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2025년 11월 19일 (수) 17:35 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 연구에서는 기존 0차원 Quantum dot(QD)의 한계를 극복하기 위해 높은 편광도와 양자 수율을 가지는 비등방성 물질인 nanorod를 연구하고자 한다.

특히, rod-in-rod 구조의 core/shell CdSe/CdS nanorod를 합성하여 기존 QD 혹은 dot-in-rod 대비 향상된 광학적 특성을 확보하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 amine을 이용한 etching method를 활용하여 크기를 조절하고, UV-visible spectroscopy 및 photoluminescence spectroscopy 등의 분석을 통해 개선된 광학 특성을 평가한다.

본 연구를 통해 합성된 rod-in-rod 구조의 nanorod는 높은 색 순도와 색 표현력을 가지며, 크기 조절을 통해 원하는 색을 구현할 수 있어 디스플레이, 조명, 바이오 이미징 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.

개발 과제의 배경

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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

최종 목표

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

세부 목표

1. 이론적 예측

CdSe/Cds rod-in-rod 구조에서 core의 위치 변화에 따른 QY를 이론적으로 예측한다.

기존 core/shell 구조 (dot-in-rod 등)에서 core 위치에 따른 발광 특성 변화에 대한 선행 연구를 검토한다.

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

core의 위치를 mid 와 end로 제어한 두 가지 CdSe/CdS rod-in-rod 구조를 합성한다.

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

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

3. 구조 및 과학 특성 분석

STEM 분석을 통해 core 위치가 설계 의도대로 형성되었는지 확인한다.

UV-Vis 및 PL 분광 분석을 통해 core 위치 변화에 따른 발광 파장을 검증한다.

Anisotropy 분석으로 합성된 nanorod의 비등방성을 확인하고, QY 측정을 통해 광학적 안정성 및 효율을 평가한다.

과제 내용

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.

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.

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.

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.

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

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

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 ====개발 과제의 배경====
-*최근 양자점 (Quantum dot, QD)은 디스플레이, 에너지, 태양전지, 바이오 등 다양한 분야에서 각광받고 있다. 특히 QLED, QD-OLED 등 Quantum dot 디스플레이가 차세대 TV로 급부상 하면서 양자점 시장이 활발해지고 있다.
+*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.
+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.
-*양자점은 양자 구속 효과로 인해 크기에 따라 발광하는 빛의 색이 달라지며, 이러한 발광 특성으로 인해 Cd으로 대표되는 Cadmium Selenide (CdSe), Cadmium Surfide (CdS) 등의 양자점이 연구되고 있다. 하지만 기존에 사용되는 Quantum dot은 0차원의 형태로, 모든 방향에서 빛이 방출되기 때문에 방출 되는 빛 중 일부만 사용 가능하다는 단점을 가지고 있다. 따라서 이를 보완할 수 있는 높은 편광도, 양자수율과 방출강도 특성을 가지는 비등방성 물질인 nanorod를 연구하려 한다.
+*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.
-*또한 합성된 Nanorod seeds에 rod 형태의 shell을 씌워 표면결함 등을 더 보완시킨 rod-in-rod structure를 합성 후, 이를 etching시켜 원하는 크기의 rod를 만들고, 광학특성을 개선하려 한다. 이러한 방식으로 합성하게 된다면, 높은 색 순도와 색 표현이 가능해진다. etching을 통해 표면이 균일하지 않은 물질들도 균일한 표면으로 만들 수 있을 뿐만 아니라, 크기를 조절하여 방출하는 색을 선택할 수 있다.
+*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.
+*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.
+*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.
+*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====