퀀텀닷

1. 개요

퀀텀닷은 엑시톤 보어 반지름과 유사한 크기의 나노구조에서 양자 구속 효과를 보이는 반도체 나노 결정이다. 1981년 최초로 발견되었으며, 1993년 열주입 합성 방법이 개발되면서 다양한 분야에서 기술 응용이 가능해졌다. 퀀텀닷은 크기에 따라 흡수 및 형광 스펙트럼이 달라지는 밴드갭 조절 특성을 가지며, 디스플레이, 태양 전지, 바이오 이미징 등 다양한 분야에 활용된다. 제조 방법으로는 콜로이드 합성, 플라즈마 합성, 자기 조립 등이 있으며, 코어/쉘 구조를 통해 안정성과 효율을 높인다. 퀀텀닷은 독성 및 환경 문제, 윤리적 고려 사항 등 안전성 문제에 대한 지속적인 연구가 필요하다.

2. 역사

20세기 초, 황화 카드뮴(CdS)과 황화 셀레늄(CdSe)을 규산염 유리에 혼합하여 루비색에서 오렌지색을 띠는 물질을 만들었다. 1932년 Rocksby는 X선 회절 분석을 통해 이 색이 CdS와 CdSe 침전물에 의한 것임을 확인했다.

1980년대 초, 러시아 과학자 알렉세이 에키모프(Екимов^러시아어)와 알렉세이 오누시첸코(Онущенко^러시아어)가 유리 매트릭스에서 양자점을 발견했고, 미국 벨 연구소의 루이스 E. 브루스 팀은 콜로이드 용액에서 양자점을 합성했다. 1982년 알렉산더 에프로스는 양자점에 대한 이론을 처음으로 정립했다.

1986년 마크 리드가 처음으로 "양자점"이라는 용어를 사용했다.

1993년 매사추세츠 공과대학교(MIT)의 문지 바웬디, 데이비드 J. 노리스, 크리스토퍼 B. 머레이는 크기가 균일하고 광학적 품질이 우수한 양자점을 대량 생산하는 방법을 개발하여, 양자점의 기술 응용의 길을 열었다.

2023년 노벨 화학상은 양자점 발견 및 합성에 기여한 문지 바웬디, 루이스 E. 브루스, 알렉세이 에키모프에게 수여되었다.

3. 물리적 특성

양자점은 3차원 공간에 전자가 갇혀 양자 가둠 효과가 나타나는 매우 작은 입자이다. 0차원(0D) 개체로 묘사되며, 크기, 모양, 재료에 따라 특성이 달라진다. 비열 플라즈마를 사용하여 규소 및 게르마늄 양자점을 합성할 수 있으며, 이 과정에서 크기, 모양, 표면, 조성을 제어할 수 있다.

양자점은 벌크 재료와 다른 열역학적 특성을 가지며, 융점 강하가 그 예시이다. 구형 금속 양자점의 광학적 특성은 Mie 산란 이론으로 설명된다. 양자점 내에서 광 여기된 전자는 장시간 코히어런스를 유지한다.

3.1. 밴드갭 조절

양자점 내 단일 입자의 에너지 준위는 상자 속 입자 모델을 사용하여 예측할 수 있다. 양자점의 크기를 엑시톤의 보어 반지름과 비교하여 세 가지 영역으로 나눌 수 있다.

* 강한 가둠 영역: 양자점의 반지름이 엑시톤 보어 반지름보다 훨씬 작다. 가둠 에너지가 쿨롱 상호 작용보다 지배적이다. 에너지 준위가 분리되면서 띠 간격이 작아질 수 있다.
* 약한 가둠 영역: 양자점의 반지름이 엑시톤 보어 반지름보다 크다. 가둠 에너지는 전자와 정공 사이의 쿨롱 상호 작용보다 작다.
* 중간 가둠 영역: 엑시톤 보어 반지름과 가둠 포텐셜이 비슷한 영역이다.

