KR101147840B1

KR101147840B1 - 복수의 가열 영역을 가지는 양자점 제조 장치 및 양자점 제조 방법

Info

Publication number: KR101147840B1
Application number: KR1020080105368A
Authority: KR
Inventors: 정소희; 한창수; 서원식
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2008-10-27
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2012-05-21
Also published as: CN102232057B; WO2010050726A3; KR20100046507A; CN102232057A; US20110253032A1; EP2351701A2; US9085459B2; EP2351701B1; TW201029917A; EP2351701A4; TWI491557B; WO2010050726A2

Abstract

본 발명은 나노 크기의 반도체성 결정인 양자점 제조 기술에 관련된다.

양자점 제조 장치는 전구체 용액을 혼합하는 믹서와, 혼합된 전구체 용액을 가열하기 위해 온도가 서로 다른 복수의 영역을 가지는 가열부를 구비할 수 있다. 상기의 온도 영역이 다른 가열영역들 사이에는 낮은 온도로 추가적인 핵 생성을 차단하는 버퍼가 구비될 수 있다. 상기의 구조와 방법에 의해 핵 생성과 핵 성장이 분리되어 제조된 양자점의 입자의 크기의 균일성이 개선된다. 또한 동일한 온도의 단일한 가열영역을 가지는 장치 및 방법보다 양자점의 대량 생산이 가능하게 된다.

양자점, 나노 분말, 믹서, 가열로, 전구체,버퍼

Description

복수의 가열 영역을 가지는 양자점 제조 장치 및 양자점 제조 방법{apparatus and method for producing quantum dot having multiple heating area}

양자점(quantum dot)은 벌크 상태에서 반도체성 물질이 가지고 있지 않은 특별한 광학적/전기적 특성을 나타낸다. 나노 양자점은 이 같은 특성을 이용하여 차세대 고휘도 LED, 바이오센서, 레이저, 태양전지 나노 소재 등으로 주목받고 있다.

종래 이러한 양자점은 주로 실험실에서 고온의 용매에 차가운 전구체를 빠르게 주입시켜 핵을 생성하고, 온도를 가하여 성장시키는 방법으로 생산해왔다. 그러나 반응의 제어가 되지 않아 원하는 입자의 크기를 조절할 수 없고 반응량에 따라 조건이 달라져 균일성의 확보를 위한 후공정에서의 손실로 인해 극히 소량을 생산하는데 그치고 있다. 양자점의 경우 입자의 크기는 광학적/전기적인 특성에 직접적으로 영향을 미치므로, 입경의 균일성은 곧 양자점의 품질을 의미하고, 그 균일성이 일정 이하이면 양자점으로서의 특성을 잃게 되어 상업적으로 의미가 없게 된다.

미국특허 6,682,596호에는 전구체와 용매를 섞은 후 일정한 속도로 고온의 열전도성 튜브에 흘려서 양자점을 생산하는 방법을 개시하고 있다. 그러나 이 방법에 의해서도 유량을 증가시킬 경우 양자점의 크기가 불균일해져서 생산량이 극히 소량에 그치는 문제점을 여전히 가지고 있다.

본 발명은 이 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 양자점을 종래에 비해 훨씬 대량으로 생산할 수 있는 제조 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

나아가 본 발명은 입경이 균일하고 수율이 높으면서도 대량으로 양자점을 생산할 수 있는 제조 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 양자점 제조 장치는 각각이 상이한 온도 영역에서 동작하는 복수의 가열부를 구비한다.

반응기를 사용한 양자점 합성의 경우 고온으로 가열된 용매에 차가운 전구체를 과량 주입함으로써 핵이 생성됨과 동시에 온도가 떨어져 핵 생성을 어느 정도 차단한 후 열을 가해 성장이 이루어지는 방식으로 핵생성과 성장을 분리시킨다. 그러나 전구체 주입 속도, 믹싱의 효율정도, 주입 전구체의 온도 등 입경을 결정짓는 요소들의 제어가 효율적으로 이루어지지 않아 대량합성에 어려움이 있다.

연속공정으로 양자점을 합성할 때 단일의 온도로 고정된 가열로를 사용하는 양자점 제조 장치의 경우 전구체의 주입으로 인해 믹서를 지난 양자점 핵이 성장을 위한 반응온도까지 올라가는데는 많은 시간이 걸린다. 이 때 입자의 불균일성이 커지게 된다. 또한 유량을 크게 할 수록 가열로의 입구부분에서부터 출구부분까지 온도의 변화가 매우 커지게 된다. 따라서 원하는 양자점을 만들기 위해서는 성장온도를 일정하게 유지하는 구간을 크게 만들어야 하지만 낮은 온도의 양자점 핵을 포함하는 용액이 이를 어렵게 된다. 이로 인해 전체적으로 양자점의 핵생성에 있어서 균일성을 확보하기가 어려울뿐 아니라 대량으로 만들기 위해 유량을 늘일 경우 더욱 온도 변화가 심해지고 반응 조건을 조절하기가 어렵게 된다.

