“양자의 세계, QD 기술의 무한한 가능성”

"QD, 디스플레이·바이오 이미지서 활용" 이혁재 QRT 연구원

2021-06-23 이기종 기자

23일 이혁재 QRT 전문연구원은 "일반 반도체가 지구 크기라면, 양자점(QD:Quantum Dot)은 1~2cm 크기 구슬"이라며 "반도체 나노 결정인 QD는 다양하게 활용할 수 있다"고 밝혔다. 이혁재 연구원은 디일렉 인터뷰에서 "D램과 CPU 등 일반 반도체를 자르고, 자르고, 자르면 눈에 보이지 않는 나노 결정이 된다"며 "나노 크기 반도체인 QD도 원자가 규칙에 따라 정확하게 배열되는 등 구색을 갖추고 있다"고 말했다.

자료:삼성전자

그는 "나노 크기 반도체는 움직임을 제한하는 '양자제한(양자구속) 효과(Quantum Confinement Effect) 현상이 생긴다"며 "나노 입자 크기를 조금만 바꿔도 색깔이 크게 바뀐다"고 말했다. 이어 "똑같은 구성물질이어도 QD를 빨간 사과처럼 크게 만들면 빨간색이 나오고, 청포도처럼 작게 만들면 파란색이 나온다"며 "QD 디스플레이는 이러한 기술을 활용한 것"이라고 설명했다. 이 연구원은 "유기발광다이오드(OLED)도 기계로 자세히 보면 일부분에 자주색과 주황색, 노랑색이 섞여 있다"며 "QD는 순수하게 빨간색, 녹색, 청색을 표현해 잘 활용하면 순수한 색을 폭넓게 만들 수 있다"고 덧붙였다. 그는 "QD는 디스플레이 외에도 바이오 이미지 등에서 이미 활용하고 있다"고 말했다. 이어 "항원-항체 반응에서 암이랑 반응할 수 있는 물질을 QD로 코팅하고 죄면 반응한 물질은 남아 있고, 반응하지 않은 물질은 씻겨 내려간다"며 "이때 빛이 나오기 때문에 쉽게 그 부위를 찾을 수 있다"고 설명했다.

인터뷰 진행 : 한주엽 디일렉 대표
정리 : 이기종 기자

- 이혁재 QRT 전문연구원은 과거에 양자점(QD:Quantum Dot) 회사를 운영한 사례가 있다고 들었습니다. "2006년부터 오랫동안 전세계 최초로 QD 일을 했습니다." - QD 특장점, 공급망 잘 아실 것 같습니다. "QD는 눈에 보이지 않는 세계를 다루고, 어렵습니다. 결과적으로 보기는 쉽지만 어떤 원리로 작동하는지는 알려면 상당한 전문지식이 필요합니다. 오늘은 그런 자리는 아니니까(눈높이를 낮춰 말씀드리겠습니다). 유럽 중세시대에 지은 성당의 스테인드 글래스는 색깔이 영롱하고 좋아 보입니다. 유리를 만들 때 고열처리 과정을 거치면서 나노 알갱이가 생겼기 때문에 색깔이 영롱해 보입니다. 그런 색깔을 TV에서 구현하기 위해 많은 노력을 하고 있습니다. 조금만 더 개발하면 TV에서도 스테인드 글래스나 중세시대 (건물) 천장에 그림을 그릴 때 사용했던 많은 색을 구현할 수 있습니다. 양자 기술을 이용하면 가능합니다. 마블 앤트맨 이야기에서 양자 세계나 양자 얽힘 얘기 등이 나옵니다. QD는 생각보다 주변에 가까이 와있습니다. QD 디스플레이, QD TV 등처럼 양자 현상을 이용해 빛으로 바꿔서 눈으로 보게 만든 것이 그 기술입니다." - QD 물질 쉽게 설명 부탁드립니다. "반도체라고 하면 일반적으로 D램, CPU, 휴대폰 AP 등을 떠올립니다. QD에 비하면 반도체는 굉장히 큽니다. 