;띠 간격 에너지:
: 엑시톤 보어 반지름은 다음과 같이 표현할 수 있다.
:: $a^*\_\{\backslash rm\; B\}=\backslash varepsilon\_\{\backslash rm\; r\}\backslash left(\backslash frac\{m\}\{\backslash mu\}\backslash right)\; a\_\{\backslash rm\; B\}$
: 여기서, a_B = 0.053 nm는 보어 반지름, m은 질량, μ는 환산 질량, ε_r은 크기에 따라 달라지는 유전율(상대 유전율)이다.
: 양자점의 크기가 작아질수록 밴드갭 에너지가 증가한다. (청색 편이) 이는 총 방출 에너지의 증가를 야기하며, 다양한 파장에서 빛을 방출한다. 양자점 크기 분포가 균일하지 않으면, 여러 방출 파장이 섞여 연속 스펙트럼으로 관찰된다.

;가둠 에너지:
: 엑시톤은 상자 속 입자 모델로 설명할 수 있다. 전자와 정공은 보어 모델의 수소 원자와 유사하게 행동하며, 엑시톤의 에너지 준위는 환산 질량을 사용한 상자 속 입자 모델의 해(바닥 상태, n = 1)로 나타낼 수 있다. 따라서 양자점 크기를 조절하면 엑시톤의 가둠 에너지를 제어할 수 있다.

;결합 엑시톤 에너지:
: 음전하를 띤 전자와 양전하를 띤 정공 사이에는 쿨롱 인력이 작용한다. 이 에너지는 리드베리 에너지에 비례하고, 반도체 크기에 따라 달라지는 유전율의 제곱에 반비례한다. 반도체 결정 크기가 엑시톤 보어 반지름보다 작으면 쿨롱 상호 작용을 상황에 맞게 수정해야 한다.

이러한 에너지들을 종합하면 브루스 방정식을 얻을 수 있다.
: $\backslash begin\{align\}$
E_\textrm{confinement} &= \frac{\hbar^2\pi^2}{2 a^2}\left(\frac{1}{m_{\rm e}} + \frac{1}{m_{\rm h}}\right) = \frac{\hbar^2\pi^2}{2\mu a^2}\\[6px]
E_\textrm{exciton} &= -\frac{1}{\varepsilon_{\rm r}^2}\frac{\mu}{m_{\rm e}}R_y = -R_y^*\\[6px]
E &= E_\textrm{band gap} + E_\textrm{confinement} + E_\textrm{exciton}\\
&= E_\textrm{band gap} + \frac{\hbar^2\pi^2}{2\mu a^2} - R^*_y
\end{align}
여기서 μ는 환산 질량, a는 양자점 반지름, m_e는 자유 전자 질량, m_h는 정공 질량, ε_r은 크기에 따라 달라지는 유전율이다.

위 방정식을 통해 양자점의 전자 전이가 크기에 따라 달라짐을 알 수 있다. 이러한 양자 가둠 효과는 특정 크기 이하에서만 나타나며, 이보다 큰 입자는 이 효과를 보이지 않는다. 양자 가둠 효과는 실험적으로 여러 번 확인되었으며, 많은 새로운 전자 구조의 주요 특징이다.

3.2. 엑시톤

양자점 내 단일 입자의 에너지 준위는 상자 속 입자 모델을 사용하여 예측할 수 있다. 양자점 내 엑시톤의 경우, 음전하를 띤 전자와 양전하를 띤 정공 사이의 쿨롱 상호 작용도 존재한다. 양자점의 크기를 엑시톤의 보어 반지름과 비교하여 세 가지 영역으로 나눌 수 있다.

* 강한 가둠 영역: 양자점의 반지름이 엑시톤 보어 반지름보다 훨씬 작으며, 가둠 에너지가 쿨롱 상호 작용보다 지배적이다.
* 약한 가둠 영역: 양자점은 엑시톤 보어 반지름보다 크며, 가둠 에너지는 전자와 정공 사이의 쿨롱 상호 작용보다 작다.
* 중간 가둠 영역: 엑시톤 보어 반지름과 가둠 포텐셜이 비슷한 영역이다.

