적외선 양자점으로 차세대 이미징 기술 구축

양자점(QD) 기술은 조명 및 디스플레이 산업을 혁신하고 있습니다. 나노기술 및 재료 과학에서 인기 있는 주제로, 이 반도체 나노결정은 매우 작은 반도체 입자로, 크기가 몇 나노미터에 불과합니다. 

그들의 전자 및 광학적 특성은 벌크 원자와 반도체 사이에 위치합니다. 이러한 특성은 QD의 크기와 형태 모두에 따라 달라집니다. 예를 들어, 5~6nm 크기의 큰 양자점은 2~3nm 크기의 작은 양자점보다 더 긴 파장을 방출합니다. 또한, 큰 QD는 주황색 또는 빨간색을, 작은 QD는 파란색 및 녹색을 발산합니다. 그러나 이러한 색상의 구체성은 양자점의 구성에 따라 달라집니다.

QDs는 전자 또는 전자 구멍이 강하게 제한된 나노 규모의 반도체 물질로, 3차원 박스 모델의 입자와 유사합니다. 두 개 이상의 QD를 결합하면 인공 분자를 만들 수 있습니다. 동시에, 이를 정밀하게 조립하면 인공 고체 물질 역할을 하는 초격자를 형성할 수 있으며, 그 고유한 광학 및 전자적 특성을 제어할 수 있습니다. 

작년, Moungi G. Bawendi, Alexei I. Ekimov, Louis E. Brus는 양자점의 발견 및 개발 공로로 노벨 화학상을 수상했습니다. 그러나 QD는 기술만큼 새롭지는 않습니다. 1980년에 처음 발견된 이후 수십 년이 지나며, QD는 원격 형광체로서 LCD에 사용되어 왔습니다.

양자점의 잠재적 응용 분야는 디스플레이에만 국한되지 않습니다. 또한 LED, 레이저, 태양전지, 단일광자 소스, 단일전자 트랜지스터, 현미경, 바이오이미징, 세포생물학 연구 및 화학 반응 촉매 등으로 확장됩니다.

다양한 산업에서 에너지 효율적인 조명 솔루션과 고품질 디스플레이 장치에 대한 수요가 증가함에 따라 QD 시장은 향후 몇 년간 연평균 17.40% 성장할 것으로 예상됩니다. 전 세계 QD 시장 규모는 이번 십년 말까지 123억 4천만 달러에 이를 것으로 전망됩니다. 

광범위한 적용과 예상되는 시장 규모 성장으로 인해 양자점은 많은 연구와 실험의 대상이 되어 왔습니다. 그러나 이는 주로 가시광선 영역에 국한되었습니다. 이는 자외선 및 적외선 영역에서 기술에 대해 아직 발견할 것이 많다는 것을 의미합니다.

적외선 기술은 다양한 활용 사례가 있어 비용 효율적이고 개발 및 사용이 쉬운, 조정 가능하고 적외선 활성인 광전자 재료에 대한 요구가 증가하고 있습니다. 이는 적외선 양자점 개발로 이어졌습니다. 양자 구속 효과 덕분에 적외선 양자점의 밴드갭은 차원적 제한만으로도 필요에 따라 조정될 수 있습니다.

태양 연료 및 광전지와 같은 적외선 흡수체, 그리고 생물학적 이미징 및 발광 다이오드와 같은 적외선 발광체로서 적외선 양자점 개발의 진전은 QD를 새로운 응용 분야에 적용하는 데 기여하고 있습니다.

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고품질 나노결정 개발

현재 일리노이 대학교 어배너-샴페인 캠퍼스의 생물공학 교수 Andrew Smith와 박사후 연구원 Wonseok Lee는 새로운 고품질 나노결정 제품을 개발했습니다.

게시일는 Nature Synthesis에 게재되었으며, 미국 국립보건원과 국립과학재단의 지원을 받았습니다. 이 연구는 적외선 QD가 가시광선 스펙트럼의 QD와 동일한 높은 기준을 충족한 최초 사례였습니다.

나노결정 기술이 존재한 지 거의 반세기가 되었음에도, 우리는 가시광선 영역에서 작동하는 나노결정의 발전만을 목격했습니다. 이는 이들이 ‘디스플레이 장치의 큰 부분’이기 때문에 당연합니다.