큰 것을 자르고, 자르고, 잘라서 나노 정도 크기로 만들면 전혀 다른 현상이 일어납니다. '양자 제한 효과 또는 양자 구속 효과'(Quantum Confinement Effect)라는 현상이 생기면서 나노 입자 크기를 조금씩만 바꿔도 색깔이 싹 바뀝니다. 똑같은 구성물질인데 빨간 사과처럼 좀 크게 만들면 빨간색이 나오고, 청포도처럼 작게 만들면 파란색이 나옵니다. 이를 양자 구속 효과라고 부릅니다. 쉽게 설명하면 물고기가 바다에서 헤엄칠 때는 자유도가 높아서 어디든 갈 수 있습니다. 이를 강, 연못, 어항으로 좁히면 물고기가 움직이는 데 제한을 많이 받습니다. 물고기를 '전자'라고 생각하면 전자가 어항에 갇힌 것입니다. 컵에 넣으면 물고기가 거의 움직일 수 없습니다. 양자 제한, 양자 구속으로 이해하면 됩니다. 그리고 물고기가 바닷가에 있을 때는 자유롭게 연속적으로 움직일 수 있습니다. 그것을 어항이나 컵에 넣고 옮길 때, 컵을 들어올리는 것을 '에너지를 받았다'로 받았다고 생각하면 되고, 아래로 떨어질 때 에너지가 바뀌었다고 보면 됩니다. 그런 현상이 띄엄띄엄 일어나서 양자화됐다고 볼 수 있고, 바로 이런 현상을 이용하는 것이 QD 디스플레이입니다." - QD 물질을 TV에 활용하는 제품도 나왔는데, 그 물질은 나노 크기 알갱이입니까? "반도체 나노 결정입니다. 나노 크기라고 해도 나름 구색은 갖추고 있습니다. 원자가 규칙에 따라 아주 정확하게 배열돼 있습니다. 금속이나 부도체나 도체에서는 이런 현상이 일어나지 않고 반도체에서만 일어납니다. 크기의 경우, 지구하고 1~2cm 구슬 크기 차이를 생각하면 됩니다. 일상 세계에서 볼 수 있는 크기를 나노와 비교하면 나노는 보이지 않는 기술입니다. - 입자는 뭘로 만듭니까? "입자는 중금속이 들어가면 좋습니다. 카드뮴이 들어가면 만들기도 쉽고 특성도 좋고, 안정적입니다. 먼저 카드뮴으로 시작했다가, 이후 중금속이 안 들어간 물질을 찾았습니다. 지금은 인듐이 대세입니다. 국내 기업은 이전에는 카드뮴을 많이 사용했는데, 지금은 대부분 인듐 쪽으로 넘어가고 있습니다. 그렇지만 아직 중국이나 대만 쪽에선 카드뮴을 이용한 제품을 사용하고 있습니다. 아마 1~2년 내에 모두 인듐 쪽으로 넘어갈 확률이 높습니다. - 특성이 좋단 얘기는 무슨 말입니까? "QD를 쓰는 제일 큰 이유 중 하나가, 색을 순수하게 표현한다는 점입니다. 빨간색이면 순수하게 빨간색, 녹색이면 순수하게 녹색, 청색이면 순수하게 청색을 표현해야 합니다. 자연계에서 보는 빛은 편하게 느낍니다. 여기에 잡색, 일곱가지 색깔이 들어가 있습니다. 디스플레이에서 색깔을 재현하려면 빨간색은 정말 빨간색이 나와야 하는데, QD가 바로 그런 물질입니다. OLED 같은 경우 빨간색이라도 기계로 자세히 보면 일부분에 자주색도 있고, 나머지 부분에 주황색과 노랑색도 섞여 있습니다. QD는 순수하게 빨간색, 녹색, 청색만 있어서 이것을 이용하면 굉장히 순수한 색을 폭넓게 만들 수 있습니다. - QD 물질이 빛을 내는 원리는 무엇입니까? "반도체 원리입니다. 빛을 낸다는 것은 에너지가 바뀔 때, 예를 들어 책상 위에서 아래로 뛰어내릴 때 에너지를 사용한다고 얘기합니다. 이때 간격이 좁으면 빨간색입니다. 밴드갭에서 다른 밴드갭으로 전자가 이동하면 빛이 나옵니다. 