KR101286131B1 - 은 나노 입자를 함유한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 제조방법 - Google Patents

은 나노 입자를 함유한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 제조방법 Download PDF

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Abstract

유리의 제조방법을 제공한다. 본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 유리의 제조 방법은 기지 유리재에 레드설파이드 화합물 및 은 산화물을 혼합하여 기지 혼합물을 제조하는 단계와, 상기 기지 혼합물을 용융하여 유리 용융체를 제조하는 단계와, 상기 유리 용융체를 냉각시켜 유리를 제조하는 단계와, 상기 유리를 열처리하여 상기 은 산화물의 농도에 따라 크기나 분포가 조절되는 레드설파이드 양자점을 석출하는 단계와, 상기 은 산화물에 포함된 은 나노 입자를 함유한 레드설파이드(PbS) 양자점을 포함하는 유리를 완성하는 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

은 나노 입자를 함유한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 제조방법{fabrication method of silicate glass including Lead sulfide quantum dots containing silver nano-particle}
본 발명은 유리의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레드설파이드 양자점(Lead sulfide(PbS) quantum dots)을 포함하는 유리의 제조방법에 관한 것이다.
양자점(quantum dot)은 수 나노미터 크기의 반도체 입자로써, 입자의 크기에 따라 방출하는 빛의 파장이 달라지는 물질이다. 양자점이 발산하는 빛은 전도대(conduction band)에서 가전자대(valence band)로 전자가 내려오면서 발생한다. 이때 발생하는 형광(발광)은 양자점의 입자가 작을수록 짧은 파장의 빛이 발생하고, 입자가 클수록 긴 파장의 빛을 발생하게 된다.
따라서, 양자점의 크기를 조절하면 띠 간격(band gap)이 조절되어 다양한 파장의 에너지를 얻을 수 있다. 그런데, 양자점의 크기나 분포를 조절하는 것이 쉽지 않을 뿐만 아니라 공정 비용이 많이 소요된다. 또한, 양자점의 특성을 나쁘게 하지 않으면서 양자점의 크기나 분포를 조절하는 것이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 양자점의 크기나 분포를 용이하게 조절하기 위하여 창안한 것으로써, 은 나노 입자를 함유한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 유리의 제조 방법은 기지 유리재에 레드설파이드 화합물 및 은 산화물을 혼합하여 기지 혼합물을 제조하는 단계와, 상기 기지 혼합물을 용융하여 유리 용융체를 제조하는 단계와, 상기 유리 용융체를 냉각시켜 유리를 제조하는 단계와, 상기 유리를 열처리하여 상기 은 산화물의 농도에 따라 크기나 분포가 조절되는 레드설파이드 양자점을 석출하는 단계와, 상기 은 산화물에 포함된 은 나노 입자를 함유한 레드설파이드(PbS) 양자점을 포함하는 유리를 완성하는 단계를 포함하여 이루어진다.
상기 기지 유리재는 50SiO2-35Na2O-5Al2O3-10ZnO의 조성을 가지며, 상기 레드설파이드 화합물은 2ZnS-xPbO(x=0.8 내지1.0)의 조성을 가지며, 상기 은 산화물은 yAg2O(y=10 내지30 ppm)의 조성을 가질 수 있다. 은 산화물의 농도가 10ppm에서 30ppm으로 증가함에 따라, 레드설파이드 양자점의 반지름은 증가할 수 있다.
상기 유리 용융체를 냉각시켜 유리를 제조하는 단계 후에, 상기 유리를 소둔처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 유리 용융체를 냉각시키는 단계는, 상기 유리 용융체를 상온으로 급랭시켜 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 유리의 제조 방법은 기지 유리재에 레드설파이드 화합물을 혼합하여 기지 혼합물을 제조하는 단계와, 상기 기지 혼합물을 용융하여 유리 용융체를 제조하는 단계와, 상기 유리 용융체를 냉각시켜 유리를 제조하는 단계와, 상기 유리에 은 이온 주입을 실시하는 단계와, 상기 은 이온 주입된 유리를 열처리하여 상기 이온 주입된 은 농도에 따라 크기나 분포가 조절되는 레드설파이드 양자점을 석출하는 단계와, 상기 은 나노 입자를 함유한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리를 완성하는 단계를 포함한다.
