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- [반도체] [2021년 6월 둘째주] 반도체 뉴스
- https://www.ksia.or.kr/bbs/board.php?bo_table=SiliconTimes&wr_id=600 시장동향 1. 글로벌 반도체산업 https://ksia.or.kr/mail/20210607/1.pdf 2. 국내 반도체산업 동향 https://ksia.or.kr/mail/20210607/1.pdf 3. 중남미 5G 네트워크 상용화 현황과 전망 https://ksia.or.kr/mail/20210607/1.pdf 뉴스클리핑 1. 진격의 K-반도체, 비메모리 1위 ‘정조준’ https://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=101&oid=417&aid=0000701320 2. 반도체특위 재가동 "반도체는 '쌀'…특별법 지원 아끼지 않겠다“ https://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=100&oid=421&aid=0005363414 3. D램·낸드플래시, 하반기 수요증가로 가격인상 전망 https://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=004&oid=123&aid=0002247232 4. 8인치 팹' 생산량 기록적 증가세 전망…반도체 부족 해소될까 https://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=101&oid=003&aid=0010517918 5. 바이든 “59개 中 방산·기술 기업에 투자 금지” 행정명령 서명 https://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=104&oid=123&aid=0002247540
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- 작성일 2021-06-16
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- [디스플레이 심층탐구] QD디스플레이 기술 원리 ②
- QD디스플레이 장점 2 – Blue 발광원 Blue 발광원 사용에 따른 장점으로는 대표적으로 ① 명암비 ② Halo Free ③ 응답속도 ④ Eye Health를 꼽을 수 있습니다. ① 높은 명암비 명암비는 말 그대로 디스플레이에서 가장 밝은 화면과 가장 어두운 화면의 차이를 숫자로 나타낸 것입니다. 그런데 일반적으로 디스플레이는 광원의 제약이나 소비전력 등의 문제로 화면을 밝게 보여주는 데 한계(최대 3,000nit 이하 수준)가 있는 반면, 어둡게 보여 주는 데는 한계가 없습니다. 그냥 광원을 꺼서 완전한 블랙을 만들면 되기 때문이죠. 굉장히 쉬운 얘기지만 LCD에서는 불가능한 얘기가 됩니다. LCD는 백라이트유닛(BLU; Back Light Unit)을 광원으로 사용하는데, 백라이트유닛은 픽셀마다 밝기를 개별적으로 조절하는 것이 불가능에 가깝기 때문에, 차선책으로 일정 영역별로 조절(디밍)하고 있으며, 이러한 이유로 완전한 블랙이 포함된 화면을 보여주는 데 한계가 있습니다. 하지만 QD 디스플레이의 Blue 발광원은 LCD와 달리 개별 픽셀 단위로 광원을 조절할 수 있습니다. 예를 들어 4K 해상도의 QD디스플레이는 약 830만 개(3840 X 2160)의 광원을 별도로 조절할 수 있는 것이죠. 이렇게 QD디스플레이의 완벽한 블랙은 1,000,000 : 1의 높은 명암비를 가능하게 해 보다 깊고 세밀한 화질을 구현할 수 있습니다. ② Halo Free 앞서 명암비 부분에서 설명했듯이 LCD는 미세한 광원 조절이 불가능하기 때문에 밝은 부분을 표현하기 위해 사용된 빛이 어두운 부분에도 영향을 주게 됩니다. 이런 문제를 Halo 현상이라고 하며, 특히 어두운 배경의 대상을 화면에 표현할 때 뚜렷하게 인지됩니다. 하지만 픽셀 단위로 광원 조절이 가능한 QD디스플레이는 원하는 부분에만 밝고 어두움을 정확하게 표현할 수 있으므로 이런 현상에서 자유롭습니다. ③ 빠른 응답속도 지난 시간에 LCD 구조를 설명했듯이, LCD는 기본적으로 백라이트유닛에서 빛을 만들고, 액정(Liquid Crystal)을 움직여 그 빛의 양을 조절하는 과정을 통해 화면을 구현합니다. 