;띠 간격 에너지: 에너지 준위가 분리되면서 강한 가둠 영역에서 띠 간격이 작아질 수 있다. 엑시톤 보어 반지름은 다음과 같이 표현할 수 있다.
::$a^*\_\{\backslash rm\; B\}=\backslash varepsilon\_\{\backslash rm\; r\}\backslash left(\backslash frac\{m\}\{\backslash mu\}\backslash right)\; a\_\{\backslash rm\; B\}$
: 여기서, a_B = 0.053 nm는 보어 반지름, m은 질량, μ는 환산 질량, ε_r은 크기에 따라 달라지는 유전율(상대 유전율)이다. 이는 총 방출 에너지의 증가(강한 가둠 영역의 작은 띠 간격 내 에너지 준위의 합은 약한 가둠 영역의 원래 준위의 띠 간격 내 에너지 준위보다 큼)와 다양한 파장에서의 방출을 초래한다. 양자점(QD)의 크기 분포가 충분히 뾰족하지 않으면, 여러 방출 파장의 컨볼루션이 연속 스펙트럼으로 관찰된다.

;가둠 에너지: 엑시톤 개체는 상자 속 입자를 사용하여 모델링할 수 있다. 전자와 정공은 수소 원자핵이 양전하를 띤 정공과 음전하를 띤 전자 질량으로 대체된 보어 모델의 수소처럼 볼 수 있다. 엑시톤의 에너지 준위는 환산 질량으로 질량을 대체한 바닥 레벨(n = 1)의 상자 속 입자에 대한 해로 나타낼 수 있다. 따라서 양자점의 크기를 변경하여 엑시톤의 가둠 에너지를 제어할 수 있다.

;결합 엑시톤 에너지: 음전하를 띤 전자와 양전하를 띤 정공 사이에는 쿨롱 인력이 있다. 인력과 관련된 음의 에너지는 리드베리 에너지에 비례하고 반도체의 크기에 따라 달라지는 유전율의 제곱에 반비례한다. 반도체 결정의 크기가 엑시톤 보어 반지름보다 작으면 상황에 맞게 쿨롱 상호 작용을 수정해야 한다.

이러한 에너지의 합은 브루스 방정식으로 나타낼 수 있다.
:$\backslash begin\{align\}$
E_\textrm{confinement} &= \frac{\hbar^2\pi^2}{2 a^2}\left(\frac{1}{m_{\rm e}} + \frac{1}{m_{\rm h}}\right) = \frac{\hbar^2\pi^2}{2\mu a^2}\\[6px]
E_\textrm{exciton} &= -\frac{1}{\varepsilon_{\rm r}^2}\frac{\mu}{m_{\rm e}}R_y = -R_y^*\\[6px]
E &= E_\textrm{band gap} + E_\textrm{confinement} + E_\textrm{exciton}\\
&= E_\textrm{band gap} + \frac{\hbar^2\pi^2}{2\mu a^2} - R^*_y
\end{align}
여기서, μ는 환산 질량, a는 양자점의 반지름, m_e는 자유 전자 질량, m_h는 정공 질량, ε_r은 크기에 따라 달라지는 유전율이다.

위 방정식은 단순화된 가정을 사용하여 유도되었지만, 양자점의 전자 전이는 크기에 따라 달라짐을 의미한다. 이러한 양자 가둠 효과는 임계 크기 아래에서만 나타난다. 더 큰 입자는 이러한 효과를 나타내지 않는다. 양자점에 대한 양자 가둠 효과는 실험적으로 반복적으로 검증되었으며, 많은 새로운 전자 구조의 주요 특징이다.

4. 제조 방법

양자점 제조 기술은 크게 두 가지로 나뉜다. 하나는 완성된 재료를 공정 기술을 이용하여 미세 가공하는 방법이고, 다른 하나는 재료의 결정 성장 시에 형성하는 방법이다.

* 공정을 이용한 제작
* 전자빔 리소그래피를 이용한 방법
* 결정 성장을 이용한 제작
* 스트란스키-크라스타노프 모드(S-K 모드): 분자선 에피택시(MBE)나 유기 금속 기상 에피택시(MOVPE) 과정에서 격자 불일치 재료를 성장시킬 때 S-K 모드를 통해 자연적으로 양자점을 형성하는 방법이다. 주로 InGaAs/GaAs 양자점 제작에 사용된다.
* 미세 마스크를 이용한 선택 성장
* 계면활성제를 이용한 방법

전기화학 기법을 통해 고도로 정렬된 양자점 어레이를 자체 조립할 수도 있다. 전해질-금속 계면에서 이온 반응을 일으켜 템플릿을 생성하는데, 이 반응은 양자점을 포함한 나노구조가 금속에 자발적으로 조립되게 한다. 그런 다음 이 금속은 선택된 기판에서 이러한 나노구조를 메사 식각하기 위한 마스크로 사용된다.