상기 기지 유리재는 50SiO2-35Na2O-5Al2O3-10ZnO의 조성을 가지며, 상기 레드설파이드 화합물은 2ZnS-xPbO(x=0.8 내지 1.0)의 조성을 가질 수 있다. 상기 은 이온 주입은 AgNO3 증류수 용액이나 AgNO3-NaNO3 용융염을 이용하여 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 제조방법은 유리 내의 핵생성 보조재료로 은 나노 입자를 이용해 레드설파이드(PbS) 양자점의 크기나 분포를 조절한다.
다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 의한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 제조 방법은 은 나노 입자와 같은 핵생성 보조 재료로 레드설파이드 양자점의 석출을 조절한다. 은 나노 입자는 유리 내에서 레드설파이드 양자점 형성에 기여한다.
더욱이, 본 발명의 일 실시예에 의한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 제조방법은 은 나노 입자와 같은 핵생성 보조 재료의 첨가 양을 조절하여 레드설파이드 양자점의 크기나 분포, 즉 밀도를 제어할 수 있으며 양자점의 광 흡수 및 형광 강도를 조절할 수 있다.
본 발명의 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 제조방법은 유리 내에 형성된 레드설파이드 양자점에 보다 우수하고 균일한 특성을 부여하여 광학 소자, 포토닉스 또는 미세 광학 소자 분야에 매우 유용하게 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의해 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 의해 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 의해 제조된 은 나노 입자를 함유한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 흡수 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 본 발명의 제2 실시예에 제조된 은 나노 입자를 함유한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 단면 사진이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 의해 제조된 은 나노 입자를 함유한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 형광 스펙트럼을 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
양자점은 크기를 조절하면 띠 간격(band gap)이 조절되어 다양한 파장의 에너지를 얻을 수 있으며 이러한 효과를 양자 제한 효과(Quantum confinement effect)라고 한다. 양자 제한 효과를 이용하여 디스 플레이 장치(display apparatus), 양자점 레이저, 태양 전지, 센서, 광통신용 증폭기 등에 응용할 수 있다.
양자점의 제조 방법은 화학 합성에 의해 양자점을 형성하는 화학 합성 방법과 열처리를 통해 유리("실리케이트 글래스"라고도 함) 내에 양자점을 석출시키는 석출 방법으로 구분할 수 있다. 화학 합성 방법의 경우 양자점 합성이 용이하나 양자점이 유기 및 수용액 내에 분산되어 있기 때문에 실제 장치에는 적용하기에는 한계가 있다.
열처리를 통한 양자점 석출법은 과포화 고상 용액내에 이온 확산에 의한 열역학적 상분리 기구를 이용한다. 양자점의 원활한 확산을 위해 유리 전이점 전후의 온도에서 열처리, 즉 소둔 처리(annealing)를 진행한다. 유리내 양자점의 석출은 크게 (1) 핵생성 (2) 개별 성장 (3) 조대화의 세단계로 구분할 수 있다.
유리내에서 양자점을 석출하여 형성할 경우 우수한 기계적 강도와 화학적 안정성을 갖고 증폭기나 센서 또는 레이저 장치 등에 적용 가능한 광섬유화가 쉽다는 장점이 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예는 유리내에 양자점을 석출시켜 합성시키는 방법을 이용한다.