그래서 회로가 액정에 신호를 주고 액정 자체가 물리적으로 움직이게 하는데 시간이 필요하게 되죠. 하지만 QD디스플레이는 회로의 신호가 곧바로 QD 발광층에서 필요한 만큼 빛을 만들기 때문에 빛 조절에 필요한 시간이 매우 짧습니다. 이렇게 신호에 따라 조절되는 빛의 양으로 구현되는 화면의 변화 속도를 응답속도라고 하며, 응답속도가 늦으면 원하지 않는 잔상이 화면에 남는 현상이 발생합니다. 특히 사물의 이동이 빠른 화면(자동차 경주, 스포츠 경기 등)의 경우 잔상이 더욱 뚜렷하게 보이게 됩니다. QD디스플레이의 빠른 응답속도는 잔상 없이 깨끗한 화면을 구현할 수 있게 해 줍니다. ④ Eye Health 일반적으로 디스플레이에서 ‘블루라이트’라고 부르는 영역은 가시광선에서 파란색 빛을 내는 380~500nm(나노미터) 파장의 구간을 말합니다. 빛은 파장이 짧을수록 강한 에너지를 갖는데, 이 블루라이트 구간의 빛은 가시광선 중에서 파장이 짧은 영역이기 때문에 마찬가지로 강한 에너지를 지니고 있습니다. 특히 블루라이트 영역 중 415~455nm 구간의 파장은 눈의 피로를 높이고, 멜라토닌(수면유도 호르몬) 분비를 억제하여 수면을 방해하는 등 인체에 유해한 영향을 줄 수 있는 것으로 알려져 있어 ‘유해 블루라이트’라고 부릅니다. QD디스플레이는 인체에 유해할 수 있는 ‘유해 블루라이트’가 LCD 대비 40~50% 적고, 이는 현존하는 디스플레이 중 가장 낮은 수준입니다. QD디스플레이 자발광층의 블루광은 유해 블루라이트 비중을 크게 줄여 빛을 만들기 때문에 눈 건강의 위협으로부터 상대적으로 안전할 수 있습니다. QD디스플레이 장점 3 – 삼성디스플레이의 차별화 기술 삼성디스플레이만의 차별화된 기술에 의한 QD디스플레이의 장점으로 가장 대표적인 것은 반사율입니다. 우리는 일상생활 중 다양한 장소에서 다양한 디스플레이를 접하게 됩니다. 집안에서 TV와 모니터를, 매장에서 광고 화면을, 버스 정류장에서는 운행 정보 스크린을 보는 등 우리 생활 곳곳에서 디스플레이를 보게 되죠. 그런데 이러한 디스플레이들을 볼 때 창문을 통해 들어오는 햇빛, 천장의 전등, 매장의 조명 등 다양한 빛들이 화면에 반사되어 여러분의 시야를 방해하는 경우가 있었을 것입니다. 기본적으로 유리를 재료로 사용하는 디스플레이들은 이런 반사에 대한 문제를 태생적으로 가지고 있습니다. QD디스플레이는 삼성디스플레이의 반사 저감 기술을 통해 이런 빛 반사를 현존하는 디스플레이 중 가장 낮은 수준으로 줄여 어떤 장소에서도 보다 깨끗하고 선명한 화면을 볼 수 있게 해줍니다. 지금까지 QD디스플레이의 구조와 기술 원리 및 다른 디스플레이 대비 차별화된 장점을 소개해 드렸습니다. 보다 진화한 디스플레이 기술로 우리의 눈을 즐겁게 해 줄 QD디스플레이를 여러분과 함께 직접 만나볼 날을 기대합니다. 출처 : https://news.samsungdisplay.com/25988/
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- 작성일 2021-06-16
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- [반도체] [2020년 2월 셋째주] 반도체 뉴스
- https://www.ksia.or.kr/bbs/board.php?bo_table=SiliconTimes&wr_id=592 시장동향 1. 최근 메모리 가격 동향 https://www.ksia.or.kr/mail/20210208/1-1.pdf 2. 한국 반도체 수출입 월별 동향 https://www.ksia.or.kr/mail/20210208/1-1.pdf 3. 차량용 반도체 Capa 부족 https://www.ksia.or.kr/mail/20210208/1-1.pdf 뉴스클리핑 1. 반도체 초호황 온다…'D램·파운드리' 성장세 주목 https://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=105&oid=092&aid=0002212778 2. "반도체 품귀 반년 더 간다"…한국GM, 1週 생산계획도 못 세워 https://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=101&oid=015&aid=0004495053 3. PC·서버·클라우드發 칩수요 폭발…역대급 합종연횡 펼쳐진다 https://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=101&oid=009&aid=0004732882 4. 美, 中 반도체 굴기 ‘대만 카드’로 막는다 https://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=104&oid=037&aid=0000028700 5. 초미세공정 기술 리더십 강화…영업익 10조시대 ‘일등병기’ [SK하이닉스 M16 반도체공장 준공] https://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=101&oid=016&aid=0001787744
