 같은 플라스틱 재료와 짝을 이룬 양자점으로 형성된 광전압 전지는 제조가 보다 용이하고, 기존 실리콘 기반의 태양 전지보다 저렴하다. 이러한 종류의 재료는 저가이고, 합성이 용이하며, 조립이 상대적으로 쉽다고 연구진은 말한다.

실리콘에 기반한 태양 전지 디바이스들은 효율성 관점에서 우수하지 못하다. 그러나 나노 수준에서 광전압 프로세스를 이해하는 방향에 초점이 맞춰진 연구는 이를 변화시킬 가능성을 내재하고 있다.

단일 입자를 연구하고 제조하는 기술을 바탕으로 연구진은 보다 큰 입자에서 사라지는 성질을 검사하였다. 태양 전지에서 이상적인 재료는 많은 빛을 흡수하여 전류로서 이러한 에너지를 쉽게 추출될 수 있는 전하로 변환하는 것이다. 이러한 프로세스의 세부사항을 파악하기 위해 연구진은 전도성 고분자로 둘러싸여 있고 아연-술피드 보호껍질(zinc-sulfide shell)로 감싸진 빛을 흡수하는 카드뮴-셀레늄(cadmium-selenium) 중심으로 구성된 양자점을 이용하였다. 연구진은 양자점이 빛을 흡수하였을 때 형성된 전하를 추출하기 위한 고분자의 특성을 검사하였고, 상이한 크기의 중심을 갖는 양자점을 이용하여 실험을 수행하였다.

입자 크기는 고분자를 이용한 전하 이동에 영향이 있음을 이론적으로 예측할 수 있었지만, 최근까지 단일 입자 수준에서 실제 실험으로 확인된 적은 없었다. 양자점의 중심 크기를 변화시키면 직경이 작을수록 보다 효율적이고 일정한 전하 이동(charge transfer) 프로세스를 확인할 수 있었다.

보다 작은 중심을 이용함으로써 연구진은 전하 이동 프로세스의 효율성을 증가시킬 수 있었고, 전하 이동 속도의 분포를 줄일 수 있었다. 이를 통해 변화가 적은 이상치에 보다 근접할 수 있었다.

연구진은 양의 전하 영역인 홀(hole) 이동으로 형성된 전하 이동의 특별한 형태를 연구하였다. 전자 디바이스에서 홀은 전류를 형성하기 위해 전자처럼 채널이 형성된다. 이러한 경우 홀을 추출함으로써 장점이 있는데 깜빡이는 패턴으로 켜지고 꺼지는 양자점을 항상 켜 있는 상태로 유지하도록 시간을 증가시킬 수 있다.

홀 전이는 깜빡임을 저지한다. 양자점을 광학적으로 보다 오랫동안 유지시키는데 양자점이 켜지면 전하가 추출되기 때문에 광전압 프로세스에서 보다 우수하다. 벌크 시료의 경우 켜짐 및 꺼짐 상태를 볼 수 없기 때문에 위와 같은 효과를 관찰하는 것이 불가능하다.

연구진은 이전에 양자점을 버키볼(buckyball)과 짝을 이루어 유사한 실험을 수행하였었다. 그 당시 그들은 버키볼이 양자점의 "켜짐" 시간을 감소시키고 전하의 이동은 향상시키는 반대 효과를 발견하였었다.

양자점과 고분자를 조합하는 다른 영역에서 연구자들은 전하 이동이 치명적으로 작용하는 프로세스를 억제하는 방법을 찾고 있다. 기본적 원리 그리고 나노수준에서 이러한 프로세스의 조절법을 통해 다양한 범위에서 이용할 수 있도록 양자점을 최적화할 수 있다.

[그림]
전도성 고분자로 둘러싸인 빛을 흡수하는 양자점 모식도