빨간색은 간격이 좀 좁고, 파란색은 간격이 좀 넓습니다. 녹색은 이 사이에 있습니다. - 크기에 따라서 빨간색, 녹색, 파란색으로 간다는 얘기인데, 빛을 받아서 빛을 내는 광발광(PL:Photo Luminescence), 전기를 흘려서 빛을 내는 전계발광(EL:Electro Luminescence)도 있습니다. "QD는 반도체 나노 입자여서 OLED나 다른 형광체와 달리 다양하게 동작할 수 있습니다. 먼저 외부에서 빛의 형태로 특정 파장 에너지가 주입돼 QD가 빛을 내는 PL이 있습니다. 또 양쪽 전극에서 전자와 정공 형태로 전기 에너지가 주입돼 QD가 빛을 내는 전계발광이 있습니다. 끝으로, 전계발광 반대 현상을 이용해 빛을 내는 경우가 있습니다. 이때 빛을 내기 전에 정공을 바깥으로 빼놓으면 태양전지로도 사용할 수 있습니다. QD는 잘만 활용하면 많은 곳에 사용할 수 있습니다. 빛보다는 전계발광, 전계발광보다는 태양전지가 시장이 커진다고 볼 수 있습니다. 태양전지에서 폴리실리콘을 사용하면 아무리 잘 만들어도 효율은 21%도 어렵습니다. 반도체를 최초로 소자로 쓸 수 있도록 개척한 천재 물리학자 쇼클리는 반도체 효율은 36%나 33% 이상을 못 넘는다고 증명했습니다. 21%는 사실 높은 것입니다. QD는 문헌마다 다른데, 제가 본 자료는 낮아도 46%, 오늘 본 또 다른 자료는 86%까지 가능하다고 돼 있습니다. QD에 독특한 효과가 있기 때문인데, 이론적으로 상대적으로 높게 쓸 수 있습니다. - 디스플레이의 경우 LCD TV에 QD 시트를 붙인 광발광 방식, 이렇게 해도 색재현력이 좋아진다란 얘기인가요? "굉장히 좋아집니다. 용어 때문에 국내 기업끼리 싸우고 있는데. VCR와 VTR, 그리고 VLSI와 ULSI 용어를 예로 들면, ULSI와 VTR은 일본 단어이고 VCR와 VLSI는 영어입니다. VCR은 '비디오 카세트 리코더'란 뜻입니다. VLSI 자체가 초고집적이란 의미인데 일본에서 VVLSI 등으로 사용하니까 미국에서 VLSI로 통일했습니다. OLED 용어도 일본에서 나왔습니다. 보통 LED 하면 앞에 (붙은 용어의) 빛을 사용하는 것입니다. '화이트 LED'도 '화이트 phosphor converted LED'입니다. OLED이란 용어에서 유기물(Organic)이 빛을 내진 않습니다. OLED, QLED 등의 용어를 놓고 '이것은 LCD다, 아니다'라고 LG에서 얘기하지만 의미는 없습니다. - 의미 없는 얘기지만, 색 재현력은 좋다는 의미로 보면 될 것 같습니다. "광발광도 처음에는 QD니까 LED 패키지에 넣으면 되겠다고 생각했습니다. 하지만 그렇게 했더니 실시간으로 특성이 바뀌었습니다. 원인을 찾아보니, 나노 입자는 원자가 중심에서 바깥으로 나갈 때 적어도 5~6개층을 거칩니다. 그런데 산화가 되면 순식간입니다. 산화가 되고 'Photo Enhanced Oxidation'이라고 해서, 빛이 강해지면 활성도가 높아져서 산소나 수분과 급격히 변형이 일어나서 특성이 확 변합니다. 패키지는 아니라고 판단했습니다. 패키지를 안 하면서 바깥의 물도 차단하는 방법을 찾다가, 가는 유리관에 모세관 현상을 이용해서 QD를 주입하는 방법을 택했습니다. 글래스 튜브를 사용했더니 두 가지 문제가 있었습니다. 