4.1. 콜로이드 합성

콜로이드 반도체 나노 결정은 전통적인 화학 공정과 유사하게 용액으로부터 합성된다. 주요 차이점은 생성물이 벌크 고체로 침전되지도 않고 용해된 상태로 유지되지도 않는다는 것이다. 고온에서 용액을 가열하면 전구체가 분해되어 단량체를 형성하고, 이 단량체가 핵을 형성하여 나노 결정을 생성한다. 온도는 나노 결정 성장을 위한 최적의 조건을 결정하는 중요한 요소이다. 합성 과정에서 원자의 재배열과 어닐링을 허용할 만큼 충분히 높아야 하며, 결정 성장을 촉진할 수 있을 만큼 충분히 낮아야 한다. 단량체의 농도는 나노 결정 성장 동안 엄격하게 제어해야 하는 또 다른 중요한 요소이다. 나노 결정의 성장 과정은 "집중" 및 "분산"의 두 가지 다른 영역에서 발생할 수 있다. 높은 단량체 농도에서 임계 크기(나노 결정이 성장하거나 축소되지 않는 크기)는 비교적 작아 거의 모든 입자가 성장하게 된다. 이 영역에서 작은 입자는 큰 입자보다 더 빠르게 성장하여(큰 결정은 작은 결정보다 더 많은 원자가 필요하기 때문) 크기 분포가 집중되어 거의 단분산 입자의 확률적 분포를 생성한다. 크기 집중은 단량체 농도를 유지하여 평균 나노 결정 크기가 항상 임계 크기보다 약간 크게 유지될 때 최적화된다. 시간이 지남에 따라 단량체 농도가 감소하고 임계 크기가 평균 크기보다 커지면서 분포가 분산된다.

다양한 반도체를 생산하는 콜로이드 방법이 있다. 전형적인 점들은 황화 납, 셀렌화 납, 셀렌화 카드뮴, 황화 카드뮴, 텔루르화 카드뮴, 비소화 인듐, 인화 인듐과 같은 이원 화합물로 만들어진다. 점들은 또한 셀렌화 황화 카드뮴과 같은 삼원 화합물로 만들어질 수도 있다. 또한, 최근에는 콜로이드 페로브스카이트 양자점의 합성을 허용하는 발전이 이루어졌다.
이러한 양자점은 양자점 부피 내에 100개에서 100,000개에 이르는 원자를 포함할 수 있으며, 직경은 약 10~50개의 원자 직경이다. 이는 약 2~10 나노미터에 해당하며, 직경이 10 nm인 경우 약 3 백만 개의 양자점을 일렬로 나란히 세우면 사람 엄지손가락 너비 안에 들어갈 수 있다.

대량의 양자점은 콜로이드 합성을 통해 합성될 수 있다. 이러한 확장성과 실험대 조건의 편리함으로 인해 콜로이드 합성 방법은 상업적 응용 분야에 유망하다.

4.2. 플라즈마 합성

비열 플라스마를 이용하여 공유 결합을 가진 양자점(예: Si, Ge)을 생산하는 기상 합성법으로, 크기, 모양, 표면, 조성을 제어하기 용이하다.

4.3. 자기 조립

분자선 에피택시(MBE)나 유기 금속 기상 에피택시(MOVPE) 과정에서 격자 불일치 재료를 성장시킬 때 스트란스키-크라스타노프 모드(S-K 모드)를 통해 자연적으로 양자점을 형성하는 방법이다. 주로 InGaAs/GaAs 양자점 제작에 사용된다.

4.4. 기타 제조 방법

양자점을 제작하는 방법에는 콜로이드 합성, 자기 조립, 전기 게이팅 등 여러 가지가 있다.

전기화학 기법을 통해 고도로 정렬된 양자점 어레이를 자체 조립할 수도 있다. 이 방법은 전해질-금속 계면에서 이온 반응을 일으켜 템플릿을 생성하고, 이 반응을 통해 양자점을 포함한 나노구조가 금속에 자발적으로 조립되게 한다. 이후, 이 금속은 선택된 기판에서 나노구조를 메사 식각하기 위한 마스크로 사용된다.