일반적으로 양자점의 핵 생성 온도와 핵 성장 온도는 일부 겹치지만 핵 생성 온도 대역이 핵 성장 온도 대역에 비해 높은 범위에 존재한다. 본 발명은 제 1 온도 영역의 가열부를 거치는 동안 주로 핵 생성이 일어나고, 생성된 핵이 제 2 온도 영역의 가열부를 거치는 동안 성장하면서 핵 생성과 핵 성장의 분리 정도가 개선되어 제조된 양자점의 입자의 크기의 균일성이 개선된다.

이러한 장치의 구성은 초기에 핵을 생성하는 가열부의 출구온도를 조절할 수 있으므로 이 출구온도를 그 다음 가열부의 입구온도로 맞추게 되면 그 다음 가열부는 전체 가열영역에 걸쳐 대체로 균일한 온도를 유지하기가 용이하게 되어, 핵이 성장하는 영역에서 균일한 온도유지가 가능하게 된다. 결과적으로 유속을 높여서 유량이 증가해도 첫번째 가열 영역에서 출구온도를 조절하게 되면 두 번째 가열 영역은 온도를 원하는 대로 조절할 수 있으므로 대량으로 생산할 수 있는 조건을 설정하는데 매우 유리하다.

본 발명의 또다른 양상에 따른 양자점 제조 장치는 제 1 가열 영역의 가열부와 제 2 가열 영역의 가열부 사이에 제 1 온도 영역 및 제 2 온도 영역보다 낮은 제 3 온도 영역으로 식힌 온도에서 용액을 통과시키는 버퍼를 더 구비한다.

이 같은 버퍼에 의해 양자점의 핵 생성 과정은 확실히 중단되고, 따라서 핵 생성 과정과 핵 성장 과정은 좀 더 명확히 구분되어 제조된 양자점의 입자의 크기의 균일성이 한층 더 개선된다.

구체적인 일 양상에 있어서 두개의 가열 영역이 각각 별도의 가열로로 구성될 경우 가열로의 사이에서 용액이 흐르는 배관을 대기 중에 노출시킴에 의해 이 같은 버퍼는 보다 간편하게 구현될 수 있다.

본 발명의 또다른 양상에 따르면, 하나의 가열 영역 안에서 다양한 온도 구배를 형성한다. 가열로의 열선들의 배치 구조를 통해 가열로 내부에 온도 구배를 형성할 수 있다. 이를 통해 보다 세밀하게 온도분포를 조정하여 핵 생성 및/또는 핵 성장을 효율화할 수 있다.

본 발명의 또다른 양상에 따르면, 전구체 용액들을 혼합하는 믹서는 가열된다. 이때 가열되는 온도는 양자점 생성 온도 범위인 것이 바람직하다. 또다른 양상에 따르면, 전구체 용액들을 혼합하는 믹서는 가열로 내부에 위치할 수 있다.

믹서를 상온에 유지하여도 혼합하는 과정에서 일부 양자점 핵들이 생성된다. 이는 전체적인 입자의 직경의 균일성에 악영향을 미친다. 본 발명은 믹서가 가열로 내부에 위치함으로써 최대한 핵 생성되는 시간 간격을 짧고 일정하게 유지하여 입자의 직경의 균일성을 한층 개선한다.

본 발명의 추가적인 양상에 따라서, 믹서는 내부 구간에서 제 1 가열 영역 및 제 2 가열 영역으로 나뉘어져 서로 다른 온도 영역으로 가열될 수 있다.

본 발명은 연속 공정으로 이루어지는 양자점 합성 공정에 있어서 복수의 가열 영역을 통해 양자점의 핵 생성과정과 핵 성장 과정을 분리시켜 입자의 직경이 균일하여 양자점 제조 방법의 수율을 높일 수 있다.

전술한 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 후술하는 실시예들을 통해 보다 명백해질 것이다. 이하에서는 이 같은 본 발명의 양상들을 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예들을 통해 당업자라면 누구나 용이하게 이해하고 재현할 수 있을 정도로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 양자점 제조 장치의 전체적인 구성을 대략적으로 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 양자점 제조 장치는 상이한 전구체가 용해된 복수의 전구체 용액 각각을 주입하는 펌프들(10-1, 10-2)과, 이 복수의 전구체 용액들이 혼합되는 믹서(12)와, 혼합된 전구체 용액이 통과하는 동안 각각이 상이한 온도 영역에서 동작하는 두 개의 가열부(14,16)를 포함한다.

