"QRR"의 두 판 사이의 차이

2024년 12월 6일 (금) 01:21 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 무독성 InP 양자막대 합성..

영문 : Synthesis of Non-toxic InP Quantum Rods..

과제 팀명

QRR..

지도교수

김다흰 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 2019340025 손우형(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 2019340007 김민규

서울시립대학교 화학공학과 2019340035 이경연

서울시립대학교 화학공학과 2019340050 하늘겸

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 양자점(Quantum Dot, QD)과 양자막대(Quantum Rod)는 디스플레이, 반도체, 태양열 개발 전지판 등 다양한 분야에서 각광받는 소재이다.

◇ 양자막대는 양자점에 비해 전기적, 광학적으로 다양한 특성을 나타낸다.

◇ 현재 양자막대는 독성이 강하고 환경 오염을 야기하는 Cd을 기반으로 많이 연구되어 있다.

◇ Cd보다 독성이 약한 In을 이용해서 보다 친환경적이고 효율적인 양자막대를 만드는 방법에 대해 고안해보고자 한다.

◇ InP 양자막대가 가지는 이점과 그 제작 방법의 어려움을 알아내고, 개선 방법을 찾아내는 것이 목적이다.

개발 과제의 배경

◇ 양자점(Quantum Dot, QD)이란 수 나노미터 단위의 크기를 가지는 초미세 반도체 입자로 Bohr radius보다 작은 직경을 가지게 되면 band gap의 길이가 변화 돼, 입자의 크기에 따라 흡수 및 방출되는 파장을 조절 가능하다. 이 때, 방출되는 빛이 기존 발광체보다 색 순도와 광 안정성이 높아 디스플레이 분야에서 큰 각광을 받고 있다. 하지만 디스플레이에 적용할 때 편광판이 필요하다는 단점이 있다.

◇ 양자막대(Quantum Rod, QR)란 수 나노미터 단위의 지름과 수십 나노미터의 길이를 가지는 반도체 소재이다. 양자막대는 모든 방향에 대해 강한 양자 구속 효과가 작용하는 구 형태의 양자점과 달리, 막대 모양으로 인해 장축 방향에 대해 약한 구속 효과가 작용한다. (그림 1)[1] 이러한 양자막대는 양자점에 비해 큰 흡수 단면적, 선형적으로 편광된 방출 (그림 2)[2], 그리고 개선된 전하 분리 (그림 3) [3]와 같은 독특한 특성을 나타낸다. 또한, 고유한 양자막대의 기하학적 특성은 superparticle로의 조립이나, 이종 구조 양자막대 또는 하이브리드 구조를 제어 가능한 방식으로 증착하는 새로운 기회를 제공한다.

그림 1 (a) 장축 방향으로 약한 구속 효과가 걸리는 양자막대, (b) 모든 방향에 대해 강한 구속 효과가 걸리는 양자점

그림 2 (a) 양자 막대와 양자점의 polarization anisotropy, (b) aspect ratio에 따른 polarization anisotropy

그림 3 전기장으로 인한 electron, hole wave funtion의 overlap 감소[3]

◇ 양자막대는 양자점이 가지는 이점에 더해 선편광 된 빛을 낼 수 있다는 장점을 가져 차세대 디스플레이 소재로 주목받고 있다. 기존 상용화 된 LCD와 OLED 디스플레이의 경우 무편광 백라이트를 사용하고 편광판을 거친 50%의 빛만 사용자가 볼 수 있는데, 이는 곧 디스플레이 수명 저하와 소비전력의 증가로 이어진다. 양자막대를 이용한 선편광 LED는 이러한 문제점을 해결할 것으로 기대된다.

◇ 현재 높은 색순도 및 양자효율을 가지는 양자막대의 중심체에는 주로 Cd과 같은 중금속이 포함되는 소재를 이용하고 있다. 이는 국제 유해물질 제한지침(Restriction of Hazardous Substances, RoHS) 규정을 만족하지 못하면 많은 국가에서 판매가 금지되기 때문에 상업적으로 이용하기에 어렵다. 또한, Cd은 유독성을 가진 1군 발암물질로 인체에 치명적이다. 이와 같은 이유로 Cd-free QD에 대한 연구가 활발하다.

◇ 이에 대한 대안으로 양자막대의 중심체에 친환경적인 In을 이용하고자 한다. InP 양자점에 대한 연구는 현재 활발히 이루어지고 있으며, InP 양자막대에 대한 연구는 많이 진행되지 않았다. 우리는 이번 과제에서 InP 양자막대 제작에 대한 효율적인 메커니즘을 제시하고, 이를 디스플레이에 적용했을 때 어떤 이점이 있을지 알아볼 것이다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 양자점이 가지는 한계를 보완할 수 있는 InP 무독성 양자막대 제작을 목표로 한다.

◇ 기존 Cd 기반의 양자막대 성장 메커니즘에는 Controlled-anisotropic growth, Oriented attachment method, Solution-Liquid-Solid method, Cation exchange method가 대표적이다.

◇ 위의 메커니즘을 In 기반 양자막대 성장에 적용할 수 있는지 확인하고, 한계점을 찾는다.

