한 것: 플랑크 상수 추정, 양자점 스펙트럼 분석
내용: 1. 플랑크 상수 측정 실험을 진행하여 불이 들어오기 시작할 때의 전위를 측정하였다. 광전 효과에서 최대 전자 운동 에너지는 eV=hc/λ−ϕ(금속 일함수)이므로 a=1/λ라고 하면 V=hc⋅a/e−ϕ/e가 된다. 따라서 a와 V는 일차함수와 같이 선형적 관계(직선 관계)를 가지므로 ΔV/Δa=hc/e이다. 이를 활용하여 우리조는 파장이 450nm일 때 전압이 2.5V, 파장이 650nm일 때 전압이 1.7V인 것을 이용하여 플랑크 상수를 계산하였고, 그 결과 6.24 ×10⁻³⁴J·s (오차 약 6%)라는 결과를 도출해낼 수 있었다.
2. 양자점 실험에서는 분광 광도계를 사용하여 주어진 양자점의 530nm부터 630nm사이의 흡수 스펙트럼 값을 2nm 단위로 측정하는 실험을 진행하였다. 이를 통해 532nm 파장에서 흡수 스펙트럼 최대값을 가짐을 확인하고 주어진 자료와 Eg(밴드갭 에너지)=hc/λmax(양자점의 최대 흡수 스펙트럼의 파장)이라는 식을 이용하여 지름이 약 4~5nm의 발광색이 노란색 계열인 양자점임을 알아내었다.
탐구이유:흡수 스펙트럼의 최대값과 발광 특성이 어떻게 연계될 수 있는지 의문이 들어 “관심이 있는 친구들은 흡수 최대 파장과 양자점 크기와의 관계에 대해 찾아보세요 “라는 말을 남기고 사라진 박사님의 말을 따라 추가 탐구를 하였다.
<서론>
양자점은 보통 크기가 수 나노미터(nm)에 불과한 초미세 반도체 입자를 말한다. 그렇다면 왜 굳이 반도체 입자일까? 물리학 I에서 배운 내용을 떠올려보면, 물질은 도체·부도체·반도체로 나눌 수 있다. 도체는 가전자대(valence band)와 전도대(conduction band)가 겹치거나 부분적으로 채워져 있어 전자가 자유롭게 움직일 수 있고, 부도체는 밴드갭이 너무 커서 전자가 전도대로 거의 이동하지 못한다. 반면, 반도체는 밴드갭이 존재하지만 그 크기가 상대적으로 작아 전자가 충분한 에너지를 받으면 전도대로 넘어갈 수 있다. 양자점은 방출되는 빛을 조절하는 것이 핵심인데, 이는 전자의 띠 간 전이와 직접적으로 관련된다. 따라서 전자가 자유롭게 이동해 빛을 조절할 수 없는 도체와, 전자가 거의 움직이지 못하는 부도체를 제외하고 반도체가 선택되는 것이다.
<본론>
그렇다면 왜 **점(dot)**이라고 부를까? T. Edvinsson의 연구(R. Soc. Open Sci. 2018, 5: 180387)에 따르면, 입자가 거대해 bulk 상태에 가까우면 에너지 준위가 거의 연속적이어서 전자의 운동이 자유롭고, 뚜렷하게 구분된 전자 상태를 만들 수 없다. 그러나 전자의 운동을 특정 방향으로 차단하면 양자 구속 효과(quantum confinement effect)가 나타난다. 예를 들어, 한 방향만 구속하면 양자 우물(Q-well), 두 방향을 구속하면 양자선(Q-wire), 세 방향을 모두 구속하면 양자점(Q-dot)이 된다. 이때 전자의 에너지 준위는 마치 무한 퍼텐셜 우물 속에 갇힌 것처럼 불연속적으로 나뉘게 되며, 빛의 에너지가 특정 파장에 집중되어 발광색을 조절할 수 있게 된다.
슈뢰딩거 방정식에 따르면, 전자가 방출하는 에너지는 양자점의 크기(우물 길이)의 제곱에 반비례한다. 또 빛의 에너지는 파장에 반비례하기 때문에, 결국 양자점의 크기를 조절하면 발광 파장을 조절할 수 있다. 즉, 크기가 작은 양자점은 큰 에너지를 방출해 짧은 파장(푸른색)을, 크기가 큰 양자점은 낮은 에너지를 방출해 긴 파장(붉은색)을 낸다. 이 원리를 이용하면 양자점의 발광을 가시광선 영역에서 자유롭게 제어할 수 있다.
문제는 자연계에서 다양한 크기로 존재하는 나노입자를 어떻게 균일하게 대량 합성하느냐였다. 이를 해결한 사람이 바로 Moungi Bawendi 박사이다. 그는 약 300℃의 고온 용매 속에서 전구체를 분해하여 원하는 크기의 양자점을 균일하게 합성하는 공정을 개발했다. 이 성과 덕분에 양자점은 디스플레이, 바이오 이미징 등 다양한 분야에서 실질적으로 활용될 수 있었고, Bawendi 박사는 다른 두 연구자와 함께 2023년 노벨 화학상을 수상하게 되었다.
<결론>
이제 앞에서 제시한 궁금증을 다시 한번 생각해보자. 흡수 스펙트럼이 최대라는 것은 그 부근에서 흡수율이 가장 높다는 말이므로, 양자점이 그정도의 파장을 가진 빛을 방출한다고 해석할 수 있다. 그럼 양자점이 방출하는 빛의 파장을 안다는 말이고 이는 빛의 에너지와, 즉 양자점의 크기의 제곱과 연계되면서 발광색과 양자점의 크기를 유추할 수 있는 것일 것이다.
후기:시험을 10일 남기고 이 개념을 탐구하느라 부족한 부분, 어쩌면 오개념이 있을지도 모르겠다. 하지만 그때 이해되지 않아 헤맸던 플랑크 상수 도출 방식이나 양자점 최대 흡수 스펙트럼 구하기의 의미 등을 깨달으며 탐구 경험을 의미있게 만들었다는 점에서 뜻깊었다. 또한 추후 작성할지는 모르겠지만, 화학 보고서 주제로 정하였던 페로브스카이트 태양전지와 관련된 페로브스카이트 양자점이라는 것이 존재하여 내년에나 작성할 수도 있겠다.