Nano road
2019 CE
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
- 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.
- 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.
- 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.
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.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
내용
- 특허조사 및 특허 전략 분석
내용
- 기술 로드맵
내용
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
내용
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
내용
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
내용
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
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향후계획
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특허 출원 내용
내용
