KR20100118572A - 나노 입자 제조용 반응기 - Google Patents

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Abstract

나노입자의 제조 장치(10) 및 제조 방법(200)에 개시된다. 본 발명의 장치와 방법은 독립적인 온도에서 나노입자를 핵생성 및 성장시킨다. 독립적 온도는 자발 핵생성을 방지하고 입자 크기가 제어될 수 있도록 하고 실질적으로 균일한 크기의 입자 제조를 용이하게 하는 제어된 환경에서 나노입자를 성장시킬 수 있도록 한다. 더불어, 장치(10)는 코어-셸 나노입자와 코어-셸-셸 나노입자를 제조할 수 있도록 한다.

Description

나노 입자 제조용 반응기{REACTOR FOR THE MANUFACTURE OF NANOPARTICLES}
본 출원은 나노 입자 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
장치를 이용한 나노입자의 제조는 여러 문헌에 공지되어 있다.
미국 특허 제7,144,458호는 발명의 명칭이 퀀텀 도트 나노결정의 유동 합성(Flow Synthesis of Quantum Dot Nanocrystals)으로서 인비트로겐사(Invitrogen Corporation)에 양도된 것이다. 제7,144,458호 특허는 나노결정 물질과 이런 나노결정 물질의 제조 방법을 개시한다. 제7,144,458호 특허는 관통 유동(flow-through) 반응기를 이용하여 반응 조건과 그로 인한 제품 품질에 대한 고도의 제어를 이용하여 합성되는 나노 결정에 관한 것이다. 관통 유동 반응기에서의 반응 조건은 제품 특성을 온라인 검출하고 반응 조건을 조절함으로써 유지된다. 나노 결정의 코팅은 유사한 방식으로 달성된다. 또한, 상기 발명은 단분산 발광 반도체 나노결정의 제조와 나노결정 코어에 코팅을 도포하기 위한 방법과 장치에 관한 것이다.
미국 특허 출원 공개 제2005/0129580호는 발명의 명칭이 화학적으로 생산된 나노입자의 제조를 위한 미세유동 화학 반응기(Microfluidic Chemical Reactor for the Manufacture of Chemically Produced Nanoparticles)이고 스윈하트(Swinehart) 등의 소유이다. 스윈하트 등의 특허는 연속 유동 공정으로 나노결정성 물질을 제조하기 위한 미세유동 모듈을 개시한다. 미세유동 모듈들은 혼합 구조를 구비한 하나 이상의 유로 및 유로 내에서 나노결정 물질과 반응시약을 처리하기 위한 하나 이상의 제어 열교환기를 포함한다. 미세유동 모듈들은 상호 접속되어 핵생성, 성장 및 정화와 같은 하나 이상의 공정 기능을 포함하는 미세유동 반응기를 형성한다.
미국 특허 제6,179,912호는 발명의 명칭이 반도체 나노결정의 연속 유동 제조 방법(Continuous Flow Proces for the Production of Semiconductor Nanocrystals)이고 미국 소재의 바이오크리스탈사(BioCrystal Ltd)에 양도된 것이다. 바이오크리스탈사의 상기 특허는 단분산 반도체 나노입자를 제조하기 위한 시스템 및 연속 유동 방법을 개시한다. 시스템은 시작 물질을 위한 저장조와, 시작 물질이 혼합되는 혼합 경로와, 시작 물질의 혼합물이 배위 용매와 혼합되고 나노입자의 핵생성이 발생하는 제1 반응기를 포함한다. 시스템은 제어된 성장이 발생하는 제2 반응기와 나노결정의 성장이 중단되는 성장 종료 경로를 포함한다.
2002년 발간된 학술지인 Chem. Comm. 2844 내지 2845에 개재된 마쿠무라(Makumura), 야마구치(Yamaguchi) 등의 논문은 명칭이 미세-유동 반응기에서의 CdSe 나노결정의 제조이다. 상기 Chem. Comm. 논문은 CdSe 나노결정의 연속 제어 제조를 위한 미세 반응기의 용도를 개시한다. 상기 Chem. Comm. 논문은 제조된 나노결정의 광학적 특성에 대한 반응 조건의 효과를 개시한다. 상기 Chem. Comm. 논문은 반응기에서 미세 반응기의 신속 정확한 온도 제어가 나노입자의 입경과 재생 가능한 제조를 제어하는 데 유익하다는 것을 개시한다.