양자점 제작 기술은 현재도 발전 중이며, 다양한 방법이 연구되고 있다. 크게 완성된 재료를 공정 기술을 이용해 미세 가공하는 방법과, 재료의 결정 성장 시에 형성하는 방법 두 가지로 나눌 수 있다.

대표적인 예는 다음과 같다.

* 공정을 이용한 제작
전자빔 리소그래피를 이용한 방법
* 결정 성장을 이용한 제작
스트란스키-크라스타노프 모드(S-K 모드)
미세 마스크를 이용한 선택 성장
계면활성제를 이용한 방법

5. 코어/쉘 구조

양자점의 효율과 안정성을 높이기 위해 코어 물질을 다른 반도체 물질(쉘)로 둘러싸는 코어/쉘 구조가 사용된다. 코어와 쉘 물질의 띠 간격 차이에 따라 Type I, 역 Type I, Type II, 역 Type II 등으로 분류된다. 각 유형은 다음과 같다.

* Type I 양자점: 더 큰 띠 간격을 가진 두 번째 반도체 재료로 캡슐화된 반도체 코어로 구성되어, 양자점 표면의 비방사 재결합 부위를 수동화하고 양자 수율을 향상시킨다.
* 역 Type I 양자점: 쉘에서 전하 캐리어가 비국소화되는 더 작은 띠 간격을 가진 반도체 층을 갖는다.
* Type II 및 역 Type II 양자점: 코어의 전도대 또는 가전자대가 쉘의 띠 간격 내에 위치하여 코어와 쉘에서 전하 캐리어의 공간적 분리를 유발할 수 있다.

이러한 코어/쉘 시스템의 경우, 외부 층의 증착은 잠재적인 격자 불일치를 유발할 수 있으며, 이는 광발광 성능을 저하시키지 않고 두꺼운 쉘을 성장시키는 능력을 제한할 수 있다. ZnSe/ZnS(유형 I) 및 ZnSe/CdS(유형 II) 양자점을 비교한 결과, 유형 I 이종 구조는 압축 변형을 유도하고 코어를 "압착"하는 반면, 유형 II 이종 구조는 인장 변형 하에서 코어를 늘리는 효과가 있었다.

CdSe/ZnSe/ZnS 나노결정은 코어/이중 쉘 시스템의 한 예시이다. CdSe/ZnS 및 CdSe/ZnSe 나노결정을 비교하는 연구에서 전자는 격자 불일치로 인해 후자의 PL 수율이 84%인 것으로 나타났다. 이중 쉘 시스템을 연구하기 위해 코어 CdSe 나노결정을 합성한 후, ZnS 외부 쉘 전에 ZnSe 층을 코팅하여 형광 효율이 70% 향상되었다.

표면 수동화 기술도 함께 적용된다. 올레산은 콜로이드 안정성을 촉진하고 나노결정 성장을 제어하는 데 사용되는 유기 캡핑 리간드 중 하나이며, 리간드 교환 및 표면 기능화에도 사용될 수 있다.

6. 응용 분야

퀀텀닷은 높은 소멸 계수와 초고속 광학적 비선형성, 날카로운 상태 밀도 등 뛰어난 광학적 특성으로 인해 다이오드 레이저, 증폭기, 전광학 시스템 개발에 활용될 잠재력이 크다. 또한, 단전자 트랜지스터와 같이 작동하며 쿨롱 차단 효과를 보이고, 양자 정보 처리를 위한 큐비트 구현, 열전 소자, InAs 양자점을 활용한 반도체 광 증폭기 등 전기적 특성을 활용한 응용도 기대된다.

CdSe 나노결정은 효율적인 삼중항 광증감제로서 광역학 치료, 광전지 장치, 분자 전자공학 및 촉매 작용에 활용될 수 있다. 크기 조절을 통해 다양한 특성을 나타낼 수 있으며, 특히 작은 퀀텀닷은 미묘한 양자 효과를 활용하는 연구에 사용된다.

카드뮴을 사용하지 않는 '카드뮴 프리 퀀텀닷' 개발도 활발히 진행 중이며, 이는 텔레비전, 태양 전지 등 민생용 제품의 대량 생산을 가능하게 할 것으로 보인다. 소니는 2013년에 QD-VISION과 협력하여 미량의 카드뮴을 사용한 액정 텔레비전 "XBR-X900A"를 출시한 바 있다.

