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====개발 과제 요약====
 
====개발 과제 요약====
  
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*본 연구는 CdSe/CdS rod-in-rod 나노구조에서 core 위치 제어를 통한 광학 특성 향상을 목표로 한다.  
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*본 연구는 CdSe nanorod 구조에서 core 위치를 선택적으로 제어하며 CdS Shell을 씌움으로써, 다양한 광학 특성 비교를 목표로 한다.  
  
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*Quantum Dot(QD)은 우수한 색순도와 높은 발광 효율로 차세대 디스플레이 소재로 주목받고 있으나, 기존 dot-in-rod 구조에서는 core와 shell 간 격자 불일치와 국소적 strain 집중으로 인해 전자–정공 분리로 양자효율(QY) 및 발광 안정성 저하가 발생했다.
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*본 연구는 기존의 dot-in-rod(DIR) 구조를 발전시킨 rod-in-rod(RIR) 구조를 도입하여 strain을 c축 방향으로 분포시키고, core의 위치를 제어하여 strain – exciton energy – optical property 간 상관관계를 규명한다. 이를 위해 CdSe rod core를 합성하고, CdS shell 성장 조건을 조절하여 mid- , end-CdSe/CdS 구조를 구현한다.
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*TEM, UV-Vis, Photoluminescence Spectroscopy(PL), Quantum Yield (QY), anisotropy 분석을 통해 core 위치에 따른 광학 특성을 비교한다.  
  
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*이를 개선하기 위해, 본 연구는 rod-in-rod 구조를 도입하여 strain을 c축 방향으로 완만하게 분포시키고, core의 위치를 제어하여 strain–band gap–optical property 간 상관관계를 규명한다. 이를 위해 CdSe rod core를 합성하고, CdS shell 성장 조건을 조절하여 mid- , end-CdSe/CdS 구현한다. 이후 STEM, UV-Vis, PL, QY, anisotropy 분석을 통해 core 위치에 따른 발광 파장과 효율 변화를 검증한다.
 
  
 
*본 연구는 strain-field 공학을 기반으로 QD 발광 효율 향상 및 광학적 제어 기술을 확립하여, 차세대 고효율 QLED 및 편광 디스플레이 개발의 기반을 마련하고자 한다.
 
*본 연구는 strain-field 공학을 기반으로 QD 발광 효율 향상 및 광학적 제어 기술을 확립하여, 차세대 고효율 QLED 및 편광 디스플레이 개발의 기반을 마련하고자 한다.
  
 
====개발 과제의 배경====
 
====개발 과제의 배경====
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*Quantum Dot(QD) 은 탁월한 색순도, 높은 발광 효율, 그리고 크기 조절을 통한 파장 제어 가능성으로 인해 차세대 디스플레이 핵심 소재로 주목받고 있다. 특히 QLED, QD-OLED 등 상용화 단계의 기술이 빠르게 발전하면서, QD의 광학적 안정성과 양자 효율(Quantum Yield, QY)을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구는 QD의 발광 효율 및 광학적 제어 특성을 향상시키기 위한 구조적 접근으로 rod-in-rod 형태에서 rod seed (core)의 위치 제어를 통해 광학 특성의 조절을 시도하고자 한다.
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*Quantum Dot(QD) 은 탁월한 색 순도, 높은 발광 효율, 그리고 크기 조절을 통한 파장 제어 가능성으로 인해 차세대 디스플레이 핵심 소재로 주목받고 있다. 특히 QLED, QD-OLED 등 상용화 단계의 기술이 빠르게 발전하면서, QD의 광학적 안정성과 광학 성능을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구는 QD의 발광 효율 및 광학적 제어 특성을 향상시키기 위한 구조적 접근으로 RIR 형태에서 rod core의 위치 제어를 통해 광학 특성의 조절을 시도하고자 한다.
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*기존에는 발광 파장을 조절하기 위해 core의 크기를 변화시키는 방법이 주로 사용되었다. 그러나 core 크기 조절은 재현성이 낮고, 원하는 발광 파장을 얻기까지 많은 시간과 비용이 소요된다는 한계가 있다.  
 