본 발명의 일 실시예는 유리내에 핵생성 보조재료로 은 나노 입자를 첨가시켜 양자점의 크기나 분포를 조절한다. 본 발명의 일 실시예는 유리내에 첨가되는 은 산화물의 농도를 변화시켜 양자점의 크기나 분포를 조절한다. 이렇게 할 경우, 전자 소자 및 광학 소자 제조 분야에 매우 유용하게 적용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 은 나노 입자를 함유한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 제조 방법을 제공한다. 은 혹은 반도체 재료를 단일 첨가한 유리는 비교적 제조하기 쉽다. 그러나, 은 및 반도체 재료를 복합 첨가할 경우 용해도가 매우 저하되기 때문에, 은과 반도체 재료인 레드설파이드(PbS)를 복합 첨가한 유리 제조는 어려움이 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 은의 첨가량을 극미량으로 제한하여 유리 형성을 용이하게 하고, 은의 첨가로 인한 레드설파이드 양자점 형성 영향을 조사하였다. 본 발명의 일 실시예에서, 은 나노 입자를 함유한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 제조 방법은 열처리법과 이온 주입법을 이용하여 수행하며, 다음 실시예로써 설명한다. 은의 첨가량을 더욱 증가시켜 레드설파이드 양자점을 관찰하기 위해 이온 주입법을 이용하였다.
실시예 1
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의해 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
구체적으로, 제1 실시예는 열처리를 이용하여 은 나노 입자를 함유한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 제조 방법에 관한 것이다. 기지 유리재를 준비한다(스텝 S100).
기지 유리재의 예로 Ⅳ-Ⅵ 반도체 양자점의 용해도가 높은 (최대 약 1mol%) 초기 조성 50SiO2-35Na2O-5Al2O3-10ZnO을 사용하였다. 기지 유리재는 분말 형태이며, 조성은 몰%로 표시한 것이다. 실리콘 산화물(SiO2)은 유리 망목 형성제로, 아연 산화물(ZnO)과 알루미늄 산화물(Al2O3)은 첨가제 산화물로, 소디움 카본네이트(Na2CO3)는 유리의 용융점을 낮추기 위해 각각 첨가하였다.
레드(Pb) 및 설퍼(S)를 포함하는 레드설파이드 화합물과 은 산화물을 준비한다(스텝 S120). 본 실시예에서, 레드설파이드 화합물의 예로 2ZnS-xPbO(x=0.8-1.0)을 이용하였고, 은 산화물의 예로 yAg2O (y=10 내지 30 ppm)를 이용하였다. 레드설파이드 화합물에서 PbO와 함께 PbS 대신 ZnS를 다량 첨가하여 설퍼(S)의 휘발을 억제하였다. 레드설파이드 화합물 및 은 산화물은 조성은 몰%로 표시한 것이다.
계속하여, 기지 유리재에 레드설파이드 화합물과 은 산화물을 혼합하여 기지(base) 혼합물을 제조한다(스텝 S140). 즉, 50SiO2-35Na2O-5Al2O3-10ZnO의 기지 유리재에 2ZnS-xPbO (x=0.8 내지 1.0) 조성과 yAg2O (y=10 내지 30 ppm) 조성을 첨가한 기지 혼합물을 제조한다. 본 실시예에서, 기지 혼합물은 약 12시간 동안 볼 밀(ball mill) 등에서 혼합하여 제조하였다.
기지 혼합물을 용융시켜 유리 용융체를 형성한다(스텝 S160). 본 실시예에서는 기지 혼합물을 알루미나(Al2O3) 도가니에 담고, 1300 내지 1350℃의 퍼니스(furnace, 노)에서 약 30분 내지 1시간동안 용융시켜 유리 용융체를 형성하였다.
다음에, 유리 용융체를 냉각시켜 레드설파이드 및 은이 포함된 유리를 제조한다(스텝 S180). 본 실시예에서는, 유리 용융체를 청동 주형에 부어서 청동판으로 눌러 상온으로 급랭시켜 유리를 제조하였다.
계속하여, 필요에 따라서 유리를 소둔처리할 수 있다(스텝 S190). 소둔처리는 유리 용융체의 냉각시에 유리내에 발생할 수 있는 응력을 제거하기 위한 것으로, 본 실시예에서는 유리 전이 온도보다 낮은 약 350℃에서 약 3시간 수행하고, 퍼니스에서 냉각시켰다. 앞서 설명한 바와 같이 소둔처리는 수행하지 않을 수도 있다.