6.1. 디스플레이

퀀텀닷은 가우시안 분포로 빛을 방출하기 때문에 디스플레이에 적합하며, 이를 통해 더 정확한 색상을 표현할 수 있다. 일반적인 컬러 액정 디스플레이(LCD)는 백라이트로 형광등(CCFL) 또는 기존 백색 LED를 사용하고 빨강, 녹색, 파란색 픽셀을 만들기 위해 색상을 필터링한다. 퀀텀닷 디스플레이는 백색 LED 대신 청색 발광 LED를 광원으로 사용하며, 방출된 빛의 일부분은 청색 LED 앞에 배치된 해당 색상의 퀀텀닷이나 백라이트 광학 스택에 퀀텀닷이 주입된 디퓨저 시트를 통해 순수한 녹색 및 적색광으로 변환된다. 빈 픽셀은 파란색 LED 빛이 파란색 색조를 생성하도록 한다. 이러한 방식은 세 개의 LED를 사용하는 RGB LED 조합보다 저렴한 비용으로 최고의 색상 영역을 제공한다.

퀀텀닷 디스플레이를 구현하는 또 다른 방법은 전기 발광(EL) 방식이다. 이 방식은 각 픽셀에 퀀텀닷을 포함시키고 전기 전류를 가하여 활성화 및 제어한다. 이 방식은 자체 발광하기 때문에 구현 가능한 색상이 제한될 수 있다. 전기 발광 QD-LED TV는 아직 연구실 수준에 머물러 있다.

퀀텀닷은 스펙트럼을 정확하게 변환하고 조정하는 능력을 통해 LCD 디스플레이의 성능을 향상시킨다. 이전 LCD 디스플레이는 적색-녹색이 부족하고 청색-황색이 풍부한 백색광을 균형 잡힌 조명으로 변환하는 과정에서 에너지 낭비가 발생했지만, 퀀텀닷을 사용하면 이상적인 이미지를 위해 필요한 색상만 화면에 포함되어 더 밝고 선명하며 에너지 효율적인 화면을 얻을 수 있다. 퀀텀닷의 첫 상업적 응용은 2013년 소니가 출시한 XBR X900A 시리즈 평판 텔레비전이었다.

6.2. 태양 전지

양자점은 조절 가능한 흡수 스펙트럼과 높은 소멸 계수를 가지고 있어 광전지 등 광 수확 기술에 매력적이다. 양자점은 오늘날의 일반적인 실리콘 광전지의 효율을 높이고 비용을 절감할 수 있다. 2004년의 실험 보고서에 따르면, 셀렌화납(PbSe)의 양자점은 캐리어 증식 또는 다중 엑시톤 생성(MEG) 과정을 통해 하나의 고에너지 광자로부터 여러 개의 엑시톤을 생성할 수 있다. 이는 고에너지 캐리어가 열로 에너지를 잃고 고에너지 광자당 하나의 엑시톤만 처리할 수 있는 오늘날의 광전지와 비교하여 유리하다. 반면에, 황화납(PbS)과 같은 콜로이드 양자점의 양자 제한된 바닥 상태는 페로브스카이트와 같은 더 넓은 밴드갭 호스트 반도체에 통합되어 호스트 밴드갭 이하의 에너지를 가진 광자로부터 두 광자 흡수 과정을 통해 광전류를 생성할 수 있어 중간대 광전지(IB)라고 불리는 또 다른 접근 방식을 제공하여 태양 스펙트럼의 더 넓은 범위를 활용하고 더 높은 태양 전지 효율을 달성할 수 있다.

콜로이드 양자점 광전지는 간단한 화학 반응을 사용하여 만들 수 있으므로 이론적으로 제조 비용이 저렴할 것이다. 방향족 자가 조립 단분자막(SAM) (예: 4-니트로벤조산)은 더 나은 효율을 위해 전극에서의 밴드 정렬을 개선하는 데 사용될 수 있다. 이 기술은 10.7%의 기록적인 전력 변환 효율(PCE)을 제공했다. SAM은 ZnO–PbS 콜로이드 양자점(CQD) 필름 접합부에 위치하여 구성 SAM 분자의 쌍극자 모멘트를 통해 밴드 정렬을 수정하며, 밴드 조정은 SAM 분자의 밀도, 쌍극자 및 방향에 따라 수정될 수 있다. CdSe 양자점이 있는 캡슐화된 단결정 산화 아연 나노와이어를 사용하여 QD 감응 태양 전지를 얻기 위해 정공 수송 매질로 머캅토프로피온산을 담그는 또 다른 잠재적 활용 방안이 있다. 나노와이어의 형태는 전자가 광양극으로 직접 이동할 수 있게 했다. 이러한 형태의 태양 전지는 50~60%의 내부 양자 효율을 보인다.