  
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*최근 CdSe/CdS dot-in-rod 구조에서 core 위치에 따른 uniaxial strain을 통해 발광 파장과 QY를 조절할 수 있음이 보고되었다. Shell 성장 시 사용되는 ligand의 비율을 조절하여 core의 위치를 정밀하게 제어하는 방법은 합성 과정의 재현성을 크게 향상시킬 수 있는 접근법이다. 이러한 코어 위치 제어 기술을 통해, nanorod의 band 구조를 설계하여 광학적 성능과 QY을 보완할 수 있으며, 발광 파장 역시 원하는 방향으로 이동시킬 수 있다. 그러나 CdSe core가 dot 형태로 존재할 경우, shell과의 격자 불일치로 인해 발생하는 strain 집중은 국소적이고 비대칭으로 분포한다. 국소적인 strain 집중은 강한 strain field를 형성하며, 이에 따라 강한 압전 퍼텐셜(piezoelectric potential)이 발생한다. 이 전기장은 전자와 정공을 서로 반대 방향으로 이동시켜 공간적 거리를 증가시키고, 그 결과 electron - hole overlap integral이 감소해 QY가 저하된다. 또한, trap state 증가로 인해 비방사성 재결합이 증가하여, 발광 효율 및 광학적 안정성이 감소한다.
 
  
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*이러한 문제를 보완하기 위해서  strain이 길이 방향(c-axis)을 따라 완만한 분포를 유도할 수 있는 1차원(1D) 접근이 필요하다. rod의 c축 방향으로 strain이 가해질 경우, dot 구조에 비해 strain field가 완화되어 상대적으로 약한 압전 퍼텐셜이 형성될 것이다. 이에 따라 전자-정공의 공간적 분리 및 electron - hole overlap integral 감소가 완화되어 QY 저하가 상대적으로 억제될 것으로 예상된다. 또한, shell과의 넓은 접촉 면적으로  core-shell 간 격자 불일치가 개선되어 양자효율이 더 높아질 것으로 기대된다. 따라서 strain이 한쪽에 집중되는 dot-in-rod 구조 대신 rod-in-rod 구조에서는 이러한 장점으로 인해 양자효율이 상대적으로 더 뛰어날 것으로 판단된다.
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*최근 CdSe/CdS DIR 구조에서 core 위치에 따른 uniaxial strain을 통해 광학 특성을 조절할 수 있음이 보고되었다. Shell 성장 시 사용되는 ligand의 비율을 조절하여 core의 위치를 정밀하게 제어하는 방법은 합성 과정의 재현성을 크게 향상시킬 수 있는 접근법이다. 이러한 core 위치 제어 기술을 통해 광학적 성능을 보완할 수 있으며, 발광 파장 역시 원하는 방향으로 이동시킬 수 있다.  
  
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*Core 위치 조절에 따른 strain 세기 변화는 전자-정공 분리에 영향을 주므로, core의 c-축 위치 변화에 따라 기하학적 요인과 strain-유도 band 변형의 경쟁 효과가 발생할 것으로 예상한다. (i) rod core가 strain에 의해 물리적으로 압축되면서 diameter가 커지는 효과가 발생하면, 전자 및 정공이 갇히는 유효 부피가 커져 confinement 약화로 인해 energy band gap(Eg)가 감소하여 red-shift가 유도될 수 있다. (ii) 반대로 c-축 압축 strain에 의한 band 재배열이 우세하면, 격자 압축으로 인한 band edge 이동 및 valence band 재배열(HH/LH splitting)로 Eg가 증가하여 blue-shift가 유도될 수 있다. 이러한 상반된 경쟁 효과를 이해하고 제어함으로써, core 위치 조절을 통한 방안은 QY와 UV 흡수 파장 등 광학적 특성을 안정적이고 예측 가능하게 조절할 수 있는 효과적인 전략이 될 것이다.
 
  
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*본 연구에서는 CdSe/CdS rod-in-rod 구조에서 core의 위치 제어를 통해 strain 분포 및 전자-정공의 공간적 상호작용을 조절함으로써, 광학 특성을 제어할 수 있음을 제안한다. 기존 dot-in-rod 구조에서 발생하는 국소적 strain 집중과 비대칭적 전하 분리를 완화하기 위해, 1차원 rod 형태의 core를 도입함으로써 strain이 c-축을 따라 완만하게 분포하도록 유도한다. 이를 통해 dot-in-rod 구조보다 비방사성 재결합이 감소하고, 전자-정공의 공간적 중첩이 개선되어 QY 향상을 기대할 수 있다.  
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*RIR core 위치 조절에 따른 strain 세기 변화는 전자-정공 분리에 영향을 주므로, core의 c-축 위치 변화에 따라 기하학적 요인과 strain-유도 exciton  energy 변화의 효과가 발생할 것으로 예상한다. core 위치 조절을 통한 방안은 QY와 UV 흡수 파장 등 광학적 특성을 안정적이고 예측 가능하게 조절할 수 있는 효과적인 전략이 될 것이다. 본 연구에서는 CdSe/CdS rod-in-rod 구조에서 core의 위치 제어를 통해 strain 분포 및 전자-정공의 공간적 상호작용을 조절함으로써, 광학 특성을 제어할 수 있음을 제안한다.  
  