이 가열부들은 핵 생성을 위한 제 1 온도 영역에서 동작하는 제 1 가열부(14)와, 핵을 성장시키는 제 2 온도 영역에서 동작하는 제 2 가열부(16)를 포함한다. 두 개의 가열부(14,16)는 별도의 가열로(furnace)로 구현될 수도 있고, 하나의 가열로에서 독립적으로 온도 조절 가능한 두 개의 가열 영역으로 구현될 수도 있다.

여기서 혼합된 전구체 용액이 제 1 가열부(14)를 통과하는 시간이 제 2 가열부(16)를 통과하는 시간보다 짧도록 제 1 가열부(14)가 제 2 가열부(16)에 비해 통과 길이가 짧게 형성된다.

본 실시예에 있어서, 펌프들(10-1, 10-2)은 복수의 전구체 용액 각각을 균일한 유량과 일정한 속도로 주입한다. 그러나 본 발명은 펌프들의 펌핑 속도 또는 공급하는 유량이 일정한 경우로 제한되는 것은 아니며 목적에 따라 다양하게 제어할 수 있음을 주목해야 한다.

본 실시예에 있어서 전구체(precursor) 용액들은 현재 상업적으로 활용도가 높은 Cd 전구체 용액 및 Se 전구체 용액이다. Cd 전구체 용액은 3구 플라스크에 카드뮴 염(Cadmium salt)과 스쿠알렌(Squalane) 및 올레산(Oleic acid)을 질소등 불활성 분위기하에 150℃에서 용해시킨 후, 진공분위기 100℃에서 90분간 반응시켜 카드뮴 올레산염(cadmium oleate)를 형성시키고, 수분 등 불순물을 제거한 후 상온으로 냉각시킨 전구체에 올레일라민(Oleylamine)을 넣어 완성한다. Se 전구체 용액은 TOP(Tri-n-octylphosphine) 에 셀레늄 샷(Selenium shot)을 용해시켜 TOP Se 용액을 만들고 스쿠알렌(Squalane)으로 희석시켜 준비한다.

이렇게 만들어진 두 전구체 용액은 각각 펌프(10-1, 10-2)를 통해 믹서(12)로 공급한다. 펌프(10-1,10-2)는 균일한 유량으로 공급하는 유량 펌프이다. 유량 펌프의 펌핑 속도는 통상 0.01 ~ 1000ml/min 범위이다. 그러나 본 발명이 이에 제 한되는 것은 아니다.

두 전구체 용액은 독립적인 별도의 펌프로 공급될 수도 있고, 하나의 구동원에 연결되어 동일한 유량을 공급하는 복수의 채널을 구비한 단일의 유량 펌프를 통해 공급될 수도 있다. 두 전구체 용액은 동일한 유량으로 공급될 수도 있고 상이한 유량으로 공급될 수도 있다. 전구체 비율에 따라 양자점 크기나 특성이 달라질 수 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 믹서(12)의 개략적인 구조를 도시한다. 그러나 본 발명이 반드시 이러한 종류의 믹서로 제한되는 것은 아니다. 도시된 믹서는두 전구체 용액 각각이 유입되는 두개의 입력포트(12-2, 12-4) 각각에서 다수의 미세한 경로로 분기되고(12-1), 각각의 분기된 미세한 경로가 타 입력포트에서 분기된 미세한 경로와 만난 후(12-3), 이들이 모두 취합되어(12-5) 출력포트(12-6)로 출력되는 구조로 형성된다.

입력 포트(12-2,12-4)를 지난 배관은 모두 유체역학적으로 동일한 특성을 가지는 다수의 경로로 분기된다(12-1). 따라서 입력포트에 유입된 전구체 용액은 동일한 유량을 가지는 다수의 스트림으로 나누어진다. 각 분기된 마이크로 배관들은 직경 혹은 폭이 수 마이크론, 예를 들어 2.5μm 정도의 크기를 가진다. 마이크로 배관들은 타 입력포트에서 분기된 마이크로 배관과 만난다(12-3). 이 부분에서 한 전구체 용액의 마이크로 스트림이 타 전구체 용액의 마이크로 스트림과 혼합된다.

특히 혼합 영역(12-3) 부근에서 용액이 난류(turbulence)를 형성하여 혼합이 충분히 촉진되도록 마이크로 배관들은 혼합 영역 직전에서 경로가 뒤틀어지는 형태 로 제작되는 것이 바람직하다. 두 마이크로 배관이 만나는 각도를 충분히 작게 유지하여 만나는 영역의 단면적을 최대로 확보하는 것도 중요하다. 혼합 영역에서 만난 단일의 배관은 출력 포트(12-6)로 취합된다(취합 영역, 12-5). 이미 전구체 용액들이 혼합 영역(12-3)에서 충분히 균일하게 섞였기 때문에 취합 영역(12-5)에서는 그리 특별한 구조가 요구되지 않는다.