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- 작성일 2021-02-15
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- [디스플레이 심층탐구] QD디스플레이 기술 원리 ①
- 1829 년 독일의 물리학자 칼 브라운이 그의 이름을 딴 브라운관 디스플레이를 개발한 이후, 1940년대 미국을 시작으로 TV가 본격 양산되기 시작하면서 디스플레이 기술은 혁신적인 발전을 거듭해 왔습니다. 2000년대에 들어서면서 슬림 브라운관, 프로젝션 디스플레이, PDP, LCD 등 다양한 기술들이 시장에서 경쟁하였으나 생산성, 사이즈 다양성, 가격 경쟁력 등 다양한 면에서 우위를 차지한 LCD는 현재에도 대형 디스플레이 시장의 주류를 이루고 있습니다. 하지만 디스플레이 기술의 발전은 LCD에서 멈추지 않았고, QD(퀀텀닷), OLED, 마이크로 LED 등 다양한 신기술 개발로 이어지면서 다시 새로운 시대로의 전환을 만들어 내고 있습니다. 그 가운데 삼성디스플레이가 차세대 대형 디스플레이 기술로 개발하고 있는 QD디스플레이는 다양한 제품 경쟁력을 가지고 예전에 LCD가 그랬던 것처럼 경쟁 기술들을 누르고 왕좌에 오를 준비를 하고 있습니다. 그럼 지금부터 QD디스플레이(Quantum Dot Display)는 어떤 제품·기술이며 어떤 경쟁력을 갖추고 있는지 소개하겠습니다. QD디스플레이의 구조 및 발광 원리 QD디스플레이의 구조를 알아보기에 앞서 우리가 흔하게 볼 수 있는 LCD의 구조를 먼저 살펴보겠습니다. LCD의 구조와 비교해 보면서 QD디스플레이의 구조를 더 쉽게 이해할 수 있기 때문입니다. LCD는 자체발광 방식이 아니기 때문에 반드시 백라이트유닛(BLU; Back Light Unit)이라고 불리는 빛을 내는 광원이 필요하고, 이 광원의 빛을 효율적으로 사용하기 위해 BLU 위에 다양한 시트와 필름들을 사용합니다. 그리고 그 위에 액정(Liquid Crystal)을 조정해 주는 전자 회로 층인 박막트랜지스터(TFT; Thin Film Transistor)층, 픽셀 별로 빛의 양을 조절해주는 액정층, 빛을 RGB(Red, Green, Blue)로 분리해 주는 컬러필터(CF; Color Filter)층 그리고 빛을 한 방향으로 보내주는 편광판까지 다양한 층으로 구성되어 있습니다. 이 복잡한 층을 거치면서 빛의 효율은 현저하게 감소하며 제품은 무거워지고 두꺼워질 수 밖에 없죠. ▲ LCD와 QD디스플레이 단면 및 발광 구조 하지만 자발광 디스플레이인 QD디스플레이는 LCD보다 간단하며 효율적인 구조를 갖고 있습니다. QD디스플레이는 크게 세가지 층으로 구분되는데 첫째, 발광원층을 조정하는 전자회로인 TFT층, 둘째, Blue 빛을 내는 발광원, 셋째, 발광원인 Blue 빛을 Red, Green으로 전환해 빛을 내는 QD발광층으로 구성됩니다. ▲ 가시광선(Visible Light) 영역에서 RGB 중 가장 높은 에너지를 가진 Blue 파장 영역 QD디스플레이는 빛 에너지가 가장 강한 Blue를 발광원으로 사용하므로 상대적으로 밝은 휘도를 구현할 수 있습니다. 또한 에너지가 강한 Blue 빛은 물리학적으로 에너지가 낮은 색상의 빛을 낼 수 있기 때문에 QD소자를 활용해 다른 빛을 내도록 하는데 유리합니다. 발광원에서 발생한 빛은 또 다른 자발광층인 QD발광층에 도달하는데, 이때 Blue 빛의 에너지를 받아 QD소자가 스스로 색을 전환해 발광하게 되기 때문에 빛의 활용 효율을 극대화 할 수 있습니다. 특히 삼성디스플레이의 QD디스플레이 기술은 LCD와 달리 구조적으로 간단한 원리로 구현할 뿐만 아니라 빛을 효율적으로 활용하는 전면발광 방식이므로 빛 효율 감소가 최소화 됩니다. 그만큼 빛은 효율적으로 사용되며 제품은 가볍고 얇게 만들 수 있고, 다른 대형 디스플레이 제품들과 비교해 다양한 성능 우위를 보여줍니다. 