안으로 들어가서 끝까지 모세관으로 올리는 것도 어렵고, 경화하는 과정에서 QD에 금이 갔습니다. 그리고 LED랑 약간 띄워 놓아야 하는데 견고해야 합니다. 틀어지는 등의 문제 때문에 QD도 적게 들고 효과적인데 나노시스가 먼저 하다가 내려 놓았(중단했)습니다. 그런데 그것을 QD 비전이 소니와 완성했습니다. 그래서 지금도 튜브 방식을 일부 쓰는 곳이 있습니다. 가격이 저렴합니다. 불과 3~4년 전만 해도 중국 TCL, 하이센스 등 업체들이 CES에서 전시도 했습니다. 힘들어서 필름으로 만드는 방법을 썼습니다. 필름도 QD가 들어간 층과, 위아래 수분을 막는 배리어 층으로 나왔습니다. 제일 간단한 구조인데, 기존 LCD 구조에서 필름 바꾸고 LED만 바꾸면 됩니다. 대신 QD를 만드는 회사 입장에선 힘듭니다. 필름에 들어가는 QD 양이 늘었다고 해도 늘어난 양만큼 가격을 받을 수 없어서 가격 인하 압박을 많이 받았습니다. - 삼성전자 LCD TV 앞에 붙인 QD 시트의 경우 한솔이 QD 재료를 만들고, 입자를 필름 업체인 미래나노텍 등에 보내면 삼성전자에 공급해서 최종 조립합니다. "한솔케미칼에서 QD를 만들어서 신화인터텍, 글로텍, 미래나노텍, 그리고 배리어 필름은 아이컴포넌트에서 라미네이션을 합니다. 필름을 만드는 기업은 이익을 남기기 어렵습니다. (기술이) 아무 것도 없습니다. QD도 받고, 배리어 필름도 받아서 '합지'만 합니다. 그래도 일단 삼성이 어느 정도 이익을 보장해주고, 밸류체인은 거기밖에 없습니다. - 그런데 한솔케미칼은 카드뮴 없는 QD 기술을 직접 개발한 것은 아니지 않습니까? "삼성이 전략적으로 하고 있습니다. OLED 같은 경우, 삼성디스플레이와 삼성에서 UDC에 엄청난 특허료, 매년 1000억원 단위로 나갑니다. 삼성에서 핵심 소재를 갖고 있지 않으면 특허 분쟁이 생기거나 특허료로 나갈 수 있습니다. QD는 삼성종합기술원 중심으로 전략적으로 개발했습니다. 카드뮴 프리(Free)로 정말 특성이 좋은 QD를 개발했습니다. 양산화 기술을 기업에 넘겼는데, 삼성전자의 삼성종기원에서 개발한 기술로 양산하는 것입니다. - 한솔그룹과는 특수관계이도 합니다. QD 시트 필름이 들어가면 원가 부담이 크게 늘어납니까? "배리어 필름 30%, QD 50% 등입니다. 초창기에는 배리어 필름 50%, QD 50%, 나머지는 무시할 정도로 QD 가격이 높았습니다. 지금도 여전히 비쌉니다. 배리어 필름은 절대 가격은 떨어지고 있는데 그래도 QD 40~50%, 배리어 필름 20~30% 잡고, 나머지는 인건비와 필름 수율로 보면 됩니다. - QD는 어떻게 생산합니까? "크게 두 가지입니다. 하나는 배치 방식입니다. 큰 통에 반응하고자 하는 프리커서 적정량을 적정 온도에 맞게 할 수 있게끔 배합해서 합성하는 방법입니다. 또 하나는 아주 가느다란 관에서 합성하려는 여러 전구체 등을 넣어서 연속적으로 만드는 방식입니다. 한솔케미칼에서 개발하는 방식은 배치 방식입니다. - 삼성디스플레이에선 밑에 청색 OLED를 깔고, 그 위에 QD 컬러필터를 적용해서, 기존 LG디스플레이 WOLED보다 색재현력을 높인 QD-OLED를 개발하고 있습니다. LCD TV에서 QD 필름 붙이면 색재현력이 좋아진다고 했는데, QD-OLED로 색재현력이 높아질 것이라고 보십니까? "필름 쓸 때보다 높아집니다. 