본 명세서에서 '배관'이라는 용어는 일반적인 관 형태의 배관 뿐 아니라 유체의 흐름을 제한하는 일반적인 구조체, 예를 들면 두 금속판의 마주보는 면을 패터닝하고 이들을 합착하여 만드는 형태와 같은 일반적인 구성을 포괄하도록 해석된다.

제시된 실시예와 같은 구조의 믹서는 마이크로 배관이 일반적인 원통 배관보다는 이 같은 금속판의 패터닝을 통해 제작하는 것이 더 유리하다.

믹서의 출력 포트(12-6)에 연결된 배관(19)은 구리와 같은 열전도성이 극히 양호한 배관으로, 제 1 가열부(14), 제 2 가열부(16), 냉각부(18)를 가로질러 지나간다. 도면에서 이 배관(19)은 직선으로 도시되었으나, 가열 혹은 냉각의 효과를 높이기 위해 나선형으로 감기거나 다른 곡선 형태로 될 수도 있다.

도 1에 도시된 실시예에 있어서, 제 1 가열부(14)와 제 2 가열부(16)는 폭은 동일하지만 길이는 제 2 가열부(16)가 훨씬 길다. 도 1에 도시된 실시예에 있어서 제 1 가열부(14)는 더 높은 온도로 설정되고 길이를 짧게 만든다. 이에 따라 혼합된 전구체 용액은 고온에서 짧은 시간동안 노출된다. 핵 생성이 보다 짧은 순간동안 이루어지므로, 균일한 입경을 달성하는데 유리하다. 제 2 가열영역(16)은 상대적으로 낮은 온도로 설정되고 길이는 길다. 제 1 가열영역(14)에서 생성된 양자점 핵들은 제 2 가열영역(16)에서 용액 중에 핵을 생성하고 남아있는 잔여 전구체들에 의해 성장한다. 제 2 가열영역(16)에서의 노출 시간은 제조되는 양자점의 평균 입경과 관련된다.

본 발명자들은 종래 방법에 있어서 양자점 핵의 성장 중에 양자점 핵 생성이 계속 일어나면서 각 핵들이 성장하는 시간이 달라지고 이것이 제조되는 양자점의 입경이 불균일한 주된 원인이라는 사실을 알아냈다. 이에 따라 본 발명자들은 양자점 핵 생성과 양자점 핵 성장을 최대한 분리시키기 위해 노력했다.

본 발명의 또다른 유리한 양상에 따라, 일 실시예에 따른 양자점 제조 장치는 제 1 가열부(14)와 제 2 가열부(16) 사이에 제 1 온도 및 제 2 온도보다 낮은 제 3 온도로 식힌 온도에서 용액을 통과시키는 버퍼(17)를 더 포함한다. 도시된 실시예에 있어서, 버퍼(17)는 두 가열부(14,16) 사이에 배관(19)이 공기중에 노출되는 구간으로 구현된다. 이에 의해 버퍼영역이 아주 간단히 구현되는 장점을 가진다. 이 구간에서 배관(19) 내의 전구체 용액들은 상온에 노출되고 이에 따라 핵 생성이 실질적으로 중단된다. 버퍼(17)의 존재에 의해 핵 생성과 핵 성장은 보다 명확히 나누어진다. 그러나 버퍼(17)는 도시된 예에 한정되는 것은 아니며 보다 저온의 가열부이거나 혹은 반대로 공냉식 혹은 수냉식 냉각기일 수도 있다.

제 2 가열부에서 요구되는 크기로 성장한 양자점들은 냉각부(18)를 거치면서 핵 성장이 완전히 중단된다. 도시된 실시예에 있어서 냉각부(18)는 배관(18-1,18-2,18-3)을 통해 물 재킷으로 순환수가 공급되는 수냉식이다. 그러나 이에 한정되 지는 않으며, 공냉식 등 다양한 방식이 가능하다. 완성된 양자점들이 포함된 용액은 용기(20)로 배출된다.

도 3은 본 발명의 또다른 바람직한 일 실시예에 따른 양자점 제조 장치의 전체적인 구성을 대략적으로 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 양자점 제조 장치는 상이한 전구체가 용해된 복수의 전구체 용액 각각을 주입하는 펌프들(10-1, 10-2)과, 두 전구체 용액 각각이 혼합되는 믹서(12)와, 혼합된 전구체 용액이 통과하는 동안 제 1 온도로 가열하여 다수의 양자점 핵들을 생성하는 제 1 가열부(A)와, 용액이 통과하는 동안 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도로 가열하여 생성된 핵들을 용액의 잔여 전구체에 의해 성장시키는 제 2 가열부(B)를 포함한다. 도시된 실시예에 있어서, 펌프들은 일정한 속도로 회전하여 일정한 유량을 공급한다. 그러나 본 발명은 펌프들의 펌핑 속도 또는 공급하는 유량이 일정한 경우로 제한되는 것은 아니며 목적에 따라 다양하게 제어할 수 있음을 주목해야 한다.