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*또한, core의 위치 변화에 따른 strain 변화 및 band 구조 변형은 발광 파장 이동을 결정짓는 주요 요인으로 작용한다. 즉, core의 기하학적 위치 변화와 c축 압축 strain유도로 인한 band 변형 간의 경쟁적 영향에 따른 Eg 변화를 확인하여, 이를 기반으로 발광 파장을 제어할 수 있을 것으로 예상된다. 향후에는 이러한 구조적 설계를 기반으로 외부 전기장이나 압력에 따른 동적 광학 응답 제어 등으로 연구를 확장할 수 있을 것으로 기대된다.
 
  
 
====개발 과제의 목표 및 내용====
 
====개발 과제의 목표 및 내용====
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1. 이론적 예측
 
1. 이론적 예측
  
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*  CdSe/Cds rod-in-rod 구조에서 core의 위치 변화에 따른 QY를 이론적으로 예측한다.
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*  기존 core/shell 구조 (DIR 등)에서 core 위치에 따른 발광 특성 변화에 대한 선행 연구를 검토한다.
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*  기존 core/shell 구조 (dot-in-rod 등)에서 core 위치에 따른 발광 특성 변화에 대한 선행 연구를 검토한다.  
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*  이를 바탕으로, RIR 구조에서 core의 c-축 위치 변화에 따른 발광 파장 변화 및 QY 및 UV peak 변화를 예측한다.
  
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*  이를 바탕으로, rod-in-rod 구조에서 core의 c-축 위치 변화 (mid vs end)에 따른 발광 파장 변화 및 QY 및 UV peak 변화를 예측한다.
 
  
 
2. 시료 합성
 
2. 시료 합성
  
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*  core의 위치를 mid 와 end로 제어한 두 가지 CdSe/CdS rod-in-rod 구조를 합성한다.
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*  선행 core synthesis method 논문을 바탕으로 target size의 rod core 합성 조건을 설계하고 실험을 수행한다.
  
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*  선행 seed synthesis method 논문을 바탕으로 target size의 core rod seed 합성 조건을 설계하고 실험을 수행한다.
 
  
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*  Ligand 비율과 반응 시간을 조절하여, CdS shell 성장 과정에서 core가 middle 또는 end에 위치하도록 합성 조건을 최적화한다.
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*  Ligand 비율과 반응 시간을 조절하여, CdS rod shell 성장 과정에서 core가 mid 또는 end에 위치하도록 합성 조건을 최적화한다.
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3. 구조 및 과학 특성 분석
 
3. 구조 및 과학 특성 분석
  
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*  STEM 분석을 통해 core 위치가 설계 의도대로 형성되었는지 확인한다.
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*  합성된 CdSe/CdS RIR 구조에서 core 위치에 선택적으로 금 증착 후, TEM 분석을 통해 설계 의도대로 형성되었는지 확인한다.
  
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*  UV-Vis 및 PL 분광 분석을 통해 core 위치 변화에 따른 발광 파장을 검증한다.
 
  
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*  Anisotropy 분석으로 합성된 nanorod의 비등방성을 확인하고, QY 측정을 통해 광학적 안정성 및 효율을 평가한다.  
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*  UV-Vis 및 PL 분광 분석을 통해 core 위치 변화에 따른 파장 변화를 파악한다.
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*  Anisotropy 분석으로 합성된 RIR의 anisotropy를 확인하고, QY 측정을 통해 광학적 안정성을 평가한다.
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◇<strong>과제 내용</strong>
 