그럼 지금부터는 QD디스플레이가 가진 뛰어난 화질과 성능에 대해 구체적으로 알아보겠습니다. QD디스플레이 장점 1 – QD에 의한 장점 QD디스플레이의 장점은 크게 QD에의한 장점, Blue 발광원에 의한 장점, 삼성디스플레이만의 차별화된 기술에 의한 장점 이렇게 세가지로 구분해 설명할 수 있습니다. 먼저 QD에의한 장점으로 꼽히는 네 가지 영역 ① Color Gamut ② Color Volume ③ 시야각 ④ 인지휘도에 대해서 알아보겠습니다. ① Color Gamut QD디스플레이의 Blue 발광원에서 생성되는 Blue 빛은 색순도가 매우 높으며, 이 빛을 받아 QD소자가 만드는 RG(Red, Green) 또한 색순도가 매우 높아집니다. 색순도가 높다는 것은 RGB 각각의 색상이 빛의 스펙트럼상 주변부의 다른 색과 섞이지 않고 최대한 정확하게 특정 파장의 빛만 생성한다는 의미입니다. 따라서 RGB가 조합해서 표현할 수 있는 색의 정확도가 높아지므로, 색 조합을 통한 색 표현의 영역도 함께 넓어진다는 것을 뜻합니다. QD디스플레이는 이러한 높은 색순도 덕분에 현존하는 디스플레이 가운데 색 표현 범위가 가장 넓은 기술 중 하나로 꼽힙니다. 세상에 어떤 디스플레이도 눈으로 보는 색을 모두 표현할 수는 없겠지만, QD디스플레이는 현재 우리가 눈으로 보는 것에 가장 가깝게 색을 보여 줄 수 있습니다. 현재 시장에 출시된 대부분의 TV는 우리 눈이 볼 수 있는 가시광선 영역의 색영역에서 70% 대 정도(BT.2020 기준)를 표현하나 QD디스플레이는 약 80~90% 수준까지 표현이 가능할 것으로 예측됩니다. 이렇게 디스플레이가 표현할 수 있는 색 영역을 표시한 것을 Color Gamut이라고 하며 QD디스플레이는 현재 가장 넓은 Color Gamut을 갖고 있습니다. ② Color Volume 그런데 실제로 디스플레이가 보여주는 화면들은 동일한 밝기가 아니라 다양한 밝기를 표현하죠. 그래서 단순히 몇%의 색영역을 표현하는가 외에도 화면 밝기에 따라 얼마나 많은 색을 표현할 수 있느냐도 상당히 중요합니다. 이렇게 밝기에 따른 색표현력을 Color Volume이라고 합니다. QD디스플레이는 어두운 색부터 밝은 색까지 어떤 밝기에서도 매우 폭 넓은 색을 표현할 수 있습니다. BT.2020 Color Volume 기준으로 일반적인 대형 디스플레이가 60% 미만 수준을 구현하나 QD디스플레이는 약 80% 이상을 표현할 수 있습니다. ③ 시야각 빛은 직진성을 가지고 있습니다. 디스플레이가 영상을 보여줄 때의 빛도 마찬가지로 직진성을 가지고 있죠. 그래서 디스플레이는 보는 각도에 따라 화면의 밝기가 달라지고 색도 바뀌게 됩니다. 이런 디스플레이의 특성 탓에 여러 명이 같이 볼 때라든가 다른 활동(요리, 운동 등)을 하며 정면이 아닌 곳에서 볼 때와 같이 여러 경우에 화질 저하를 경험하게 됩니다. 하지만 빛을 전방위로 균일하게 발광시키는 QD의 특성으로 인해 QD디스플레이는 시청 각도에 따른 화질 변화를 최소화 시킵니다. 정면에서 60도 되는 지점에서 정면의 밝기와 비교하는 정측면 휘도비가 LCD는 일반적으로 40% 미만인데 비해 QD디스플레이는 약 70% 이상으로 시야각에 따른 휘도 변화가 다른 대형 디스플레이 대비 가장 적습니다. ④ 인지 휘도 사용자가 디스플레이의 밝기를 인지 할 때, 디스플레이의 실제 물리적 밝기 뿐 만 아니라 블랙의 표현력과 색의 채도의 영향을 받게 됩니다. 이렇게 실제로 사용자가 느끼게 되는 인지적 밝기를 인지 휘도라고 합니다. 위 그림과 같이 동일한 휘도의 박스도 배경의 명암에 따라 다르게 보이는 것으로 확인할 수 있습니다. 이런 현상을 동시 대비 효과1)라고 하며, 디스플레이가 블랙을 더 잘 표현할수록 휘도가 더 밝아 보이게 됩니다. 또한 같은 휘도의 색이라고 해도 색의 종류에 따라 밝기가 다르게 느껴지며, 같은 종류의 색도 채도가 높을수록 더 밝게 느껴지는데 이런 현상을 H·K 효과2)(Helmholtz·Kohlrausch effect)라고 합니다. 위 사진을 보면 실제 디스플레이의 측정 휘도는 좌우가 큰 차이가 없습니다. 하지만 우리 눈으로 느끼기에는 오른쪽이 더 밝게 보입니다. 바로 QD디스플레이의 우수한 블랙 표현력과 폭 넓은 색 표현력이 우리로 하여금 실제 디스플레이 자체의 휘도 보다 더 밝게 인지하게 만듭니다. 