도 1에 도시된 실시예와 비교할 때, 가열로(16)가 외관상 하나의 가열로로 구성된다는 점에 차이가 있다. 본 명세서에 있어서 '가열 영역' 혹은 '가열부'가 복수개 구비된다는 표현은 물리적으로 복수의 가열로(furnace)로 구성되는 경우 뿐 아니라 외관상 혹은 물리적으로 볼 때 하나의 가열로로 보여도 내부에 독립적으로 온도가 제어 가능한 뚜렷한 혹은 모호한 구획으로 나누어질 경우를 포괄하도록 정의된다. 예를 들어 물리적으로 하나의 가열부이지만 열선이 독립적으로 2개 배치되어 있다면 이 가열부 내부는 뚜렷이 구분되지는 않는 상태이지만 제 1 온도 영역에서 동작하는 제 1 가열 영역과 제 2 온도 영역에서 동작하는 제 2 가열 영역이 존재한다. 본 명세서에서는 가열부 혹은 가열 영역이 2개 존재한다는 표현은 이 같은 경우를 포괄하도록 해석된다.

도시된 실시예에 있어서 가열로(16)는 내부에 열선이 제 1 가열영역인 제 1 가열부와 제 2 가열영역인 제 2 가열부로 나뉘어 독립적으로 배치되어 있다. 두 가열부의 열적인 독립성을 강화하기 위해, 가열로(16) 내부에 단열재 격벽이 존재할 수도 있다.

이 같은 물리적인 차이점을 제외하고, 도 3에 도시된 실시예는 도 1에 도시된 실시예와 유사하다. 도 3에 도시된 실시예와 유사하게 제 1 가열부(A)는 제 2 가열부(B)보다 더 고온으로 유지된다. 또 도시된 실시예에 있어서 가열영역의 배관 방향의 길이는 제 2 가열부의 가열 영역(B)이 제 1 가열부의 가열 영역(A)보다 훨씬 길다. 각 가열영역의 길이는 제조된 양자점의 입경에 관련된다.

바람직한 제 1 가열부(14)의 가열온도는 170 ~ 380℃ 범위이다. 바람직한 제 2 가열부(16)의 가열온도는 제 260 ~ 350 ℃ 범위이다. 그러나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 양자점 핵 생성은 양자점 핵 성장에 비해 대개 높은 온도가 요구된다.

도 4는 도 3에 도시된 실시예에 있어서, 각 가열부(A, B)에서의 온도(a,c) 및 그에 따른 배관 내의 용액의 온도(b,d) 변화를 예시적으로 도시한다. 도 4에서 가열부의 온도를 그림 (a)와 같이 유지할 경우 용액의 온도변화가 그림 (b)에 도시된다. 이 온도 제어의 예에 있어서, 제 1 가열부(A)는 높은 온도로 설정되고 길이를 짧게 만든다. 이에 따라 혼합된 전구체 용액은 고온에서 짧은 시간동안 노출된 다. 핵 생성이 보다 짧은 순간동안 이루어지므로, 균일한 입경을 달성하는데 유리하다. 제 2 가열부(B)는 상대적으로 낮은 온도로 설정되고 길이는 길다. 제 1 가열부(A)에서 생성된 양자점 핵들은 제 2 가열부(B)를 지나는 동안 용액 중에 핵을 생성하고 남아있는 잔여 전구체들에 의해 성장한다. 제 2 가열부(B)에서의 노출 시간은 제조되는 양자점의 평균 입경과 관련된다.

가열부의 온도를 높게 유지하더라도 유입되는 용액에 의해 용액의 실제 온도가 서서히 높아지기 때문에(A) 제 1 가열부(A)의 출구부분에서의 용액의 온도는 제 2가열부의 온도보다 같거나 여전히 낮은 정도까지만 도달한다. 이 때 출구부분의 온도를 양자점의 반응온도로 맞추게 되면 제 2가열부는 이 온도를 유지하는 정도로 가열하면 되기 때문에 제 2가열부(B)의 온도가 제 1가열부(A)의 온도에 비해 낮은 온도가 된다. 이와 같이 장치를 구성하게 되면 제 2가열부에서 용액의 온도가 일정하게 유지되기 때문에 양자점의 성장의 정도, 즉 제조된 양자점의 입경의 균일도를 조절하기가 매우 용이하게 된다. 예를 들어, 제 2가열부 안을 지나는 관을 곡선화하여 가열 영역 내에서의 가열 구간의 길이를 늘이면 균일한 크기분포를 가지는 다양한 크기의 양자점을 대량으로 제작할 수 있다.

