수 나노미터(nm, 10억 분의 1 미터) 크기를 갖는 초미세 반도체 결정, 양자점(Quantum Dot)

크기가 나노미터만큼 작아지면, 일반 반도체 물질에서는 볼 수 없던 독특한 물리적 현상인 '양자 구속 효과(Quantum Confinement Effect)'가 나타납니다. 이로 인해 조성을 바꾸지 않고 오직 '크기'만 조절해도 밴드갭을 자유롭게 제어할 수 있어, 크기를 조절하는 것으로 물질의 전기적·광학적 성질을 자유자재로 바꾸어 흡수·발광할 수 있는 빛의 파장을 정밀하게 설계할 수 있는 차세대 광전소자 소재입니다.

양자점은 하나의 고에너지 광자로부터 두 개 이상의 전자-정공 쌍을 만들 수 있는 multiple exciton generation 효과를 나타내어 같은 양의 빛으로부터 많은 전하를 제공해줍니다. 게다가 근적외선(NIR) 및 단파장 적외선(SWIR) 영역에서도 뛰어난 광흡수 특성을 가지고 있어 태양전지, 광검출기(Photodetector), 적외선 이미징 센서 등 다양한 광전소자에 적용 가능하여, 빛 흡수를 통해 에너지를 생산하거나, 전기 신호를 발생시키는 기능을 구현할 수 있습니다. 또한 나노 크기임에도 불구하고 빛을 흡수하는 능력이 매우 뛰어나, 아주 얇은 박막 형태로도 고효율의 태양전지나 고감도 광센서를 만들 수 있어 유연하고(Flexible) 가벼운 웨어러블 구현에 최적화되어 있습니다.

양자점 연구의 중요성은 2023년 노벨화학상에서도 강조되었습니다. 양자점의 합성과 광학적 특성 제어에 대한 공로로 노벨상이 수여되었으며, 이는 나노 크기에서 물질의 성질을 정밀하게 조절할 수 있는 기술이 차세대 반도체 및 광전소자 개발에 핵심적인 역할을 한다는 점을 보여줍니다. 이러한 흐름 속에서 양자점은 기존 실리콘 반도체 기판(CMOS) 위에 용액으로 가볍게 코팅하는 방식이 가능하여, 적외선 이미지 센서의 대중화와 초소형화를 이끌 수 있는 핵심 기술로 주목받고 있습니다.  

"양자점이 여는 새로운 광의 차원. 가시광선을 넘어, 적외선까지 활용하는 차세대 광전자 기술을 설계합니다."

"양자점을 통해 차세대 태양전지와 적외선 센서의 새로운 지평을 여는 연구를 지향합니다."

Beyond Visible, Into the Infrared

Engineering Next-Generation Optoelectronics with Quantum Dots

• CEME 양자점팀 은 장파장 영역의 에너지를 활용할 수 있는 QD 태양전지 및 SWIR 광검출기 연구에 역량을 집중하고 있습니다.

입자 크기 조절을 통해 근적외선(NIR) 및 단파장 적외선(SWIR)까지 흡수 범위를 확장할 수 있어, 장파장 영역에서 흡수 한계를 가지는 실리콘 태양전지와 탠덤으로 결합될 경우 추가적인 광에너지 수확이 가능한 유망한 적외선 하부 셀 소재입니다.

또한 용액·저온 공정으로 roll-to-roll 및 대면적 인쇄 공정과의 결합이 가능해, 저가·유연·경량 태양전지를 구현함으로써 건물일체형(BIPV), 휴대용 전원, 소형 위성·드론 전원 등에서 비용과 무게 측면의 경쟁력을 제공합니다.

단파장 적외선(SWIR) 영역은 물질별 고유 흡수 특성과 높은 물체 투과성을 가져, 야간 이미징, 생체 조직 분석, 환경·가스 센싱, 반도체 공정 모니터링 등 다양한 미래 분야에서 중요합니다. 양자점 기반 SWIR 광검출기는 용액·저온 공정으로 저비용·대면적 센서 어레이 제작이 가능해 기존 고가 InGaAs 센서를 대체할 수 있는 잠재력이 크며, 파장 조절이 용이해 사용 목적에 적합한 특정 파장대에 최적화된 맞춤형 센서를 설계할 수 있다는 점에서 유망한 기술로 평가됩니다.

• CEME의 양자점 연구를 통해 미래형 반도체 소재 연구자로 성장할 수 있습니다. 

CEME 연구실에서는 PbS, AgBi, Perovskite 등의 다양한 양자점을 활용한 연구를 통해, 나노 소재 합성, 소자 구조 설계, 계면 제어, 전기·광학 특성 분석을 하나의 흐름으로 할 수 있습니다.

밴드갭 조절이 가능한 Quantum Dot 연구는 NIR/SWIR 영역까지 대응하고 용액·저온 공정에 적합해, 에너지·센서·디스플레이·바이오 등 다양한 미래 산업으로 확장 가능한 광전자 플랫폼을 제공합니다. 이를 바탕으로 소재-소자-공정을 통합적으로 이해하는 융합형 연구자로 성장하며, 실제 산업에서 요구되는 문제 정의, 공정 최적화, 데이터 기반 성능 개선 능력을 갖춘 실무형 R&D 인재로 성장할 수 있습니다. 

Advanced Energy Materials, 2025, 15(12), 2404552 (SCI IF: 26.0)

나노미터 크기의 작은 입자가 만드는 무한한 색채, 양자점(Quantum Dot)으로 기술의 한계를 넘어섭니다.

빛을 지배하는 기초 화학 합성부터 광전소자의 패러다임을 바꿀 차세대 소자 응용까지, 양자점의 고유한 가능성을 함께 증명해갈 연구자를 찾습니다.

차세대 광학 연구를 주도하며 함께 성장할 여러분이 주저없이 문을 두드리길 기다립니다

양자점의 새로운 가능성을 함께 열어가며 나노 광학 전문가로 성장할 대학원생분들의 많은 관심과 지원을 기다립니다.