지금까지 QD디스플레이란 무엇인가에 대한 첫번째 시간으로 QD디스플레이의 구조와 QD 특성으로 구현되는 QD디스플레이의 장점들을 알아보았습니다. 아직도 소개해 드릴 QD디스플레이 장점들이 많이 남아 있으므로 다음 시간에는 Blue 자발광 특성으로 구현되는 장점과 삼성디스플레이만의 차별화 기술로 구현되는 QD디스플레이의 장점을 살펴 보도록 하겠습니다. [참고 문헌] 1) Bex, Peter J., and Walter Makous. “Spatial frequency, phase, and the contrast of natural images.” JOSA A 19.6 (2002): 1096-1106. 2) Donofrio, Robert L. “The Helmholtz‐Kohlrausch effect.” Journal of the Society for Information Display 19.10 (2011): 658-664.; Nayatani, Yoshinobu. “Simple estimation methods for the Helmholtz—Kohlrausch effect.” Color Research & Application 22.6 (1997): 385-401. 출처 : http://news.samsungdisplay.com/25699
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- 작성일 2021-02-15
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- [반도체] [2020년 1월 둘째주] 반도체 뉴스
- https://www.ksia.or.kr/bbs/board.php?bo_table=SiliconTimes&wr_id=590 시장동향 1. 20년 반도체 시장 동향 및 평가 https://www.ksia.or.kr/mail/20210111/1-1.pdf 2. 20년 반도체 시장 동향 및 평가 https://www.ksia.or.kr/mail/20210111/1-1.pdf 뉴스클리핑 1. 새해에 반도체 ‘빅사이클’ 온다? 수요 느는데 재고↑ 스마트폰 시장 회복 호재, 여전한 코로나 위험… 미·중 무역갈등 변수 https://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=004&oid=009&aid=0004728963 2. 첨단메모리반도체 제조, 신성장기술 시설 적용...최대 12% 세액공제 https://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=101&oid=030&aid=0002922097 3. 반도체 파운드리 ‘슈퍼사이클’…삼성, TSMC와 격차 좁힌다 http://news.heraldm.com/view.php?ud=20210108000512&ACE_SEARCH=1 4. 한국판 뉴딜 성공 열쇠, AI·SW 10만 인재양성 본격화 https://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=sec&sid1=105&oid=366&aid=0000648065 5. '미래차·바이오헬스·반도체' BIG3에 벤처펀드 5천억 추가 조성 https://www.edaily.co.kr/news/read?newsId=02706006628915752&mediaCodeNo=257&OutLnkChk=Y
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- 작성일 2021-01-19
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- [디스플레이 심층탐구] QD(Quantum Dot)란 무엇일까? ②
- ‘QD(Quantum Dot, QD)란 무엇일까?’ 두 번째 시간. 오늘은 QD 입자의 특징과 활용 분야에 대해서 살펴보는 시간을 갖겠습니다. QD의 특징은? ① 발광 (Photoluminescence & Electroluminescence) QD의 가장 큰 특징 중 하나는 입자 크기에 따라 나타나는 색상입니다. 같은 조성으로 된 QD를 만들더라도 크기에 따라 서로 다른 색상을 나타내는 재미있는 모습을 보여줍니다. QD가 색을 내는 방법은 크게 2가지입니다. 먼저 외부로부터 빛(photon, 광자)의 형태로 특정 파장의 에너지가 주입되어 QD가 빛을 내는 경우로 ‘광 발광(PL; Photoluminescence)’이라고 합니다. 