도 4에서 가열부의 온도를 그림 (c)와 같이 유지할 경우 용액의 온도변화가 그림 (d)에 도시된다. 이 온도 제어의 실시예에서 각각의 가열영역이 일정한 온도로 유지되는 대신 온도 구배를 가진다. 이와같은 온도구배는 가열부의 입구로 유입되는 용액이 빠른시간에 원하는 온도에 도달할 수 있도록 온도분포를 제어할 수 있는 장점을 가지게 된다.

도 5는 본 발명의 또다른 바람직한 일 실시예에 따른 양자점 제조 장치의 전체적인 구성을 대략적으로 도시한 도면이다. 도시된 실시예는 도 3에 도시된 실시예와 비교할 때, 외관상 하나로 보이는 가열로(16)의 내부가 두 개의 가열 영역으로 구분될 뿐 아니라, 그 두 개의 가열 영역 사이에 용액의 온도를 떨어뜨리는 버퍼 영역이 구비되는 점에서 상이하다. 상기와 같이 버퍼영역을 두는 것은 도 1에 도시된 실시예에서와 같이 핵생성과 양자점성장을 분리시켜 보다 정밀하게 양자점 생산을 조절하기 위한 것이다.

도 6은 도 5에 도시된 실시예에 있어서 온도 제어의 일 예를 설명하기 위한 그래프이다. 도시된 실시예에 있어서 영역(A)는 영역(B)보다 고온으로 유지되어 용액이 빨리 목표 온도에 도달하도록 한다. 한편, 이 짧고 고온인 제 1 가열 영역(A) 구간에서 핵이 생성되면 버퍼링 영역(C)에서 온도를 떨어뜨려 핵의 추가적인 생성을 차단한다. 버퍼 영역(C)에서 용액의 온도는 핵 생성 반응온도 이하로 낮아지는 것이 바람직하다. 길고 상대적으로 제 1 가열 영역(A)에 비해 저온인 제 2 가열 영역(C)에서는 생성된 핵이 잔존 전구체들에 의해 성장한다.

도 7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 양자점 제조 장치의 개략적인 구성을 도시한다. 도 1과 유사한 구성요소에는 동일한 도면부호로 인용한다. 도시된 바와 같이, 제시된 실시예에 따른 양자점 제조 장치는 믹서를 둘러싸서 믹서를 일정한 온도로 가열하는 믹서 가열부(14')를 더 포함한다. 본 실시예에 있어서, 믹서 가열부(14')는 제 1 가열부(14')와 동일한 가열부이고, 상기 믹서(12)는 제 1 가열부(14') 내에 위치한다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 믹서 가열 부는 제 1 가열부와 별도로 구비된 가열부일 수 있다. 또다른 예에 있어서 믹서 가열부는 믹서에 내장된 열선으로 구현될 수도 있다.

믹서에서 혼합되는 동안에, 비록 상온일지라도 혼합되는 양자점 핵이 생성될 수 있다. 본 실시예예에서는 믹서가 가열부(14') 내부에서 고온으로 유지되므로, 두 전구체 용액이 혼합되면서부터 핵 생성이 개시되는 순간부터 가열부(14')를 벗어나는 순간까지가 비교적 일정한 시간이 유지되므로 핵의 입경의 균일성이 개선된다.

도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 양자점 제조 장치의 개략적인 구성을 도시한다. 도 1과 유사한 구성요소에는 동일한 도면부호로 인용한다. 도시된 바와 같이, 제시된 실시예에 따른 양자점 제조 장치에서 가열부(16)는 믹서를 둘러싸서 믹서를 일정한 온도로 가열한다. 가열부(16)는 독립적으로 온도가 제어되는 제 1 가열부(A) 및 제 2 가열부(B)로 열적으로 구획된다. 두 구획 사이에 저온의 버퍼 영역이 추가될 수 있다.

도시된 실시예에 있어서, 개념적으로 믹서가 가열부 내부에 설치되는 것으로 도시되었지만, 실제에 있어서 믹서를 제조할 때 프레임 주위에 열선을 배치하여 가열부를 구현하는 것이 더 효율적일 수 있다.

도 3 또는 도 5에 도시된 전술한 실시예에 있어서와 유사하게, 도 8에 도시된 실시예에 있어서 가열부(16)는 열적으로 어느 정도 독립된 제 1 가열부(A) 및 제 2 가열부(B)의 두 가열부로 구성된다. 두 가열부 사이에는 열적인 독립을 한층 더 보장하기위해 단열재 격벽이 구비될 수 있다.