Smith가 말했듯이, 모든 기술의 가장 큰 부분은 빛을 방출하거나 흡수하는 것입니다. 따라서 현재 가장 큰 시장을 가진 기술 개발에 초점이 맞춰져 왔습니다. 

하지만 이것이 전부는 아닙니다. 가시광선 나노결정의 수요가 훨씬 높을 뿐만 아니라, 적외선에 사용되는 물질의 화학도 더 어렵습니다. 이는 가시광선보다 낮은 에너지와 더 긴 파장을 포함합니다. 

이제 적외선에서 빛 방출 및 흡수를 달성하려면 화학이 어려운 무거운 원소가 필요합니다. 이는 반응이 예측하기 어려워지고 원치 않는 부반응이 더 많이 발생한다는 것을 의미합니다.

이것이 전부는 아닙니다. 이러한 무거운 원소는 더욱 분해되기 쉬우며, 물과 같은 환경 변화에도 민감합니다.

양자점 나노결정은 실리콘과 같은 원소 반도체로 만들 수도 있고, 두 원소(이원소) 또는 세 원소(삼원소)로 만들 수도 있습니다. 두 원소를 혼합하면 여러 가지 특성을 얻을 수 있으며, 세 원소를 결합하면 더욱 다양한 특성을 구현할 수 있습니다.

일리노이 대학교 시스템의 대표 기관에서 연구진은 단일 원소에 집중했으며, 이를 ‘완벽한’ 재료라고 믿고 있습니다. 여기서 사용된 물질은 수은-카드뮴-셀레늄입니다. Smith에 따르면:

“카드뮴과 수은 원자의 비율을 바꾸면 원하는 거의 모든 특성을 얻을 수 있습니다. 이는 전자기 스펙트럼 전체—적외선 전 영역에서 가시광선 전 영역까지—에 걸쳐 방대한 범위를 포괄하며, 수많은 특성을 제공할 수 있습니다.”

이미 개발된 QD 활용

고품질 적외선 양자점 개발은 실제로 수년간 진행되어 왔습니다. 오랫동안 연구 커뮤니티는 이를 달성하려 노력해 왔으며, Smith도 대학원 시절부터 참여했습니다. 그러나 지금까지는 성공적인 결과가 없었습니다.

마침내 일리노이 대학교 연구진은 새로운 물질을 만들 수 있었습니다. 이미 완성된 것을 활용함으로써 이를 달성했습니다. 그래서 가장 발전된 양자점으로 간주되는 것을 Smith가 ‘희생 몰드’라고 부른 방식으로 이용했습니다.

카드뮴 셀레나이드(CdSe)는 II-VI 반도체에 속하는 무기 화합물이며, n형입니다. 적외선(IR) 빛에 투명하고 높은 발광성을 가지고 있지만, 광저항기에서는 제한적으로 사용되었습니다.

연구에 따르면, CdSe 기반 콜로이드 반도체 나노결정은 가시광선 영역의 광학 응용을 위해 정밀하게 최적화되었습니다. 최신 제품은 거의 100%에 가까운 양자 효율을 갖는 구조적 균일성을 보여줍니다. 

이제 팀은 카드뮴 셀레나이드를 사용하여 카드뮴(Cd) 원자를 수은(Hg) 원자로 교체했습니다. 즉시 모든 것이 적외선 스펙트럼으로 변했으며, 강한 발광 및 흡수와 같은 원하는 모든 특성을 유지했습니다.

이를 달성하기 위해 연구진은 기존의 나노결정 합성 방식을 포기해야 했습니다. 전통적인 방법은 먼저 전구체 원소를 혼합한 뒤, 적절한 조건에서 원하는 나노결정 구조로 분해시키는 것이었습니다. 

하지만 셀레나이드, 수은, 카드뮴에 대해 작동하는 조건은 발견되지 않았습니다. 따라서 박사후 연구원 Lee는 ‘상호확산 강화 양이온 교환’이라는 새로운 방법을 개발했습니다.

이 과정에서 팀은 네 번째 원소인 은을 추가했으며, 이는 물질에 결함을 도입했습니다. Smith는 이것이 ‘모든 것이 균일하게 섞이게 만들었으며, 그 결과 문제가 해결되었다’고 말했습니다.