◇<strong>과제 내용</strong>
  
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*본 과제의 최종 합성 목표는CdSe/CdS rod-in-rod 구조에서 core의 위치가 중간부(mid) 와 말단부(end) 에 각각 위치한 두 종류의 나노결정(nanocrystal) 을 합성하는 것이다. 이를 통해 core 위치 변화가 소자의 QY와 UV peak 에 미치는 영향을 실험적으로 규명하고자 한다. 본격적인 합성에 앞서, cort/shell 구조에서 core 위치에 따른 광학적 특성에 대한 선행 연구를 검토한다. CdSe/CdS dot-in-rod 구조에서 보고된 바에 따르면 core가 shell의 end에 위치할 경우 uniaxial strain 이 형성되어 valence band splitting에 의해 UV peak가 blue shift 되고 압전효과로 인해 QY가 감소하였다.이를 바탕으로 rod-in-rod 구조에서도 유사한 상관관계가 나타날 것으로 가정하고, 이를 검증하기 위한 합성 및 분석 절차를 수립한다.
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*본 과제의 최종 합성 목표는 CdSe/CdS RIR 구조에서 core의 위치가 mid와 end에 각각 위치한 두 종류의 nanocrystal을 합성하는 것이다. 이를 통해 core 위치 변화가 소자의 QY와 UV peak 에 미치는 영향을 실험적으로 규명하고자 한다. 본격적인 합성에 앞서, core/shell 구조에서 core 위치에 따른 광학적 특성에 대한 선행 연구를 검토한다.  
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*CdSe/CdS DIR 구조에서 보고된 바에 따르면 core가 shell의 end에 위치할 경우 uniaxial strain이 형성되어 strong piezoelectric potential을 동반하고, 흡수 및 발광 특성을 변화시킨다. 이를 바탕으로 RIR 구조에서도 유사한 상관관계가 나타날 것으로 가정하고, 이를 검증하기 위한 합성 및 분석 절차를 수립한다.
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*실험적 검증을 위해 rod 형태의 CdSe core를 합성한다. Hot injection과 dropwise 방식으로 rod core를 합성하며, diameter 3 - 5 nm 및 length 15 nm를 target size로 한다. Core 성장 시간과 dropwise 시간을 조절하여 결정 성장 속도를 제어한다. 합성한 core의 UV-Vis 흡수 스펙트럼과 TEM 분석을 통하여 core의 형태와 크기를 확인한다. 이후, core에 shell을 합성을 진행한다. 
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*합성 후 구조 확인은 core에 금 증착 후 TEM 통해 측정하며, core 위치 및 shell 두께를 시각적으로 확인한다.
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*QY, UV peak, PL 등 분광 분석 기법을 활용하여 합성한 nanocrystal에 대한 광학 특성을 정량적으로 확인한 후, 분석 데이터를 통합하여 core 위치–strain–에 따른 광학 특성 간의 상관관계를 도출한다. 이를 통해 RIR 구조에서 strain이 c-축 방향으로 가해졌을 경우에 대한 실험적 분석을 수행할 수 있으며, 이는 새로운 nanocrystal 설계 전략이 된다.  
  
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*실험적 검증을 위해 rod 형태의 CdSe core를 합성한다. Hot injection과 dropwise 방식으로로 rodseed를 합성하며,  지름 3-5 nm 길이 15 nm를 target size로 한다. Core 성장 시간과 dropwise 시간을 조절하여 결정 성장 속도를 제어한다. 합성한 core의 UV-Vis 흡수 스펙트럼과 TEM 분석을 통하여 core의 형태와 크기를 확인한다. 이후, core에 shell을 합성을 진행한다.
 
  
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*다음 단계에서는 CdSe rod core에 CdS shell 을 성장시켜 rod-in-rod 구조를 형성한다. shell 합성 과정에서 CdS 성장 전구체와 리간드의 농도 및 반응 시간을 조절하여 shell 성장 방향과 seed 위치를 제어함으로써, shell 성장 방향성을 제어한다. 이를 통해 CdSe core를 중간(Mid) 또는 끝(End)에 위치시켜 mid- CdSe/CdS 와 end-CdSe/CdS를 합성한다. 합성 후 구조 확인은 STEM을 통해 수행하며, core 위치 및 shell 두께를 시각적으로 확인한다. QY, UV peak, PL 등 분광 분석 기법을 활용하여 합성한 nano crystal에 대한 발광 특성을 정량적으로 확인한 후, 이러한 실험 결과를 선행연구 기반의 가설과 비교함으로써, rod-in-rod 구조 내에서 core 위치가 QY 및 UV peak 에 미치는 영향을 실증적으로 검증한다.
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*다음 단계에서는 CdSe rod core에 CdS shell 을 성장시켜 RIR 구조를 합성한다. Shell 합성 과정에서 CdS 성장 전구체와 ligand의 농도 및 반응 시간을 조절하여 shell 성장 방향과 core 위치를 제어함으로써, shell 성장 방식을 선택적으로 제어한다. 이를 통해 CdSe core를 mid 또는 end에 위치시킨 CdSe/CdS를 합성한다.  
  
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*모든 분석 데이터를 통합하여 core 위치–strain–optical property 간의 상관관계를 도출한다. 이를 통해 rod-in-rod 구조에서 strain이 c축 방향으로 가해졌을 경우에 대한 실험적 분석을 수행할 수 있으며, 이는 새로운 nano crystal  설계 전략이 된다. 궁극적으로 본 연구는 CdSe/CdS rod-in-rod 구조의 core 위치 제어를 통해 광학적 특성을 향상시키는 strain engineering 기반의 발광 제어 기술을 확립하는 것을 목표로 한다.
 