믹서에서 혼합되는 동안에, 비록 상온일지라도 혼합되는 양자점 핵이 생성될 수 있다. 본 실시예예에서는 믹서가 가열로(14') 내부에서 고온으로 유지되므로, 두 전구체 용액이 혼합되면서부터 핵 생성이 개시되는 순간부터 가열로(14')를 벗어나는 순간까지가 비교적 일정한 시간이 유지되므로 도 1이나 도 3에 도시된 실시예에 비해 핵의 입경의 균일성이 한층 더 개선될 수 있다.

도 9는 도 8에 도시된 실시예에 있어서 온도 제어의 일 예를 설명하기 위한 그래프이다. 도시된 바와 같이 믹서에서 두 전구체 용액이 혼합되는 순간에 이미 용액들은 핵 생성을 위한 온도에 근접하여 가열되어 있어, 그때부터 핵 생성이 제 1 가열부(A)에 걸쳐 이루어진다. 제 2 가열부(B)에 있어서 이들 생성된 핵들이 균일한 온도에서 일정하게 성장한다. 보다 짧은 시간 안에 목표 온도로 올리기 위해 각각의 가열 영역 내에서, 예를 들어 제 1 가열부(A)에서 온도 구배를 가지도록 제어할 수 있음은 물론이다.

도 1이나 도 7에 도시된 실시예의 경우 가열부가 물리적으로 독립되어 있으므로 제작시 조립이 용이한 점에서 장점이 있다.

이하에서는 본 발명의 일 양상에 따른 양자점 제조 방법에 대해 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점 제조 방법은 상이한 전구체가 용해된 복수의 전구체 용액을 펌핑하여 공급하는 펌핑 단계와, 각각의 전구체 용액들이 혼합되는 혼합 단계와, 혼합된 전구체 용액들이 각각 상이한 온도 영역을 가지는 복수의 가열 영역을 통과하면서 가열되는 가열 단계를 포함한다.

여기서 가열 단계는 혼합된 전구체 용액이 제 1 가열 영역을 통과하는 동안 제 1 온도 영역으로 가열되어 다수의 양자점 핵들을 생성하는 핵 생성단계와, 용액이 제 2 가열 영역을 통과하는 동안 제 2 온도 영역으로 가열되어 생성된 핵들을 용액의 잔여 전구체에 의해 성장시키는 핵 성장 단계를 포함한다.

본 실시예에 있어서, 펌핑 단계에서 복수의 전구체 용액 각각은 균일한 유량으로 공급된다. 균일한 유량이란 펌핑 속도가 일정함을 의미한다. 그러나 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며, 제조하고자 하는 양자점의 형태나 공정 목적에 따라 다양하게 유량이나 유속을 변형할 수 있다.

핵 생성 단계의 제 1 온도는 핵 성장 단계의 제 2 온도보다 높고, 핵 생성단계는 핵 성장단계보다 시간적으로 짧은 것이 바람직하다. 또한 핵 생성단계와 상기 핵 성장 단계 사이에 제 1 온도 및 제 2 온도보다 낮은 제 3 온도로 식힌 온도에서 용액을 통과시키는 버퍼링 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또다른 양상에 따라, 혼합 단계가 일정한 온도로 가열된 상태에서 진행될 수도 있다.

도 10 및 도 11은 핵생성과 성장을 분리한 경우와 분리하지 않은 경우의 양자점 합성의 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 도 11에서 흑색 그래프는 1ml/min의 유속으로 연속공정을 이용하여 카드뮴과 셀레늄 전구체 비율을 1:1로 하여 반응 시, 하나의 온도영역을 가지는 가열부를 사용하여 300℃에서 핵생성과 성장이 분리되지 않은 경우의 샘플들이다. 이 그래프에서 반응이 진행함에 따라 입경이 증가함을 알 수 있다. 도 1의 본 발명의 일 실시예에서 핵생성에 관여하는 제 1 가열부는 350℃에서, 핵성장에 관여하는 제 2 가열부는 300℃에서 합성을 실시하였다. 도 10에서 21개의 샘플에 대해 단일 가열부 및 이중 가열부를 사용한 경우 각 양자점 샘플들이 방출하는 최대 파장을 측정하였다. 양자점의 경우 방출하는 파장은 입경에 관계된다. 따라서 샘플들이 방출하는 파장이 불균일하다는 것은 입경이 불규칙하다는 것을 의미한다. 결과적으로 입경의 불균일도가 핵생성과 성장을 분리하지 않은 경우 점진적으로 증가함을 알 수 있다. 또한 핵생성과 성장을 분리시킨 경우 입경의 유지 및 균일도에서 우수한 결과를 보인다.

이상에서 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 실시예들을 중심으로 기술되었다. 하지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 누구나 도출할 수 있는 자명한 변형예들을 포괄하도록 특허청구범위를 통해 의도되었다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 양자점 제조 장치의 전체적인 구성을 대략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 믹서의 개략적인 구조를 도시한다.