이렇게 만들어진 유리를 열처리하여 유리내에 은 나노 입자 및 레드설파이드 양자점을 석출시킨다(스텝 S200). 본 실시예에서는, 은 산화물의 농도에 따른 유리 샘플을 10mm(길이)×10mm(폭)×2mm(두께)로 절단한 후, 열처리하였다.
열처리는 은 나노 입자 및 레드설파이드 양자점이 유리내에 석출될 수 있는 온도에서 수행하였다. 즉, 열처리 조건은 430 내지 500℃의 온도에서 5 내지 20시간이었다. 열처리한 후 석출된 레드설파이드 양자점의 반지름은 1 내지 8nm의 크기 분포를 가졌다. 은의 첨가로 인해 흡수(흡광) 계수와 형광 강도는 모두 증가하였다.
은 20ppm을 첨가한 유리에서는 460℃에서 10시간 열처리시 365nm에서 흡수가 나타나기 시작했다. 이 흡수 데이터는 은이 유리 재료 내에서 Ag7, Ag9 등의 은 클러스터를 형성하며 이 나노 클러스터가 레드설파이드 양자점 형성에 큰 영향을 미친다는 증거로 볼 수 있다. 은 나노 클러스터는 레드설파이드 양자점의 형성을 촉진하며 광학 효과를 향상시키는 것으로 생각된다.
아래 표 1은 은의 첨가량에 따른 흡수 파장(λabs), 흡수 계수(α), 양자점 크기(반지름)의 계산값(R)의 일부를 나타낸 것이다.
열처리
온도
(℃)		 λabs(nm) α(cm-1) R(nm)
0ppm 10ppm 20ppm 0ppm 10ppm 20ppm 0ppm 10ppm 20ppm
440 695 702 751 0.05 0.14 0.48 1.2 1.2 1.4
450 783 793 841 0.16 0.29 0.94 1.4 1.5 1.6
460 976 978 977 0.28 0.71 1.91 1.9 1.9 1.9
470 1232 1235 1256 0.75 1.42 3.65 2.4 2.4 2.5
480 1580 1587 1583 1.00 2.10 5.05 3.4 3.4 3.4

표 1에 보듯이, 460℃ 및 10시간 열처리 시편의 경우 은의 첨가로 인한 흡수 계수의 증가가 매우 크며, 이러한 경향은 다른 열처리 조건에서도 유사하게 나타난다. 흡수 계수는 양자점의 형성 밀도와 밀접하게 연관되어 있으며, 은의 첨가로 인해 양자점의 농도가 증가하였음을 알 수 있다. 또한, 은 산화물의 농도가 10ppm에서 20ppm으로 증가함에 따라, 레드설파이드 양자점의 반지름은 증가할 수 있다. 물론, 표 1에 도시하지는 않았지만 은 산화물의 농도가 30ppm으로 증가할 경우 레드설파이드 양자점의 반지름은 더 증가한다.
삭제
최종적으로, 열처리를 통해 은 나노 입자 및 레드설파이드 양자점이 석출되면, 은 나노 입자를 함유한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리가 완성된다(스텝 S220).
실시예 2
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 의해 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
구체적으로, 제2 실시예는 이온 주입법을 이용하여 은 나노 입자를 함유한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 제조 방법에 관한 것이다. 제1 실시예와 같이 기지 유리재를 준비한다(스텝 S300). 다시 말해, 기지 유리재는 제1 실시예의 스텝 100과 동일하게 재료로 준비한다.
레드(Pb) 및 설퍼(S)를 포함하는 레드설파이드 화합물을 준비한다(스텝 S320). 본 실시예에서, 레드설파이드 화합물의 예로 제1 실시예와 같이 2ZnS-xPbO(x=0.8-1.0)을 이용한다. 레드설파이드 화합물에서 PbO와 함께 PbS 대신 ZnS를 다량 첨가하여 설퍼(S)의 휘발을 억제하였다. 레드설파이드 화합물은 조성은 몰%로 표시한 것이다.