국제 특허 출원 공보 WO 2006/116337호는 발명의 명칭이 도핑된 반도체 나노결정 및 그 제조 방법이다. WO 2006/116337호는 미국 아칸사스 대학(the University of Arkansas) 이사회의 소유이다. WO 2006/116337호는 도핑된 반도체 나노결정의 합성 방법을 개시한다. 이 방법은 반응 용기 내에서 금속 산화물 또는 금속염 전구체와, 리간드와 용매를 조합하여 금속 착화물을 형성하는 단계와, 복수의 호스트 나노결정을 형성하기에 충분한 제1 온도 T1에서 금속 착화물과 음이온 전구체를 혼합하는 단계를 포함한다. 금속 도펀트가 제2 온도 T2에서 복수의 호스트 나노결정에 도핑되어 금속 도펀트의 층이 금속 도펀트를 수용하는 호스트 나노결정의 사실상 전체 표면에 걸쳐 형성된다. 음이온 전구체와 금속 산화물 또는 금속염 전구체를 갖는 혼합물이 제3 온도 T3에서 반응 용기에 첨가되어 금속 도펀트를 수용하는 호스트 나노결정의 사실상 전체 표면에 걸쳐 형성된 금속 도펀트 층의 표면에 호스트 나노결정을 재성장시킴으로써 복수의 도핑된 나노결정을 형성하며, 도핑된 나노결정은 반도체의 특성을 보인다.
영국 특허 출원 공보 GB 2429838호는 발명의 명칭이 나노입자(Nanoparticles)이고 영국에 소재하는 나노코 테크놀로지스 리미티드(Nanoco Technologies Limited)의 소유이다. 나노코의 특허는 코어와 제1 셸 및 제2 셸 반도체 재료로 이루어진 나노입자의 제조 방법을 개시한다. 코어와 제1 셸 및 제2 셸 반도체 재료 중 적어도 하나는 주기율표에서 l2 및 l5, l4 및 l6 또는 l1, l3 및 l6족의 이온을 포함한다.
중국 특허 출원 공보 CN1912048호는 발명의 명칭이 InP 퀀텀 도트 제조 방법(Preparation method of InP quantum dots)이고 화중이공대학(Huazhong University of Science and Technology) 소유이다. 화중이공대학 특허 명세서의 요약서 번역문은 1) 90도 내지 110도의 온도를 유지하면서 InCl3와 트리옥틸포스파인 산화물(trioctyl phosphine oxide)을 혼합하여 농도 0.1 내지 0.3 mol/L의 용액을 제조하는 단계와, 2) 아르곤 분위기 하에서 온도를 130도 내지 180도까지 증가시키는 단계와, 3) 용액에 1 대 1 내지 1 대 2의 몰비로 P(Si(CH3)3)3를 주입하는 단계와, 4) 최종 오렌지 용액의 온도를 260도 내지 270도까지 상승시키는 단계와, 5) 온도를 90도 내지 110도까지 낮추고 도데실아민(dodecylamine), 데실아민(decylamine) 또는 메르캅탄(mercaptan)을 주입하는 단계와, 6) 비극성 용매에서 반응 혼합물을 용해시켜 콜로이드 용액을 형성하고, 뒤이어 콜로이드 용액이 흐려질 때까지 극성 용매를 첨가하고 상청액으로부터 침전물을 원심분리하여 InP 퀀텀 도트를 산출하는 단계를 포함하는 InP 퀀텀 도트 제조 방법을 개시하다.
어떠한 종래 기술도 본 발명의 사상에 의해 개시되는 바와 같은 나노입자 제조 장치 및 방법을 개시하지 않는다.
나노물질은 특정 차수의 크기에 따라 분류된다. 나노물질이 100 nm보다 작은 3차원이라면, 나노물질은 나노입자, 퀀텀 도트 또는 중공구의 형태일 수 있다. 나노물질이 100 nm보다 작은 2차원이라면, 나노물질은 나노튜브, 나노와이어 또는 나노섬유의 형태일 수 있다. 나노물질이 100 nm보다 작은 1차원이라면, 나노물질은 나노필름 또는 나노층의 형태일 것이다. 나노입자를 나노분말, 나노클러스터 또는 나노결정이라고도 한다.
최근, 나노입자의 고유 특성으로 인해 나노입자에 대한 연구가 크게 주목 받고 있다. 나노 입자의 물리적 특성은 대응하는 벌크형 물질의 특성과 기본적으로 상이하다. 이와 같이 상이한 나노 입자의 물리적 특성은 거대분자 물질의 차원과 원자 물질의 차원 사이에 놓인 나노 입자의 저감된 차원성으로 인한 것이다. 벌크 물질에서 나노입자 물질로 물리적 특성의 이탈은 퀀텀 효과가 지배하는 영역으로 이동하는 체적에 대한 표면적의 비율 및 나노입자의 크기 증가로 인한 것이다. 나노입자가 작아짐에 따라 점차 진행되는 체적에 대한 표면적의 비율 증가는 나노입자 내부에 있는 원자들의 거동보다 나노입자의 표면에서의 원자들의 거동이 보다 지배적이 되는 결과가 된다.