다른 하나는 양쪽 전극에서 전자와 정공의 형태로 전기적 에너지가 주입되어 QD가 빛을 내는 경우로 ‘전계 발광(EL; Electroluminescence)’이라고 합니다. 광 발광은 푸른색의 광원을 QD 입자로 쏴 주어 빨간색, 초록색 등의 빛을 내는 색 변환 물질로써 QD를 이용하는 방법으로 비교적 조절이 용이해 이미 디스플레이 산업분야에서 활발하게 적용되고 있습니다. 반면, 전계 발광의 경우 발광 특성 외에도 전기적인 특성을 조절해야 하는 어려움과 안정성 문제로 아직까지는 연구 단계에 머물고 있습니다. 이러한 발광 현상은 빛 또는 전기 에너지를 흡수한 퀀텀닷 내의 전자가 가전자대에서 전도대로 이동한 후, 그 자리에서 생긴 정공과 재결합하는 과정에서 발생합니다. QD 연구 초기에는 발광 효율이 그리 좋지 못하였는데요, 그 이유는 여기(원자의 에너지 준위가 증가) 된 전자가 발광하지 않는 다른 경로로 이동하는 경우가 많았기 때문입니다. QD의 크기가 너무 작기 때문에 입자 표면에서 완전하게 결합을 하지 못한 결함(defect)이 많이 존재하는데, 이 결함 부위로 전자가 이동할 경우 발광에 기여하지 못하게 됩니다. 이러한 표면 결함을 최소화하기 위해서 도입된 개념이 코어/쉘(core/shell) 개념입니다. 발광을 담당하는 코어를 만들고, 코어보다 좀 더 넓은 밴드갭을 가지는 물질로 표면을 감싸주게 되면 표면으로의 비 발광 현상을 줄일 수 있어 발광 효율이 획기적으로 개선됩니다. 다만 이럴 경우 코어와 쉘 사이의 격자 상수 불일치로 인한 격자 간 스트레스가 발생하는 내부 결함이 오히려 커질 수 있기 때문에, 최근에는 멀티쉘(multi-shell)의 개념으로 격자 간 결함을 최소화하면서 표면을 안정화하는 QD 재료들이 많이 연구되고 있습니다. ② 다중 엑시톤 생성 (Multiple Exciton Generation) 다중 엑시톤 생성(Multiple Exciton Generation, MEG)이란 반도체에 쏜 한 개의 광자가 한 개 이상의 전자를 전도대로 여기시키는 현상을 말합니다. 일반적으로 1개의 광자는 밴드갭을 뛰어넘는 1개의 전자만을 여기시켜 광전류를 생성하고, 여분의 광 에너지는 물질의 격자 내에서 열의 형태로 소실되는 것으로 알려져 있습니다. 하지만 다중 전하 여기가 가능한 물질의 경우 밴드갭의 두 배에 해당하는 광자가 입사되면 1개 이상의 전자를 전도대로 여기시킬 수 있으므로, 이론상으로 기존의 태양전지보다 훨씬 높은 효율을 달성할 수 있게 됩니다. 전자가 이동할 때 열이 발생하지 않고 오히려 다른 전자까지 이동시키면서 전력이 배로 늘어나는 것입니다. 다중 엑시톤 생성 현상은 PbSe(셀레늄화납) 구조에서 처음 관찰되었으며, 후에 PbS(황화납), CdS(황화카드뮴), CdSe(셀렌화카드뮴) 등의 다른 물질에서도 관찰되었습니다. 다만 발광 형태의 QD는 표면 결함을 줄이기 위해 쉘을 씌우는 반면, 태양전지용 QD에서는 원활한 전류 이동을 위해 쉘을 씌울 수 없기 때문에 표면을 안정화하는 것이 상용화를 위해 남은 과제입니다. QD는 어디에 쓰일까? ① QD 태양전지 태양전지는 태양빛을 전류로 바꿔주는 반도체 소자입니다. 좁은 밴드갭을 가지는 광 흡수체가 태양광을 흡수하여 전자-정공 엑시톤을 만들어내고, 반도체의 p-n 접합으로 인해 형성된 전기장에 의해서 빠르게 전자와 정공으로 분리가 된 후 외부 회로를 돌며 전류를 생성하는 원리입니다. 앞에서 설명했듯이, 다중 엑시톤 생성이 가능한 QD의 특별한 능력과 함께 다양한 파장의 빛을 흡수할 수 있도록 밴드갭을 조절할 수 있는 능력, 많은 광을 할 수 있는 능력(흡광 계수) 등은 QD를 태양전지에 사용할 매력적인 재료로 생각하기에 충분합니다. QD를 활용한 태양전지의 효율은 빠르게 개선되고 있습니다. 이론적으로 밴드갭보다 작은 에너지를 가지는 빛은 소자에 흡수되지 않고 투과되기에 전력 생성에 도움이 되지 못합니다. 이러한 이유로 실리콘 기반 태양전지의 이론적인 최대 효율은 33.7%에 그칩니다. 하지만 QD를 활용해 가장 큰 밴드갭을 가지는 QD를 상부에 배치하고 그보다 작은 입자를 차례로 적층하게 되면, 상부에서부터 순차적으로 높은 에너지를 가지는 빛부터 낮은 에너지를 가지는 빛까지 모두 흡수할 수 있기 때문에 전력 생성에 기여할 수 있습니다. 