결국 팀은 적외선 스펙트럼에서 발광 및 흡수하는 수은 셀레나이드(HgSe)와 수은-카드뮴-셀레나이드(HgCdSe) 나노결정을 개발했습니다. 가시광선 CdSe 전구체에서 파생된 이 새로운 물질은 카드뮴 셀레나이드 나노결정의 형태, 크기 및 균일성을 유지하면서 향상된 흡수를 제공했습니다.

이러한 균일한 나노결정인 HgSe와 HgxCd1−xSe 합금은 적외선 스펙트럼에서 조정 가능한 밴드갭을 가지고 있습니다. 연구에 따르면, ‘이종에피택시적 CdZnS 쉘로 패시베이션한 후, 파장 길이는 크기를 변경하지 않고도 조성에 따라 단파 적외선에서 조정 가능하며, 양자 효율은 80–91%이고 선폭은 약 100 meV에 가깝다’고 합니다.

적외선 양자점의 잠재적 응용 분야

작은 양자점의 독특한 크기와 조정 가능한 전자적 특성은 QD를 새로운 기술 및 다양한 응용 분야에 매우 매력적으로 만듭니다. 

밝고 순수한 색상의 무지개를 방출할 수 있는 능력, 높은 소광 계수 및 높은 효율성으로 인해 양자점은 LED 조명, 디스플레이 및 광전지와 같은 광학 응용 분야에서 특히 중요합니다. 고급 디스플레이 화면 개발에 사용될 때, 이 기술은 색 정확도와 밝기를 향상시킵니다.

보안 및 감시 분야에서도 야간 시야 능력을 향상시켜 어두운 환경이나 가려진 상황에서 사람이나 물체를 식별하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 자동차 산업에서는 운전자 지원 시스템을 강화하고 야간 주행 안전성을 개선할 수 있습니다. 또한 환경 오염 물질 및 수원 오염 물질을 감지할 수 있습니다.

양자점의 작은 크기는 고차원 구조보다 더 날카로운 상태 밀도를 의미하며, 전자가 이동 거리가 짧아 전자 장치가 더 빠르게 작동할 수 있습니다. 이러한 고유 전자적 특성은 태양전지, 트랜지스터, 양자 컴퓨팅 및 초고속 전광학 스위치와 논리 게이트에 특히 유용합니다.

양자점의 작은 크기는 바이오센서 및 의료 이미징과 같은 다양한 생물 의학 응용에도 적합합니다. 형광 기반 바이오센서와 달리, 양자점 기반 센서는 더 밝은 스펙트럼을 방출하고 시간이 지나도 거의 감소되지 않습니다. 이는 생물 의학 응용에 매우 유리합니다.

연구에 따르면, 새로운 물질인 수은 셀레나이드(HgSe)와 수은-카드뮴-셀레나이드(HgCdSe) 나노결정은 차세대 이미징 기술을 이끌 수 있습니다.

적외선 양자점은 여러 산업을 혁신시켜 차세대 이미징 기술 개발을 가능하게 합니다. 예를 들어, 의료 이미징에서는 적외선 양자점을 사용해 종양 및 암세포를 조기에 탐지하고, 조직 및 장기의 비침습적 이미징을 더 선명하고 상세하게 수행하며, 수술 중 정밀도와 결과를 향상시킬 수 있습니다.

헬스케어 분야에서는 적외선 양자점을 세포 추적, 시각화 및 세포 내 분자 행동 연구에 활용할 수 있습니다. 연구가 지적한 바와 같이, 적외선 양자점의 가장 중요한 활용은 분자 탐침일 수 있습니다.

대부분의 양자점은 가시광선 스펙트럼에서 방출되어 표면만 탐지할 수 있습니다. 그러나 적외선 빛은 더 깊은 조직을 탐색할 수 있게 합니다. 이렇게 하면 적외선 방출 양자점을 사용해 살아있는 설치류와 같은 표준 모델을 거의 전체 투과하여 특정 분자의 위치를 전신에 걸쳐 식별할 수 있으며, 실험 동물을 희생시키지 않아도 됩니다.

