물질의 크기를 나노미터 수준까지 줄였을 때 양자역학적 효과가 거시적인 물성에 나타나는 과정이 궁금합니다

Question

아주 얇은 금속막이나 반도체에서는 같은 물질이라도 크기가 작아지면서 전기적 특성이 달라질 수 있다고 들었습니다. 물질의 크기를 나노미터 수준까지 줄였을 때 양자역학적 효과가 거시적인 물성에 나타나는 과정이 궁금합니다

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

전자의 파동 성질 떄문에 생기는 일이에요. 전자는 입자이면서 파동처럼 행동하는데, 그 파장이 대략 수 나노미터 정도예요. 물질이 충분히 크면 전자의 파동성은 평균에 묻혀서 드러나지 않고, 우리가 아는 보통의 전기적 성질만 보여요. 그런데 물질 크기가 전자 파장과 비슷한 수준까지 줄어들면 이야기가 달라져요.

좁은 공간에 갇힌 파동은 아무 형태나 가질 수 없어요. 기타 줄이 길이에 따라 정해진 음만 내듯, 나노미터 크기 공간에 갇힌 전자도 허용된 에너지 값만 가질 수 있게 돼요. 이걸 양자 구속이라고 하는데, 공간이 좁아질수록 허용되는 에너지 간격이 벌어져요. 연속적이던 에너지가 띄엄띄엄한 계단이 되는 거죠.

이 계단이 그대로 물성으로 드러나는데, 반도체 양자점은 입자 크기만 바꿔도 에너지 간격이 달라져서 같은 물질인데 크기에 따라 빨강부터 파랑까지 다른 색으로 빛나요. QLED TV의 색이 이 원리로 만들어져요. 얇은 금속막에서는 전자가 움직일 수 있는 통로가 제한되면서 전기저항이 이 두께에 따라 계단식으로 변하기도 하고, 표면 원자 비율이 커지면서 녹는점이나 화학 반응성까지 달라져요.

그래서 재료를 바꾸지 않고 크기만으로 색과 전기 특성을 설계할 수 있고, 이게 나노기술이 주목받는 이유예요 :)