실리콘 나노와이어(SiNW) 및 탄소 양자점에 양자점 코팅을 한 나노와이어. 평면 실리콘 대신 SiNW를 사용하면 Si의 반사 방지 특성이 향상된다. SiNW는 SiNW 내의 빛 포집으로 인해 빛 포집 효과를 나타낸다. 탄소 양자점과 함께 SiNW를 사용하면 9.10%의 전력 변환 효율(PCE)에 도달하는 태양 전지가 만들어졌다.

그래핀 양자점도 그래핀 시트와 비교하여 광전 소자 및 유기 발광 다이오드(OLED)의 효율을 개선하고 비용을 절감하기 위해 유기 전자 재료와 혼합되었다. 이러한 그래핀 양자점은 UV-가시광선 흡수에서 광발광을 경험하는 유기 리간드로 기능화되었다.

6.3. 바이오 이미징 및 센서

양자점은 형광 효율이 높고 광안정성이 뛰어나 바이오 이미징 및 센서 분야에서 유용하게 활용된다. 기존 유기 염료에 비해 20배 더 밝고 100배 더 안정적인 것으로 추정된다. 이러한 특성 덕분에 세포 내 과정 연구, 고해상도 세포 영상, 장기간의 생체 내 세포 추적, 종양 표적화 및 진단 등에 광범위하게 응용될 수 있다.

퀀텀닷의 향상된 광안정성은 고해상도 3차원 이미지 획득을 가능하게 하며, 장기간에 걸쳐 분자와 세포를 실시간으로 추적하는 데에도 활용된다. 항체, 스트렙타비딘, 펩타이드, DNA, 핵산 앱타머, 소분자 리간드 등을 이용하여 세포의 특정 단백질에 퀀텀닷을 표적화할 수 있다. 연구자들은 생쥐의 림프절에서 4개월 이상 퀀텀닷을 관찰하기도 했다.

퀀텀닷은 Förster 공명 에너지 전달(FRET)에서 공여체 형광체로 사용될 수 있는데, 이는 퀀텀닷의 큰 소멸 계수와 스펙트럼 순도가 분자 형광체보다 우수하기 때문이다. 또한, 퀀텀닷의 넓은 흡광도는 FRET 기반 연구에서 퀀텀닷 공여체의 선택적 여기와 염료 수용체의 최소 여기를 가능하게 한다.

생체 내에서 종양을 표적화하기 위해 퀀텀닷은 활성 표적화와 수동 표적화 두 가지 방식을 사용한다. 활성 표적화는 퀀텀닷을 종양 특이적 결합 부위로 기능화하여 종양 세포에 선택적으로 결합시키는 방식이다. 수동 표적화는 빠르게 성장하는 종양 세포의 투과성 증가와 유지 능력을 이용하여 퀀텀닷 프로브를 전달하는 방식이다. 종양 세포는 건강한 세포보다 막 투과성이 높고 림프 배수 시스템이 부족하여 나노 입자가 축적되기 쉽다.

퀀텀닷은 형광 분광법을 사용하여 수술 중 종양을 감지하기 위한 무기 형광체로도 연구되고 있다.

퀀텀닷은 항균성을 가질 수 있으며, 용량 의존적 방식으로 박테리아를 죽일 수 있다. 퀀텀닷이 박테리아를 죽이는 메커니즘 중 하나는 세포 내 산화 방지 시스템의 기능을 손상시키고 산화 방지 유전자 발현을 억제하는 것이다. 또한, 퀀텀닷은 세포벽을 직접 손상시킬 수도 있다. 퀀텀닷은 그람 양성 및 그람 음성 박테리아 모두에 효과적인 것으로 나타났다.