계속하여, 기지 유리재에 레드설파이드 화합물을 혼합하여 기지(base) 혼합물을 제조한다(스텝 S340). 즉, 50SiO2-35Na2O-5Al2O3-10ZnO의 기지 유리재에 2ZnS-xPbO (x=0.8 내지1.0) 조성을 첨가한 기지 혼합물을 제조한다. 본 실시예에서, 기지 혼합물은 약 12시간 동안 볼 밀(ball mill) 등에서 혼합하여 제조하였다.
기지 혼합물을 용융시켜 유리 용융체를 형성한다(스텝 S360). 본 실시예에서는 기지 혼합물을 알루미나(Al2O3) 도가니에 담고, 1300 내지 1350℃의 퍼니스(furnace, 노)에서 약 30분 내지 1시간동안 용융시켜 유리 용융체를 형성하였다.
다음에, 유리 용융체를 냉각시켜 레드설파이드가 포함된 유리를 제조한다(스텝 S380). 본 실시예에서는, 유리 용융체를 청동 주형에 부어서 청동판으로 눌러 상온으로 급랭시켜 유리를 제조하였다.
계속하여, 필요에 따라서 레드 설파이드가 포함된 유리를 소둔처리할 수 있다(스텝 390). 소둔처리는 유리 용융체의 냉각시에 유리내에 발생할 수 있는 응력을 제거하기 위한 것으로, 본 실시예에서는 유리 전이 온도보다 낮은 약 350℃에서 약 3시간 수행하고, 퍼니스에서 냉각시켰다. 앞서 설명한 바와 같이 소둔처리는 수행하지 않을 수도 있다.
레드설파이드가 포함된 유리에 은 용액으로 은 이온 주입을 실시한다(스텝 S400). 즉, 유리를 10mm×10mm×2mm 크기로 잘라 광학 폴리싱 후, AgNO3 용액 혹은 AgNO3-NaNO3 용융염으로 이온주입을 시행하였다.
AgNO3의 경우 증류수로 0.5 내지 10 mol/L의 농도로 희석한 용액에서 20 내지 90℃ 및 5 내지 50시간 이온 주입을 시행하였다. 유리내 은 이온 주입층은 50 내지 1000nm까지 나타났다. AgNO3-NaNO3 용융염의 경우, AgNO3의 농도는 0.5 내지 5mol/L로 조절하였고 이온 주입 온도는 310 내지 330℃, 시간은 1 내지 30분 조건 하에서 이온 주입을 시행하였다. 이렇게 될 경우, 은 이온 주입층은 1 내지 10㎛로 나타났다.
이렇게 만들어진 유리를 열처리하여 유리내에 은 나노 입자 및 레드설파이드 양자점을 석출시킨다(스텝 S420). 은 이온 주입을 끝낸 시편은 은 나노 입자 및 레드설파이드 양자점을 석출시키기 위해 열처리를 진행하였다. 열처리는 400 내지 500℃의 온도에서 5 내지 20시간 동안 진행하였다.
레드설파이드 양자점의 반지름은 1 내지 10nm 범위로 나타났다. 은 이온 주입층과 미주입층에서 양자점의 성장 양상이 다르게 나타났는데, 은 이온 주입층에서 양자점의 크기가 더 크게 나타났으며 크기에 따라 크게 두 부류의 양자점군으로 나뉘었다.
이온 주입 조건에 따라서도 양자점 형성 양상이 다른데 이는 은의 첨가량에 따라 양자점의 크기가 변화함을 의미한다. 다시 말해, 레드설파이드 양자점의 크기와 위치는 이온 주입법으로 석출시킨 은 나노 입자를 통해 조절할 수 있다.
최종적으로, 열처리를 통해 은 나노 입자 및 레드설파이드 양자점이 석출되면, 은 나노 입자를 함유한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리가 완성된다(스텝 S440).