두 가지 이유입니다. 첫 번째는 밑에 광원이 꺼졌다 켜졌다 하는 것이 있고, 또 하나는 컬러필터에서 올라오면 필름으로 썼을 때 색은 청색과 녹색 중간에 만나는 부분이 있습니다. 이를 컬러필터 단에 쓰면 막을 수 있습니다. 눈에 더 좋은 색감을 느낄 수 있습니다. OLED 같은 경우 똑같은 WOLED와, QD가 없는 LCD TV를 보면 기계로 찍었을 때 색재현률이 비슷해도 눈으로 볼 때는 OLED가 훨씬 색이 좋은 것으로 보입니다. 이는 파워포인트(PPT) 만들 때 그림 옵션에서 콘트라스트 비율을 높이면 빨간색은 안 바뀌어도 더 빨갛게 보입니다. OLED는 WOLED를 쓰면 색재현률이 우리가 느끼는 것만큼 높지 않습니다. 다만 명암비가 높기 때문에 우리 눈에 그 색이 더 선명하게 보여서 색깔이 좋다는 느낌을 받는 것입니다. 삼성디스플레이에서 개발 중인 청색 OLED의 컬러필터에 QD를 쓰면 실제 명암비도 높아지고, 색재현률도 높습니다. 그래서 삼성디스플레이에서 그것을 하려고 하는 것입니다. - 컬러필터에 QD 입자를 적용하면 가격이 비쌀 것 같습니다. "기본적으로 필름을 만들 때, 카드뮴 같은 경우에는 공식 자료는 없지만, 카드뮴을 컬러필터에 쓰면 필름 대비 최소한 4배, 그런데 인듐을 쓰면 7~10배란 이야기가 있습니다. 이유는, 어려운 애기인데, 빛을 받아서 얼마만큼 빛을 내느냐와 관련이 있습니다. 100이란 빚을 받아서 얼마큼 빛을 내느냐 할 때 두 가지가 있습니다. 그중 흡광도란 것이 있습니다. 인듐이 카드뮴보다 상대적으로 낮아서 같은 총량의 빛을 보려면 더 많이 사용해야 합니다. 컬러필터에 인듐을 쓰면 굉장한 고도 기술이 필요합니다. 칼의 양면일 수 있습니다. 만들면 독점이 가능합니다. 실제 인듐 QD를 제대로 만들 수 있는 곳도 전세계적으로 생각보다 제한적입니다. - 삼성디스플레이에서 개발 중인 QNED도 특허가 160건 드러났다고 하는데, 개발 진행이 많이 된 것 같습니다. OLED와는 다른 형태, 마이크로 LED보다 더 작은 나노로드 LED도 있습니다. QD-OLED와 QNED 내부에서도 경쟁이 있을 것 같습니다. "개인적으로 QD를 했기 때문에 편향적인 얘기라고 할 수도 있지만, QNED하고 마이크로 LED의 경우 (아는 범위 내에선) QNED가 생산성이 훨씬 높습니다. 기업은 생산성입니다. 비슷한 성능이 나오는데 QNED하고 마이크로 LED를 비교하면 마이크로 LED는 계속 옮겨야 하는데, QNED는 뿌리고 나서 자기장으로 자기 정렬하기 때문에 생산성이 경쟁이 안 된다고 봅니다. 되면 게임 체인저가 될 확률이 높습니다. 단, 이때 거기에 몇 개를 얼마나 규칙적으로 집어넣느냐, 그리고 용액 등을 만들다 보면 유기물이나 다른 물질을 써야 합니다. 깨끗하게 싹 날아가주면 좋은데, 그렇지 않을 경우 문제가 될 수 있습니다. 그렇게 되면 OLED를 쓸 필요가 사실 없습니다. QD는 무기물이기 때문에 이론적으로 수명이 무한이라고 볼 수 있습니다. 다른 요소 때문에 안 되겠지만, 게임 체인저가 될 수 있다는 점에서 기대를 하고 있습니다. - QD-OLED는 낙동강 오리알처럼 될 수도 있습니까? "그런데 일본이나 다른 곳에선 꽤 쓸 수 있습니다.