도 3은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 양자점 제조 장치의 개략적인 구성을 도시한다.

도 4는 도 3에 도시된 실시예에 있어서 온도 제어의 일 예를 설명하기 위한 그래프이다.

도 5는 본 발명의 또다른 바람직한 일 실시예에 따른 양자점 제조 장치의 전 체적인 구성을 대략적으로 도시한 도면이다.

도 6은 도 5에 도시된 실시예에 있어서 온도 제어의 일 예를 설명하기 위한 그래프이다.

도 7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 양자점 제조 장치의 개략적인 구성을 도시한다.

도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 양자점 제조 장치의 개략적인 구성을 도시한다.

도 9는 도 8에 도시된 실시예에 있어서 온도 제어의 일 예를 설명하기 위한 그래프이다.

도 10 및 도 11은 핵생성과 성장을 분리한 경우와 분리하지 않은 경우의 양자점 합성의 실험 결과를 나타낸 그래프이다.

Claims

상이한 전구체가 용해된 복수의 전구체 용액 각각을 주입하는 적어도 하나의 펌프와;

상기 복수의 전구체 용액들이 혼합되는 믹서와;

혼합된 전구체 용액이 통과하는 동안 각각이 상이한 온도 영역에서 동작하는 복수개의 가열부;를 포함하되,

상기 가열부들은

핵 생성을 위한 제 1 온도 영역에서 동작하는 제 1 가열부와,

핵을 성장시키는 제 2 온도 영역에서 동작하는 제 2 가열부와,

제 1 가열부와 제 2 가열부 사이에 제 1 온도 영역 및 제 2 온도 영역보다 낮은 제 3 온도 영역으로 식힌 온도에서 용액을 통과시키는 버퍼;

를 포함하는 양자점 제조 장치.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 가열부를 통과하는 시간이 제 2 가열부를 통과하는 시간보다 짧도록 제 1 가열부가 제 2 가열부에 비해 통과 길이가 짧게 형성되는 양자점 제조 장치.
삭제
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 양자점 제조 장치가

제 2 가열부에서 배출되는 용액을 급격히 식히는 냉각부;

를 더 포함하는 양자점 제조 장치.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 복수의 가열부 중 적어도 하나가 혼합 용액이 통과하는 방향으로 온도 구배를 가지는 양자점 제조 장치.
제 1 항 또는 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 양자점 제조 장치가

상기 믹서를 둘러싸서 믹서를 일정한 온도로 가열하는 믹서 가열부;

를 더 포함하는 양자점 제조 장치.
제 7 항에 있어서, 상기 믹서 가열부는 제 1 가열부와 동일한 가열부이고, 상기 믹서는 제 1 가열부 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 양자점 제조 장치.
제 8 항에 있어서, 상기 믹서 가열부는 혼합 용액이 통과하는 방향으로 온도 구배를 가지는 양자점 제조 장치.
상이한 전구체가 용해된 복수의 전구체 용액을 펌핑하여 공급하는 펌핑 단계와;

각각의 전구체 용액들이 혼합되는 혼합 단계와;

혼합된 전구체 용액들이 각각 상이한 온도 영역을 가지는 복수의 가열 영역을 통과하면서 가열되는 가열 단계;를 포함하되,

상기 가열 단계가 :

혼합된 전구체 용액이 제 1 가열 영역을 통과하는 동안 제 1 온도 영역으로 가열되어 다수의 양자점 핵들을 생성하는 핵 생성단계와;

용액이 제 2 가열 영역을 통과하는 동안 제 2 온도 영역으로 가열되어 생성된 핵들을 용액의 잔여 전구체에 의해 성장시키는 핵 성장 단계;

상기 양자점 핵 생성단계와 상기 핵 성장 단계 사이에 제 1 온도 영역 및 제 2 온도 영역보다 낮은 제 3 온도 영역으로 식힌 온도에서 용액을 통과시키는 버퍼링 단계;

를 포함하는 양자점 제조 방법.
삭제
제 10 항에 있어서, 상기 핵 생성 단계가 상기 핵 성장 단계보다 시간적으로 짧은 양자점 제조 방법.
삭제
제 10 항에 있어서, 상기 가열 단계에서 혼합 용액은 복수의 가열 영역 중 적어도 하나를 통과할 때 통과하는 방향으로 온도 구배를 거치는 양자점 제조 방법.
제 10, 12, 14 항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 양자점 제조 방법이

상기 가열 단계 이후에 배출되는 용액을 급격히 식히는 냉각 단계;

를 더 포함하는 양자점 제조 방법.
제 10, 12, 14 항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 혼합 단계가 가열된 상태에서 진행되는 양자점 제조 방법.