  
 
===관련 기술의 현황===
 
===관련 기술의 현황===

2025년 11월 30일 (일) 19:44 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 구획화 나노 물질에 대한 연구

영문 : development of segmental nano structure

과제 팀명

Nano road

지도교수

김다흰 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학부·과 20203400** 손*호(팀장)

서울시립대학교 화학공학부·과 202134000** 임*영

서울시립대학교 화학공학부·과 20229100** 한*우

서울시립대학교 국제관계학부·과 20221500** 이*영

서울시립대학교 환경원예학부·과 20205200** 임*영

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

  • 본 연구는 CdSe nanorod 구조에서 core 위치를 선택적으로 제어하며 CdS Shell을 씌움으로써, 다양한 광학 특성 비교를 목표로 한다.
  • 본 연구는 기존의 dot-in-rod(DIR) 구조를 발전시킨 rod-in-rod(RIR) 구조를 도입하여 strain을 c축 방향으로 분포시키고, core의 위치를 제어하여 strain – exciton energy – optical property 간 상관관계를 규명한다. 이를 위해 CdSe rod core를 합성하고, CdS shell 성장 조건을 조절하여 mid- , end-CdSe/CdS 구조를 구현한다.
  • TEM, UV-Vis, Photoluminescence Spectroscopy(PL), Quantum Yield (QY), anisotropy 분석을 통해 core 위치에 따른 광학 특성을 비교한다.


  • 본 연구는 strain-field 공학을 기반으로 QD 발광 효율 향상 및 광학적 제어 기술을 확립하여, 차세대 고효율 QLED 및 편광 디스플레이 개발의 기반을 마련하고자 한다.

개발 과제의 배경

  • Quantum Dot(QD) 은 탁월한 색 순도, 높은 발광 효율, 그리고 크기 조절을 통한 파장 제어 가능성으로 인해 차세대 디스플레이 핵심 소재로 주목받고 있다. 특히 QLED, QD-OLED 등 상용화 단계의 기술이 빠르게 발전하면서, QD의 광학적 안정성과 광학 성능을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구는 QD의 발광 효율 및 광학적 제어 특성을 향상시키기 위한 구조적 접근으로 RIR 형태에서 rod core의 위치 제어를 통해 광학 특성의 조절을 시도하고자 한다.


  • 최근 CdSe/CdS DIR 구조에서 core 위치에 따른 uniaxial strain을 통해 광학 특성을 조절할 수 있음이 보고되었다. Shell 성장 시 사용되는 ligand의 비율을 조절하여 core의 위치를 정밀하게 제어하는 방법은 합성 과정의 재현성을 크게 향상시킬 수 있는 접근법이다. 이러한 core 위치 제어 기술을 통해 광학적 성능을 보완할 수 있으며, 발광 파장 역시 원하는 방향으로 이동시킬 수 있다.


  • RIR core 위치 조절에 따른 strain 세기 변화는 전자-정공 분리에 영향을 주므로, core의 c-축 위치 변화에 따라 기하학적 요인과 strain-유도 exciton energy 변화의 효과가 발생할 것으로 예상한다. core 위치 조절을 통한 방안은 QY와 UV 흡수 파장 등 광학적 특성을 안정적이고 예측 가능하게 조절할 수 있는 효과적인 전략이 될 것이다. 본 연구에서는 CdSe/CdS rod-in-rod 구조에서 core의 위치 제어를 통해 strain 분포 및 전자-정공의 공간적 상호작용을 조절함으로써, 광학 특성을 제어할 수 있음을 제안한다.


개발 과제의 목표 및 내용

◇최종 목표

  • CdSe/CdS rod-in-rod 구조에서 core 위치 제어를 통한 uniaxial strain 및 광학 특성 조절

◇세부 목표

1. 이론적 예측

  • 기존 core/shell 구조 (DIR 등)에서 core 위치에 따른 발광 특성 변화에 대한 선행 연구를 검토한다.


  • 이를 바탕으로, RIR 구조에서 core의 c-축 위치 변화에 따른 발광 파장 변화 및 QY 및 UV peak 변화를 예측한다.


2. 시료 합성

  • 선행 core synthesis method 논문을 바탕으로 target size의 rod core 합성 조건을 설계하고 실험을 수행한다.


  • Ligand 비율과 반응 시간을 조절하여, CdS rod shell 성장 과정에서 core가 mid 또는 end에 위치하도록 합성 조건을 최적화한다.


3. 구조 및 과학 특성 분석

  • 합성된 CdSe/CdS RIR 구조에서 core 위치에 선택적으로 금 증착 후, TEM 분석을 통해 설계 의도대로 형성되었는지 확인한다.


  • UV-Vis 및 PL 분광 분석을 통해 core 위치 변화에 따른 파장 변화를 파악한다.


  • Anisotropy 분석으로 합성된 RIR의 anisotropy를 확인하고, QY 측정을 통해 광학적 안정성을 평가한다.