◇ 최종적으로 가장 효율적이며 성능이 좋은 In 기반 양자막대 성장 메커니즘을 제안한다. 또한, 효율 및 성능을 더 높일 수 있는 방안이 있다면 제시한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술현황

◇ Quantum rods Growth mechanism

Gibbs-Volmer 이론에 따르면, 일반적으로 구형 나노결정(NC)은 다른 형태의 나노결정보다 표면 에너지가 낮아 결함이 적고 높은 안정성을 가진다. 이에 따라 Colloidal NC를 길쭉한 나노로드(NR)로 성장시키는 연구는 도전 과제가 되어 왔다. Alivisatos의 연구팀은 동적으로 제어된 이방성 성장을 통해 콜로이드 CdSe NR의 합성을 처음 보고했다. 이 발견은 콜로이드형 1차원 반도체 나노결정의 이방성 성장을 위한 새로운 길을 열었다. 이방성 제어 성장법 외에 Oriented Attachment method, Solution-Liquid-solid method, Cation Exchange method를 이용해 Rod를 합성할 수 있다.[4]

◇ 양자 막대 디스플레이

양자 막대는 높은 양자 효율과 크기 조절을 통한 발광 파장 조절, 높은 색 재현율과 색 순도 등 양자점과 유사한 특징을 가지지만, 장축 방향으로 선형 편광된 빛을 방출한다는 차이점을 가진다. 이러한 특성들을 바탕으로 차세대 디스플레이 물질도 주목받고 있다. 현재 크게 두 가지 방식으로 디스플레이에 응용되고 있다. 첫 번째는 기존 청색 발광 다이오드와 화색 형광체를 사용하는 대시, 청색 발광 다이오드와 배향된 적색, 녹색 양자막대 필름을 이용하여 백색 발광을 발색시키는 형태로 이렇게 방출된 빛은 선형 편광된 성질을 띄므로 편광판에 의한 광 손실을 줄여주는 이점을 가진다. (그림 4 – a) 두 번째는 액정 표시장치와 유기발광 다이오드의 Emissive color pixel로 적용하여, 양자 막대에 의한 색 재현율과 색 순도 증가와 비등방성 발광 특성에 의한 시야 각 증가 이점을 가진다. (그림 4 – b, c)[1]

그림 양자 막대의 디스플레이 응용 (a) 필름 형태로 백라이트에 적용,(b), (c) 액정표시장치 및 유기 발광 소자의 emissive color pixel[1]

특허조사 및 특허 전략 분석

◇ 재단법인경북과학기술원. InP/ZnS Core-Shell Quantum Dots and the Fabrication Method Thereof and their White LED Application. 10-2016-0100342. August 5, 2016 and issued February 14, 2018 ◇ 엘지디스플레이 주식회사. 양자막대 및 이의 제조방법. 10-2012-0133815, November 23, 2012 and issued June 3, 2014 ◇ 엘지디스플레이 주식회사. 양자막대 디스플레이. 10-2014-0081277, June 30, 2014 and issued January 8, 2016

기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

내용

마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 무독성 양자막대 소재 개발
    기존의 양자막대는 Cd기반 물질을 사용한다. 친환경적인 InP 양자막대를 제작하여 환경적인 문제를 해결할 수 있다. 또한, RoHS(유해물질 제한 지침) 및 환경 규제 준수를 용이하게 하여 InP 양자막대를 상용화할 수 있다.[5]

◇ 결함 감소 및 양자 효율 향상
    기존 InP 양자 막대의 주요 문제는 표면 결함과 결정 내 결함이다. 개선된 성장기법을 통해 결함을 감소시켜 과학적 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 결함 감소로 인해 양자 효율을 높여 디스플레이 및 광전자 소자로서 활용할 수 있다.

◇ InP 양자막대 성장 기술 발전
    InP 양자막대의 합성과 결함 감소를 위한 새로운 접근법을 제시함으로써, 향후 연구에 중요한 기반을 마련한다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 디스플레이 시장 발전
    InP 양자막대의 광학특성을 활용한 QLED와 같은 디스플레이 기술의 성능을 향상시키고 디스플레이 시장을 증대할 것이다.

◇ 친환경 기술 제공
    친환경 기술을 적용한 제품으로 InP 양자막대를 활용한 제품의 긍정적인 이미지를 제공하며, 글로벌 시장에서 경쟁력을 향상시키는 중요한 요소가 될 것이다.

◇ 다양한 산업으로의 확장
    InP 양자막대는 디스플레이 외에도 광학 센서, 태양광, 의료 영상 및 바이오마커 등 다양한 산업 분야에서 활용 가능할 것이다.[6]

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

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완료작품의 평가

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향후계획

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특허 출원 내용

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-그림  (a) 양자 막대와 양자점의 polarization anisotropy, (b) aspect ratio에 따른 polarization anisotropy[2]
+그림 1 (a) 장축 방향으로 약한 구속 효과가 걸리는 양자막대, (b) 모든 방향에 대해 강한 구속 효과가 걸리는 양자점
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+그림 2 (a) 양자 막대와 양자점의 polarization anisotropy, (b) aspect ratio에 따른 polarization anisotropy
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+그림 3 전기장으로 인한 electron, hole wave funtion의 overlap 감소[3]
-그림  전기장으로 인한 electron, hole wave funtion의 overlap 감소[3]