하지만 퀀텀닷 프로브는 생체 내 독성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, CdSe 나노 결정은 UV 조명 하에서 배양된 세포에 매우 독성이 있는데, 이는 입자가 용해되어 광분해 과정을 통해 독성 카드뮴 이온을 배양 배지로 방출하기 때문이다. 그러나 UV 조사가 없는 상태에서 안정적인 고분자 코팅이 된 퀀텀닷은 본질적으로 무독성인 것으로 밝혀졌다. 퀀텀닷의 하이드로겔 캡슐화를 통해 카드뮴 누출 가능성을 줄일 수 있지만, 퀀텀닷이 생물체에서 배출되는 과정에 대해서는 알려진 바가 거의 없다.

한편, 양자점은 형광 염료로서 바이오 연구에도 사용되고 있다. 폴리머 코팅을 통해 수중에서 사용하기 쉽도록 제작되며, 장시간의 여기광 조사에도 거의 퇴색되지 않는 장점이 있다. 단일 여기 파장에 의해 형광 파장이 다른 퀀텀닷을 사용하여 동시에 복수의 형광을 얻을 수도 있다.

6.4. 광촉매

양자점은 빛을 이용하여 물을 수소로 변환시키는 광촉매로 기능할 수 있으며, 태양열 연료 생산에 활용될 수 있다. 광촉매 작용에서 밴드갭 여기로 생성된 전자-정공 쌍은 주변 액체에서 산화 환원 반응을 일으킨다. 양자점의 광촉매 활성은 입자 크기 및 양자 구속 정도와 관련이 있는데, 이는 밴드갭이 여기 상태에서 점에 저장되는 화학 에너지를 결정하기 때문이다. 하지만 양자점 표면에 계면활성제(또는 리간드)가 존재하면 물질 전달 및 전자 전달 과정을 늦춰 점의 화학적 반응성을 방해한다. 또한, 금속 칼코겐으로 만들어진 양자점은 산화 조건에서 화학적으로 불안정하여 광 부식 반응을 겪는 문제점이 있다.

6.5. 기타 응용 분야

양자점은 높은 소멸 계수와 초고속 광학적 비선형성으로 인해 광학 응용 분야에 특히 유망하며, 전광학 시스템 개발에 잠재적으로 활용될 수 있다. 이들은 단전자 트랜지스터처럼 작동하며 쿨롱 차단 효과를 나타낸다. 또한 양자점은 양자 정보 처리를 위한 큐비트 구현, 열전 소자로 제안되었다.

0차원이므로 양자점은 고차원 구조보다 더 날카로운 상태 밀도를 갖는다. 결과적으로 더 우수한 수송 및 광학적 특성을 가져, 다이오드 레이저, 증폭기 및 생물학적 센서에 잠재적으로 사용될 수 있다.

양자점은 특유의 전기적 특성으로 인해 단전자 트랜지스터, 양자 텔레포테이션, 양자점 레이저, 양자점 태양 전지 및 양자 컴퓨터 등에서도 응용이 기대되고 있다. InAs 양자점을 활성층에 사용한 반도체 광 증폭기는 현재 주로 사용되는 양자 우물 구조를 사용한 것보다 주파수 특성이 좋아 실용화가 기대된다.

7. 안전성 및 윤리적 문제

일부 양자점은 인체 및 환경에 유해할 수 있다는 우려가 제기되고 있다. 특히 카드뮴(Cd) 기반 양자점의 경우, 카드뮴 누출, 활성 산소 생성, 세포 손상 등이 독성의 원인으로 지목된다. 이러한 문제로 인해 중금속을 사용하지 않는 양자점(Cd-free) 개발이 활발하게 이루어지고 있으며, InP/ZnS, CuInS/ZnS, Si, Ge, C 등이 대표적인 카드뮴 프리(Cd-free) 양자점으로 꼽힌다.

7.1. 독성 문제

일부 양자점, 특히 카드뮴(Cd) 기반 양자점은 인체 및 환경에 유해할 수 있다. 카드뮴 누출, 활성 산소 생성, 세포 손상 등이 독성의 원인으로 지목된다. 이러한 독성 문제 때문에 중금속을 사용하지 않는 양자점(Cd-free) 개발이 활발히 진행되고 있다. 대표적인 카드뮴 프리(Cd-free) 양자점에는 InP/ZnS, CuInS/ZnS, Si, Ge, C 등이 있다.