◇과제 내용

  • 본 과제의 최종 합성 목표는 CdSe/CdS RIR 구조에서 core의 위치가 mid와 end에 각각 위치한 두 종류의 nanocrystal을 합성하는 것이다. 이를 통해 core 위치 변화가 소자의 QY와 UV peak 에 미치는 영향을 실험적으로 규명하고자 한다. 본격적인 합성에 앞서, core/shell 구조에서 core 위치에 따른 광학적 특성에 대한 선행 연구를 검토한다.


  • CdSe/CdS DIR 구조에서 보고된 바에 따르면 core가 shell의 end에 위치할 경우 uniaxial strain이 형성되어 strong piezoelectric potential을 동반하고, 흡수 및 발광 특성을 변화시킨다. 이를 바탕으로 RIR 구조에서도 유사한 상관관계가 나타날 것으로 가정하고, 이를 검증하기 위한 합성 및 분석 절차를 수립한다.


  • 실험적 검증을 위해 rod 형태의 CdSe core를 합성한다. Hot injection과 dropwise 방식으로 rod core를 합성하며, diameter 3 - 5 nm 및 length 15 nm를 target size로 한다. Core 성장 시간과 dropwise 시간을 조절하여 결정 성장 속도를 제어한다. 합성한 core의 UV-Vis 흡수 스펙트럼과 TEM 분석을 통하여 core의 형태와 크기를 확인한다. 이후, core에 shell을 합성을 진행한다.
  • 합성 후 구조 확인은 core에 금 증착 후 TEM 통해 측정하며, core 위치 및 shell 두께를 시각적으로 확인한다.


  • QY, UV peak, PL 등 분광 분석 기법을 활용하여 합성한 nanocrystal에 대한 광학 특성을 정량적으로 확인한 후, 분석 데이터를 통합하여 core 위치–strain–에 따른 광학 특성 간의 상관관계를 도출한다. 이를 통해 RIR 구조에서 strain이 c-축 방향으로 가해졌을 경우에 대한 실험적 분석을 수행할 수 있으며, 이는 새로운 nanocrystal 설계 전략이 된다.


  • 다음 단계에서는 CdSe rod core에 CdS shell 을 성장시켜 RIR 구조를 합성한다. Shell 합성 과정에서 CdS 성장 전구체와 ligand의 농도 및 반응 시간을 조절하여 shell 성장 방향과 core 위치를 제어함으로써, shell 성장 방식을 선택적으로 제어한다. 이를 통해 CdSe core를 mid 또는 end에 위치시킨 CdSe/CdS를 합성한다.


관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

◇전 세계적인 기술현황

  • Sitt et al. Nano Lett., 2011은 rod-in-rod 구조를 제시하며 구조적 비등방성이 광학적 특성에 미치는 영향을 분석하고, core rod의 길이 제어를 통해 편광도를 향상시켰다. 그러나 core 위치에 따른 strain 효과에 대해서는 구체적으로 다루지 않았다.
  • Christodoulou et al. Nat. Commun., 2015은 core rod를 중앙에 배치하여 대칭 응력에 의한 밴드 구조 변화를 분석하였지만, core가 end 쪽에 위치할 경우의 strain 분포 및 전자–정공 분리에 대한 비교 연구는 부족하였다.
  • Kim et al. ACS Nano, 2022과 Jang et al. J. Chem. Phys., 2023은 dot-in-rod 구조 내에서 core 위치를 조절하여 발광 특성과 편광 특성을 제어할 수 있음을 제시하였다. 그러나 rod-in-rod 구조에서 core 위치에 따른 strain 조절 및 이에 따른 광학적 변화에 대한 연구는 아직 이루어지지 않았다.
  • 따라서 본 연구에서는 rod-in-rod 구조에서 core 위치에 따른 strain 분포 및 광학적 특성 변화를 체계적으로 분석하고자 한다. 이를 통해 나노광전자소자 설계에서 형태 기반의 밴드구조 제어 전략을 제시함으로써, 비등방성에서 우수한 특성을 가지는 rod - in - rod의 구조 및 광학 특성 간의 상관관계를 이해하며, 고효율 발광소자 개발에 기여하고자 한다.