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 의해 제조된 은 나노 입자를 함유한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 흡수 스펙트럼을 도시한 도면이다.
구체적으로, 실시예 1에 의해 460℃에서 10시간 열처리한 후 은 산화물의 농도에 따른 유리의 흡수 스펙트럼을 도시한 것이다. X축은 파장이고, 좌측 Y축은 흡수 계수이며, 우측 Y축은 형광 강도를 나타낸다. 도 3에서, 20 Ag2O, 10Ag2O는 은 산화물의 첨가 농도가 20ppm 및 10ppm을 의미하며, No Ag2O는 은 산화물이 첨가되지 않는 경우를 나타낸다. 도 3에 보듯이 은이 첨가함에 따라 광 흡수 및 형광 강도가 증가함을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 본 발명의 제2 실시예에 제조된 은 나노 입자를 함유한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 단면 사진이다.
구체적으로, 도 4는 AgNO3의 경우 증류수로 0.5 내지 10 mol/L의 농도로 희석한 용액을 이용하여 80℃에 이온주입하고, 440℃의 온도에서 10시간 동안 열처리하여 제조한 유리 시편의 주사 전자 현미경 사진이다. 도 4에 보듯이 500nm의 이온 주입층을 확인할 수 있다. 도 4에서, 상부층은 Pt 코팅층이고, I.E. Area는 이온 주입층이고, Non I.E. Area는 이온 주입이 되지 않는 층을 의미한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 의해 제조된 은 나노 입자를 함유한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 형광 스펙트럼을 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 5 및 도 6은 각각 AgNO3의 경우 증류수로 0.5 내지 10 mol/L의 농도로 희석한 용액을 이용하여 60℃ 및 80℃에서 이온주입한 후, 460℃에서 10시간 열처리한 유리의 형광(포토루미네슨스, photoluminescence(PL)) 스펙트럼을 도시한 것이다.
X축은 파장이고, Y축의 형광 강도는 정규화(normalized)한 값이다. 도 5 및 도 6에서, IE area는 이온 주입층이 형성된 것을 의미하며, all area는 이온 주입층이 형성되지 않은 샘플을 의미한다. 유리의 형광 파장, 즉 피크 파장은 이온주입층이 있음으로 인해 1150nm에 1510nm나 1420 nm의 장파장쪽으로 이동함을 알 수 있다. 이는 레드설파이드 양자점의 크기나 밀도가 커짐을 의미한다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예는 은 나노 입자와 같은 핵생성 보조 재료를 이용하여 레드설파이드 양자점의 석출을 제어한다. 본 발명의 일 실시예는 은 나노 입자와 같은 핵생성 보조 재료의 첨가 양을 조절하여 레드설파이드 양자점의 크기나 분포, 즉 밀도를 제어할 수 있으며 양자점의 광 흡수 및 형광 강도를 조절할 수 있다.
S100-S220: 열처리법에 의해 은 나노 입자를 함유한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 제조 단계, S300-S440: 이온 주입법에 의해 은 나노 입자를 함유한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리의 제조 단계

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  6. 기지 유리재에 레드설파이드 화합물을 혼합하여 기지 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 기지 혼합물을 용융하여 유리 용융체를 제조하는 단계;
    상기 유리 용융체를 냉각시켜 유리를 제조하는 단계;
    상기 유리에 은 이온 주입을 실시하는 단계;
    상기 은 이온 주입된 유리를 열처리하여 상기 이온 주입된 은 농도에 따라 크기나 분포가 조절되는 레드설파이드 양자점을 석출하는 단계; 및
    상기 은 나노 입자를 함유한 레드설파이드 양자점을 포함하는 유리를 완성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유리의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 기지 유리재는 50SiO2-35Na2O-5Al2O3-10ZnO의 조성을 가지며, 상기 레드설파이드 화합물은 2ZnS-xPbO(x=0.8-1.0)의 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 유리의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 은 이온 주입은 AgNO3 증류수 용액이나 AgNO3-NaNO3 용융염을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 유리의 제조 방법.
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