이러한 원리로 가능한 이론적인 QD 태양전지의 최대 효율은 열역학적 한계치인 86%에 이릅니다. QD의 표면을 안정화 시키는 기술이 발전한다면, 이론적 한계치에 근접한 초고효율의 태양전지 제작도 가능해질 것입니다. ② 바이오 이미징 (Bio-Imaging) QD에 대한 최근의 연구는 생물학적 분석 분야에서도 큰 잠재력을 보여주고 있습니다. 작은 크기의 QD는 몸 안에서 어디로든 갈 수 있기 때문에 의학 이미징, 바이오센서 등에 적합하며, 특히 종양 추적, 생체 내 세포 추적, 의학 진단, 높은 해상도의 세포 이미징 등에 널리 응용되고 있는 추세입니다. 바이오 이미징 기술이란, 세포 내에서 일어나는 다양한. 분자 수준의 변화를 영상화하는 기법으로, QD를 사용할 경우 기존에 사용되던 대표적인 이미징 물질인 유기 염료에 비해서 훨씬 뛰어난 특성을 보입니다. QD는 높은 양자 효율, 광 안정성, 그리고 발광 스펙트럼 조절 용이성을 갖고 있으며, 전통적인 형광 염료에 비해 100배나 안정적이며 밝기도 20배 이상을 보여줍니다. 극도로 민감한 세포 이미징에도 QD의 높은 광 안정성 덕분에 고해상도의 3차원 이미징이 가능해지고 있으며, 펩타이드나 항체 또는 리간드를 이용해서 특정 세포나 단백질을 추적할 수 있어 단백질이나 세포의 행동을 연구하는 데에도 쓰이고 있습니다. ③ QD디스플레이 QD의 뛰어난 광학적인 특성 덕분에 가장 먼저 응용된 분야는 디스플레이입니다. 삼성전자에서는 이미 QD가 들어간 제품들을 시장에 내놓고 있습니다. 현재 QD를 활용한 디스플레이 제품들은 백라이트(backlight) 및 화질 개선 용도에 제한적으로 사용되고 있는 편입니다만, QD를 사용하면서 화질은 상당히 개선되었습니다. ▲ 현재 상용화된 QD 기반 디스플레이 발광 구조 기존의 LCD TV 제품들은 주로 백색 LED 광원을 백라이트로 사용하였기 때문에 색순도가 다소 떨어지는 단점이 있었으나, LCD 패널과 백라이트 사이에 퀀텀닷 시트를 사용하고 청색 LED를 광원으로 사용하게 되면 녹색 및 적색의 색순도를 높이는 것이 가능해져, 소비자들이 보기에 적색은 좀 더 깊게, 녹색은 좀 더 밝게 느껴짐으로써 실제 세상에 가까운 색상을 표현하는 것이 가능해졌습니다. 현재 삼성디스플레이에서는 QD를 본격적으로 활용한 차세대 디스플레이를 준비중입니다. QD를 발광체로 사용하는 삼성디스플레이의 QD디스플레이란 무엇인지 다음 편에서 좀 더 자세히 알아보도록 하겠습니다.
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- 작성일 2020-12-28
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- [디스플레이 심층탐구] QD(Quantum Dot)란 무엇일까? ①
- QD(Quantum Dot, 양자점)란? 양자 세계, 양자 얽힘, 양자 컴퓨터…… 원자 수준의 미시적인 세계에서 일어나는 현상들에 대한 대중의 관심이 예전보다 더욱 뜨거워 진 것을 느낍니다. 특히 QD라고 하는, 수 나노미터(2~10㎚) 크기의 나노 결정에 대한 연구도 많이 이루어지고 있습니다. 수백에서 수천 개의 원자들로 이루어진 QD는 1981년 러시아 물리학자 알렉세이 아키모프(Alexey Ekimov)에 의해 처음 발견되었고, 이후 예일대학교 마크 리드(Mark Reed) 교수가 처음으로 ‘Quantum Dot(QD)’이라는 용어를 쓰기 시작했습니다. QD는 주기율표의 Ⅱ-Ⅵ족(예: CdS, CdSe) 원소 또는 Ⅲ-Ⅴ족 원소들 간의 결합으로 이루어지며, 전자(electron)와 정공(hole)의 결합으로 이루어지는 여기자(exciton)가 입자 내에 강하게 국한(confined)되는, 소위 엑시톤 보어 반지름보다 작은 입자들을 얘기합니다. 무슨 얘기인지, 다음의 이론에서 자세히 알아보겠습니다. 밴드갭(Bandgap) 이론 원자 혹은 수십 개의 원자로 구성된 분자는 여러 개의 오비탈(원자 안에 있는 전자의 궤도)로 구성된 불연속적인 에너지 준위를 가지고 있으며, 이를 양자화(quantized)되어 있다고 말합니다. 입자의 에너지가 덩어리처럼 존재하고 있다고 상상한다면 조금 쉽게 이해가 될 수 있겠습니다. 만약 좀 더 많은 원자들이 모여 거대한 고체를 이룬다고 하면, 오비탈의 개수 또한 수 없이 늘어나게 되고, 각 오비탈의 에너지 준위의 차이는 점점 작아져 연속적으로 보이는 밴드를 형성할 것입니다. 이 밴드는 전자가 존재할 수 있는 최상위 에너지 준위인 가전자대(valence band)와 전자가 비어있는 최하위 에너지 준위인 전도대(conduction band)로 나뉘어 지며, 이 두 밴드 사이의 크기를 밴드갭(bandgap)이라고 합니다. 