◇특허조사

  • 퀀텀 로드 및 그 제조 방법
본 발명은 징크 산화물인 ZnO를 포함하는 코어와; 상기 코어를 감싸며 ZnS로 이루어지는 쉘을 포함하는 퀀텀 로드를 제공한다. 기존 CdSe/CdS 구조가 적색 발광만 가능했던 한계를 극복하기 위해, 밴드갭이 큰 ZnO를 코어로 사용하여 400~520nm 범위의 단파장, 즉 청색 가시광선을 방출하도록 설계되었다. 본 발명은 고효율 청색 발광 및 전기장 구동 특성이 우수한 디스플레이용 퀀텀 로드 소재를 제공한다.
  • 퀀텀 로드, 퀀텀 로드 필름 및 퀀텀 로드 표시장치
본 발명은 듀얼 코어 구조의 퀀텀 로드와 이를 이용한 표시장치에 관한 것이다. 기존 단일 코어 퀀텀 로드가 양자 효율이 높을수록 오프 특성이 저하되는 한계를 극복하기 위해, 본 발명은 이격된 두 개의 코어(제1,제2코어)를 하나의 쉘로 감싸는 구조를 제안한다. 이 듀얼 코어 퀀텀 로드는 서로 다른 크기의 코어를 사용함으로써 다색 또는 백색 발광이 가능하며, 퀀텀 로드 필름 형태로 제작되어 디스플레이와 조명 장치 등 다양한 광전자 응용에 활용될 수 있다.
  • 코어/쉘 구조의 양자막대
본 발명은 코어/쉘 구조의 양자막대에 관한 것으로, 발광 효율과 안정성을 동시에 향상시키는 구조를 제안한다. 핵심은 코어를 두 가지 반도체 입자가 혼합된 형태로 구성하고, 이 코어를 밴드갭이 더 큰 반도체(ZnS)로 이루어진 쉘이 감싸는 구조에 있다. 이러한 설계는 코어와 쉘 사이의 밴드갭 차이를 줄여 전자와 정공이 더 안정적으로 존재하게 하며, 그 결과 높은 발광 효율, 우수한 색 선명도, 화학적 안정성을 확보한다.
  • 양자 막대 표시장치 및 양자 막대의 제조방법
본 발명은 코어가 쉘의 중앙에 위치하는 양자막대 구조와 그 표시장치에 관한 것이다. 기존 보고된 양자 막대는 Shell의 형성 시 서로 다른 양쪽 성장 반응성에 의해 core가 한쪽으로 치우친 양자 막대가 형성이 된다. 이 구조는 컬러필터와 편광판 없이도 선편광된 가시광선을 방출하므로 디스플레이의 두께와 제조비용을 줄이고 광효율을 높일 수 있는 양자막대 표시장치를 구현할 수 있다.

◇특허 전략

  • 최근 Astute Analytica (2025) 보고서에 따르면, 글로벌 양자점(Quantum Dot) 시장은 2024년 99억 달러 규모에서 2033년 231억 3천만 달러로 성장할 것으로 예상되며, 2025년부터 2033년까지 연평균 9.92%의 성장을 기록할 전망이다. 또한, 양자점 기술에 대한 전 세계 R&D 투자는 2025년에 35% 증가할 것으로 예상된다. 특히, 양자점 응용 분야의 특허 출원은 전년 대비 40% 증가하여 기술 혁신의 가속화를 보여주고 있다. 디스플레이 분야는 양자점이 대표적으로 응용되고 있는 분야이다. 2024년 디스플레이용 양자점은 전 세계 시장의 66.3%를 차지하며, 프리미엄 TV 모델의 80% 이상이 QD 기술을 적용한 것으로 보고되었다.

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  • 최근 글로벌 양자점(QD) 디스플레이 기술은 고색재현율과 높은 밝기, 에너지 효율성 등의 장점을 바탕으로 차세대 디스플레이 산업의 핵심 기술로 부상하고 있다. 본 연구는 한국이 강점을 가진 QD-OLED 및 Micro-LED 분야에서 새로운 지적재산 영역을 확장하며, 향후 글로벌 특허 경쟁 속에서 국내 기술 영역 확보에 기여할 것으로 기대된다.

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개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

  • 본 연구는 rod-in-rod 구조에서 core의 위치를 정밀하게 제어하는 기술을 확립함으로써, strain-field 공학 기반의 단계적 위치 조정이 가능하게 한다. 이를 통해 기존 nano crystal에서의 단순한 size focusing이나 core/shell 구조 합성과 같은은 구조적 접근을 넘어, c축 방향의 압축을 정밀하게 조절하는 역학적 설계 접근이 가능하다. 이러한 방법은 기존 dot-in-rod 구조에서 발생하던 비대칭적인 strain 집중 문제를 완화하고, 발광 효율(Quantum Yield)과 편광 특성을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 방법의 가능성을 제시한다. .
  • 비등방성(anisotropy)을 활용한 광학 편광 제어 및 strain 완화 효과를 입증함으로써, 본 연구는 구조적 설계에 국한된 QD연구를 역학적 설계까지 확장한 새로운 소자 플랫폼을 제시한다. 이를 통해 기존 dot 형태에 한정되었던 QD 응용을 넘어, 차세대 QD-OLED 및 QD-Micro-LED 디스플레이 소자에 적용 가능한 다양한 구조적 가능성을 연다. 본 연구는 QD 기반 디스플레이의 색순도, 밝기, 에너지 효율 향상을 위한 소자 설계 연구에 기여할 수 있는 기초적 방향성을 제공한다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