이러한 모든 활용은 생물학적 과정, 인체 및 질병 메커니즘에 대한 이해를 높이고, 보다 개인화된 솔루션과 치료를 제공하는 데 기여합니다. 

이와 더불어, 양자점을 이용한 적외선 이미징은 재료 및 부품 분석, 제조 공정에서 제품 품질 보증, 망원경 해상도 향상, 우주선의 항법 및 작동 지원에도 활용될 수 있습니다.

이미징 기술 및 적외선 양자점 분야에서 활약하는 주요 기업

이제 이미징 기술을 선도하고 양자점과 협력하는 기업들을 살펴보겠습니다:

#1. QD Vision

이 회사는 특히 디스플레이 및 이미징 응용 분야에서 양자점 기술로 알려져 있습니다. Moungi Bawendi가 10년 전 공동 설립했으며, 회사는 Color IQ를 통해 QD 상용화에 힘쓰고 있습니다. 

Samsung Electronics가 QD Vision의 IP를 7천만 달러에 인수했습니다, 이 인수에는 수백 건의 특허가 포함되었습니다. 이 전략적 조치는 회사의 디스플레이, TV 및 기타 사업에 대한 장기 비전을 지원하기 위한 것이었습니다. 당시 Samsung은 QD Vision의 IP가 한국 기반 회사의 연구개발에 포함되어 QD TV의 고급 구현을 개발할 것이라고 밝혔습니다. Samsung의 QLED 디스플레이는 뛰어난 색 재현과 탁월한 화질을 약속하며, ‘미래를 위한 새로운 가능성의 흐름을 열어준다’고 말했습니다.

2024년 1분기에 Samsung은 2023년 1분기 대비 영업 이익이 933% 증가했다고 보고했습니다. 이 기술 대기업은 반도체 가격 상승과 AI 붐 덕분에 2024년 2분기에 영업 이익이 15배 상승할 것으로 예상하고 있습니다. 그럼에도 불구하고 Samsung 주식(SMSN)은 현재 $1,581에 거래되고 있으며, 연초 대비 5.54% 상승했습니다. 회사는 1.69%의 배당 수익률을 지급하고 있습니다.

#2. Nanoco Group

런던 증권거래소에 NANO 티커로 상장된 Nanoco는 양자점 및 기타 나노재료의 개발 및 제조를 전문으로 합니다. 현재 주가는 $0.1949이며, 연초 대비 12.38% 하락했으며, EPS(TTM)는 0.06, P/E(TTM)는 3.32입니다.

회사는 최근 보통주 330,133주를 자사주 매입했으며, 이는 취소되어 총 205,038,038주의 보통주가 남게 됩니다. 이는 주주 가치를 높이기 위한 조치였습니다. 2Q24 실적 발표 콜에서 CEO Brian Tenner는 Nanoco가 두 건의 상업 생산 주문을 받았다고 언급했습니다. 비록 소량 주문이지만, 이는 Nanoco가 실제 생산 기업으로 전환하고 ‘수요와 물량이 시간이 지남에 따라 증가할 것으로 기대한다’는 의미입니다. 또한 회사는 적외선 감지를 위한 두 가지 차세대 나노재료와 관련된 글로벌 고객과 두 건의 공동 개발 계약을 체결했습니다.

Nanoco의 핵심 기술은 CFQD® 양자점으로, 형광 반도체 나노입자와 HEATWAVETM 양자점으로 구성됩니다. 이들은 센서 산업에 특화되어 설계되었습니다. 전자는 OLED 색 변환, μLED 색 변환 및 광학 보안 태깅에 적용되며, 후자는 생체인식 얼굴 인식, 광학 진단, 야간 시야, 거리 측정 및 LiDAR 응용에 사용됩니다.

마무리 생각

보시다시피, 양자점 기술은 산업 전반에 걸쳐 큰 발전을 약속합니다. 연구자들은 현재 적외선 양자점과 같이 독특한 응용 분야, 특히 생물학적 이미징에 활용되는 QD를 더욱 탐구하고 있습니다. QD에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 시장 규모가 확대됨에 따라, 양자점 분야는 의료, 에너지, 센서 및 소비자 전자 분야를 혁신할 수 있는 능력을 갖추고 더욱 많은 발전을 이룰 것입니다.