- 궁극적으로는 전계발광, EL이 된다면 진정한 게임 체인저가 될 수 있다는 얘기도 있었는데, 어렵습니까?

"광발광으로는 QD 경쟁자가 없습니다. 광발광에서 청색 광원을 쓰고 컬러필터 단에 QD를 쓰면 경쟁자가 없습니다. 그런데 EL은 좀 다릅니다. 나노 입자를 일정한 두께로 2~3층으로 쌓는 것인데, 말 그대로 크기가 5나노, 10나노이면 '지구와 구슬 비유'처럼 작은 것입니다. 80인치, 90인치 되는 제품까지 고루 만드는 것은 굉장히 어렵습니다. 또 하나, RGB를 따로 만들어서 RGB에서 나오는 빛의 양을 제어하는 것도 쉽지 않습니다. EL은 10년 전에도 '5년 뒤에 나온다'고 했고, 5년 전에도 '5년 뒤에 나온다'고 했고, 지금도 '5년 뒤에 나온다'고 합니다." - QNED에 QD 필름을 붙일 수도 있습니까? "그럴 수 있습니다. 그런데 그러기엔 아깝습니다. 하나의 광원을 쓰면 여러모로 좋습니다. 청색 광원에 계속 매달리는 이유는 청색이 있으면 흰색을 만드는 것은 문제가 없기 때문입니다. 흰색을 만든다는 얘기는 모든 색을 다 만들 수 있단 애기입니다. 그래서 청색 광원을 쓰는데, 거기에 필름을 쓰면 픽셀 하나하나 껐다 켰다 하는데, 거기에 QD 필름이 들어가면 중간에 색 퍼짐이 있어서 그럴 바에는 컬러필터에 넣는 것이 낫습니다. 그리고 컬러필터에 QD를 일정하게 넣는 것은 고도의 기술입니다. 국내 기업에서 하고 있는 초격차 기술에서도 좋다고 볼 수 있습니다. - QD는 디스플레이, 태양광 쪽 외에 다른 분야에선 어떻게 활용할 수 있습니까? "바이오 이미징에서 쓰고 있습니다. '표식자'라고 합니다. 개념적으로 쉽게 얘기할 때, 항원-항체 반응에서 암이랑 반응할 수 있는 물질을 QD에서 코팅을 하고 죄면 반응한 것들은 거기에 남아 있고, 반응하지 않은 것은 씻겨 내려갑니다. 이때 빛이 나오기 때문에 쉽게 그 부위를 찾을 수 있습니다. 이것도 광발광 특성을 이용한 것입니다. 의예과나 생물학과에서 연구 중인데 꽤 고부가가치입니다. 전자 쪽에선 싸게 대량, 바이오 쪽에선 고급 소량. 양은 많지 않지만 이익을 낼 수 있는 공급망이 존재한다고 알고 있습니다. - 지금 QRT에선 어떤 역할 맡고 있습니까? "신뢰성 연구를 좋아합니다. 디바이스 입장에서 어떤 메커니즘이 있을지 연구하고 있습니다"