  • 본 연구는 CdSe/CdS rod-in-rod 구조의 core 위치 제어 기술을 통해 발광 효율과 안정성을 향상시켜 고색재현율, 저전력 차세대 디스플레이 산업의 기술 경쟁력 강화에 기여할 수 있다. 기존 OLED 및 QD-LCD 대비 에너지 소비를 절감하고, 소자의 광열 안정성을 향상시켜 고해상도 모바일,TV,자동차용 디스플레이 시장에서 제품 수명 연장과 유지비 절감 효과를 기대할 수 있다.
  • 본 기술은 정밀한 core–shell 성장 공정 제어 기반의 나노소재 제조 기술로 확장 가능하여, 양자점 발광소자(QLED), 마이크로-LED, 광센서 및 태양전지 등 다양한 산업 분야에서 응용될 수 있다. 이는 국내 소재, 부품, 장비 산업의 수입 의존도 감소 및 고부가가치 원천소재 확보로 이어져 국가 기술 자립도 제고 및 수출 경쟁력 강화에 기여할 것이다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

개발일정완성.jpeg

구성원 및 추진체계

  • Core로 사용할 CdSe nanorod 합성 후 TEM으로 크기 측정
  • Core 위치를 mid / end로 타겟팅하여, 각자 다른 방법으로 CdS shell을 씌운 mid-CdSe/CdS 및 end-CdSe/CdS rod-in-rod 구조 합성
  • STEM 측정으로 rod-in-rod structure 크기 및 내부 코어 위치 확인
  • Anisotropy / QY / Uv absorption spectra 비교를 통해 예측했던 광학 특성 검증

실험 방법 및 결과

실험방법

  • Synthesis of CdSe Rod Seed
  1. TOPO 2 g, ODPA 0.668 g, CdO 0.128 g 플라스크에 투입
  2. 150℃에서 1시간 디게싱
  3. 질소 상태 360℃에서 Cd 이온화시키기
  4. 전구체 용액 만들기 (0.128g + 3.2 mL TOP)
  5. 260℃에서 전구체 용액 1mL hot injection 후 10분간 Qdot 성장
  6. Qdot 성장 이후 5분 30초간 Drop wise(0.3333mL/m) Rod Seed 성장
  7. quenching 후 3회 washing하여 마무리

나노 로드시드 합성.jpg

  • Synthesis of mid-CdSe/CdS Core/Shell NRs.(ODPA:HPA=4:6)
  1. TOPO 1 g, ODPA 0.104 g, CdO 0.045 g, 0.06g HPA 플라스크에 투입
  2. 150℃에서 1시간 디게싱
  3. 질소 상태 360℃에서 Cd 이온화시키기
  4. 전구체 용액 만들기 ( 1 x 10^-8 mol seed + 0.03g S + 0.7 mL TOP)
  5. 350℃에서 전구체 용액 hot injection 후 10분간 쉘 성장
  6. quenching 후 3회 washing하여 마무리
  • Synthesis of end-CdSe/CdS Core/Shell NRs.(ODPA:HPA=8.9:1.1)
  1. TOPO 1 g, ODPA 0.205 g, CdO 0.045 g, 0.01g HPA 플라스크에 투입
  2. 150℃에서 1시간 디게싱
  3. 질소 상태 360℃에서 Cd 이온화시키기
  4. 전구체 용액 만들기 ( 1 x 10^-8 mol seed + 0.03g S + 0.7 mL TOP)
  5. 350℃에서 전구체 용액 hot injection 후 10분간 쉘 성장
  6. quenching 후 3회 washing하여 마무리

나노 로드인로드 합성2.jpg

  • Gold deposition
  1. HAuCl4·3H2O (0.0036 g), DDAB (0.025 g), DDA (0.040 g)을 톨루엔 6ml 넣은 ‘conical tube'에 넣고 15분동안 초음파 처리
  2. '1'의 전구체를 40도에서 30분간 stirring
  3. 빈 50ml 삼구플라스크로 degassing 진행 후, Toluene에 분산된 10ml RIR (OD ~ 1.5 at 450nm) injection
  4. 질소환경에서 40도 30분간 stirring
  5. 금 전구체를 RIR 용액에 injection하고 45분 동안 격렬하게 stirring
  6. 반응 종료후 식힌다음, 결과물을 acetone으로 washing (acetone 10ml 6500rpm 10분)

금증착 이미지.jpg

결과

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결과 및 평가

포스터

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