QLED도 친환경 필요...카드뮴 없는 퀀텀닷 왜 개발하나

2020.10.15 06:25
카드뮴은 변형이 쉽고 전기전도성이 뛰어나 다반면에 사용됐다. 하지만 인체에 흡수되면 암을 유발한다고 알려져 다른 물질로 대체되고 있다. 위키미디어 제공
카드뮴은 변형이 쉽고 전기전도성이 뛰어나 다반면에 사용됐다. 하지만 인체에 흡수되면 암을 유발한다고 알려져 다른 물질로 대체되고 있다. 위키미디어 제공

스포츠 의류와 신발을 생산하는 미국의 다국적 기업 나이키는 재활용 소재를 사용한 신제품 신발을 꾸준히 출시하고 있다. 소재가 한정돼 있어 기존 제품보다 디자인이나 색상 면에서 호불호가 갈리지만, 친환경 기업이라는 이미지만큼은 확실하게 각인했다. 나이키뿐 아니라 각종 기업에 부는 친환경 바람은 QLED의 핵심인 퀀텀닷 개발에도 예외는 아니다.

 

퀀텀닷은 수nm 크기의 아주 작은 나노입자다. 크기가 마이크로미터일 경우 다른 특성의 물질을 만들려면 새로운 재료를 찾아야 하지만, 퀀텀닷 정도까지 크기를 줄일 수 있으면 발광하는 색을 비롯해 전기적, 광학적 특징을 바꿀 수 있어 새로운 재료를 찾을 수고를 덜 수 있다.

 

이런 특징 때문에 천연색을 구현하고자 하는 디스플레이, 기존 재료로는 광전환 효율에 한계가 있었던 태양전지, 신체 조직을 뚫고 나올 수 있는 가시광선과 근적외선이 필요한 바이오이미징 분야에서 퀀텀닷을 활용하기 위한 연구를 진행하고 있다.

 

실험실에서 최초로 합성한 퀀텀닷의 핵심 재료는 카드뮴이다. 카드뮴은 칼로 자를 수 있을 만큼 부드러워 변형하기 쉽고, 전기전도성이 뛰어날 뿐 아니라 다른 물질과 혼합도 잘돼 퀀텀닷 재료로 안성맞춤이다. 

 

하지만 독성이 있다는 단점이 있다. 대표적으로 1910년대 전후 일본에서 발생한 질병인 이타이이타이병이 카드뮴 중독으로 발생하는 병이다. 이타이이타이병에 걸리면 등뼈, 손발, 관절에 통증이 생기고 뼈가 잘 부러지는 증상을 겪는다. 1970년대에는 적은 농도의 카드뮴으로도 발열, 호흡기 장애, 근육통 같은 증상이 나타날 수 있다는 연구가 발표됐다. 이런 이유로 세계보건기구(WHO) 산하 국제암연구소(IARC)는 카드뮴을 발암 등급 1군으로 분류했다.

 

○카드뮴과 ‘손절’하려면 보조 물질 찾아야
결국 디스플레이처럼 인체에 밀접하게 닿는 분야에 사용하려면 퀀텀닷도 ‘카드뮴 프리’를 실천해야 한다. 이를 위해 연구자들은 퀀텀닷을 카드뮴 화합물이 아닌 인듐 화합물로 만드는 연구를 진행했다.

 

인듐 화합물로 만든 퀀텀닷은 결합력이 약하고 색 순도와 광전환 효율 같은 성능이 떨어진다. 이를 보완하려면 금속원자에 전자쌍을 제공하는 화합물인 '리간드'를 퀀텀닷 붙여 표면을 안정화시켜야 한다. 리간드는 열이나 습기 같은 외부 환경으로부터 퀀텀닷의 핵심 물질을 보호하는 동시에 광전 효율을 향상키는 역할을 한다. 퀀텀닷의 성능을 리간드가 쥐고 있는 셈이다.

 

리간드 역할을 할 수 있는 화합물은 구성과 구조가 다양하고, 그중에서 핵심 물질과 잘 결함하며 퀀텀닷의 안정화아 성능 향상에 들어맞아야 한다. 대부분 이렇게 까다로운 물질을 찾지 못할 거라고 예상하던 차 삼성은 2014년 말 인듐 화합물로 만든 퀀텀닷을 이용한 TV를 개발해 최초의 친환경 퀀텀닷 TV 개발에 성공했다고 발표해 전 세계를 놀라게 했다. 퀀텀닷 연구에 매달려 온 중국이 아직까지 이렇다 할 결과물을 선보이지 못하고 있다는 점을 보면 더욱 놀라운 성과다.

 

최근 삼성은 한 발짝 더 나아가 리간드를 더 짧게 만들어 퀀텀닷 내로 전류가 주입되는 속도를 개선하는 동시에 에너지 손실을 최소화하는 기술을 도입했다.

 

정소희 성균관대 에너지학과 교수는 “모든 산업이 친환경을 추구하고 있는 만큼 퀀텀닷 역시 기술적으로 어렵더라도 친환경 소재로 전환해야 한다”고 말했다.

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