일반적인 유기 물질은 이 밴드갭이 크기 때문에 광전기적으로 절연체의 특성을 가지는 것이며, 도체는 밴드갭이 작기 때문에 자유롭게 전자(electron)나 정공(hole)이 흐르는 특성을 가집니다. 수백에서 수천 개의 원소로 구성된 QD는 절연체와 도체의 중간적인 특성, 반도체적 특성을 나타내기 때문에 적절한 외부 자극(열, 빛, 전기 등)에 의해서 전자를 전달하거나 광을 방출하는 등의 현상을 나타냅니다. 양자 구속 효과(Quantum Confinement Effect)와 엑시톤(Exciton) 밴드갭 이론에서 보듯이, 벌크 반도체 결정은 밴드라고 하는 연속적인 에너지 준위를 가집니다. 절대온도 0K에서 가전자대는 전자로 완전히 채워져 있으며, 전도대는 완전히 비워져 있는 상태입니다. 만약 전자가 가전자대에서 밴드갭을 뛰어넘을 만큼의 충분한 에너지를 얻게 되면 (열에 의해 여기되거나 빛을 흡수하는 경우) 전도대로 여기되며, 전자가 있던 자리에는 정공(hole)이 남아있게 됩니다. 반도체 나노 결정 QD의 경우 입자의 반지름이 보어 반지름(Bohr radius)보다 작아질 경우 외부 에너지에 의해 여기된 전자가 정공과 약한 결합을 형성하게 되는데, 이러한 전자와 정공의 결합 상태를 엑시톤(exciton), 혹은 여기자라고 부릅니다. 엑시톤을 형성하는 보어 반지름을 이른바 ‘엑시톤 보어 반지름’이라고 하며, 모든 반도체 물질은 각각 특정한 엑시톤 보어 반지름 내에서 양자 구속 효과를 나타냅니다. 양자 구속 효과를 조금 쉽게 이해하기 위해서 물고기를 예로 들어볼까요? 바다에서 헤엄치는 물고기를 생각해보면, 이 물고기는 어느 방향으로든 헤엄칠 수 있는 무한한 자유도를 가지고 있습니다. 바다에서는 물고기가 몇 마리가 되든 모두 자유롭게 헤엄칠 수 있죠. 벌크 상태의 고체물질에서 전자가 어떠한 구속도 없이 자유롭게 이동할 수 있는 것은 바다의 물고기에 비유할 수 있습니다. 이번에는 수족관에서 헤엄치는 물고기를 생각해봅시다. QD 안에서의 전자가 아마 이런 상황일 텐데요, QD 안에서의 전자는 완전히 구속되어 나노 크기의 입자 내에서 어느 방향으로든 이동에 제한을 받게 될 것입니다. 수족관의 크기가 작아지면 작아질수록(즉, QD의 크기가 작아질수록), 물고기의 움직임은 극도로 제한될 것이고, 양자구속 효과는 더욱 커지게 되는 것입니다. QD의 크기가 작아질수록 양자구속 효과는 더 커지며, 가전자대에서 전도대로의 전이를 위한 밴드갭은 더 커집니다. 예를 들어, 약 5-6㎚ 크기를 가지는 QD가 빛 에너지를 흡수하여 여기되면 오렌지 또는 빨간색의 파장에 해당하는 에너지를 방출할 것이며, 이보다 작은 크기의 양자점이라면 파란색 또는 초록색 범위의 빛을 방출할 것입니다. 양자점의 크기에 따른 밴드갭과 방출 파장의 변화를 위 그림처럼 이해할 수 있습니다. 오늘은 QD 입자의 개념과 밴드갭·양자 구속 효과에 따른 기본적인 QD의 특성에 대해 알아보았습니다. 다음 편에서는 QD의 보다 자세한 특징과 활용 영역에 대해서 살펴보는 시간을 갖겠습니다.
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- 작성일 2020-12-21
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- [디스플레이] [2020년 12월 첫째주] 디스플레이 뉴스
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- 작성일 2020-12-21
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- [반도체] [2020년 12월 첫째주] 반도체 뉴스
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- 작성일 2020-12-21
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- [반도체] [2020년 9월 넷째주] 반도체 뉴스
- https://www.ksia.or.kr/bbs/board.php?bo_table=SiliconTimes&wr_id=582
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- 작성일 2020-09-22
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