퀀텀 효과 현상은 고립 상태의 나노입자의 특성에 영향을 줄 뿐만 아니라 다른 물질과 상호 작용하는 동안 나노입자의 특성에도 영향을 미친다. 따라서, 나노입자들은 촉매, 전극, 반도체, 광학 장치 및 연료전지 분야와 같이 대면적이 요구되는 연구에 많은 관심을 받고 있다.
나노입자의 다른 특징은 나노입자들이 나노입자의 대응 물질의 특성과 벌크 물질을 구분 짖는 고유한 특성을 제공한다는 것이다. 이런 고유한 특성으로는 예컨대 강도 증가, 내화학성 증가 및 내열성 증가가 있다. 예컨대, 구리 와이어의 굽힘은 구리 와이어를 50 nm의 단위로 이동할 때 발생하며, 구리 나노입자는 초경질이고 벌크 재료와 동일한 전성을 나타내지 않는다. 다른 예는 실리콘으로서, 직경이 40 내지 100 nm 사이에 있는 완전 형성된 실리콘 나노구가 단지 벌크형 실리콘보다 경질인 것이 아니라 그 경도가 사파이어의 경도와 다이어몬드의 경도 사이에 놓임으로써, 실리콘 나노구를 공지된 가장 경질의 재료들 중 하나로 만드는 것으로 보였다.
나노입자의 다른 특성은 일단 나노입자가 충분히 작게 되면 나노입자가 퀀텀 기계적 거동을 나타낸다는 사실에 있다. 이런 나노입자는 나노입자가 특정 허용 에너지 상태를 차지할 수 있다는 점에서 나노입자 내부의 자유 전자가 원자에 구속된 전자와 유사한 방식으로 거동하기 때문에 퀀텀 도트 또는 인공 원자라고도 한다. 결과적으로, 반도체로서의 실시와 사용을 위해 나노입자에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
나노입자의 다른 특징은 이들 나노입자가 가시광의 파장보다 작은 임계 파장을 갖는다는 점이다. 나노입자는 가시광을 산란시키지 않고 가시광을 흡수할 수 있다. 나노입자의 이러한 흡수 특성으로 인해 나노입자는 패키징, 화장품 및 코팅과 같은 용도에서 재료로 이용된다.
오늘날, 다양한 나노입자 제조 방법이 존재한다. 나노입자 제조 방법의 예로는 기상 응축, 화학적 합성 및 마찰 분쇄(attrition)가 있다. 제조 매개변수가 나노입자의 크기를 결정하기 위해 중요하다는 점에서 모든 제조 방법에는 공통 인자가 존재한다. 제조 매개변수는 예컨대 온도, 시간 및 반응상이다. 나노입자의 제조 동안, 제조 매개변수는 일반적으로 원하는 크기의 나노입자를 제공하도록 조작된다.
기상 응축법에 의한 나노입자의 제조는 고체 재료를 증발시킨 다음 급속 응축시켜 나노입자를 형성하는 것을 수반한다. 증기가 형성되는 매개체를 변화시키면 제조된 나노입자의 크기가 영향을 받는다. 고체 재료의 증발과 나노입자의 제조는 일반적으로 불활성 대기에서 수행됨으로써 사용되는 재료의 산화물 형성과 같은 어떠한 가능한 부작용도 방지한다. 기상 응축법에서 나노입자의 크기는 장치 환경에 의존하며, 기상 응축 공정이 수행되는 온도, 가스 대기 및 재료의 증발속도에 의한 영향을 받는다. 기상 응축법의 수많은 변형이 존재한다. 한 가지 변형예는 이동 중인 액체 상에서의 진공 증착법(vacuum evaporation on running liquids, VERL)이다 VERL 방법은 진공 환경에서 회전하는 드럼 내부의 (오일 또는 폴리머와 같은) 점성재 막을 이용한다. 그 후, 원하는 재료가 진공으로 증발됨으로써 점성재의 현탁액에 원하는 나노입자를 형성한다. 기상 응축법의 다른 변형예는 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition, CVD)이라 하는 것이다. CVD 기술은 일반적으로 나노입자가 반도체로서 이용되도록 집적회로의 제조를 위한 대규모 공정에 이용된다. CVD 방법에서, 재료들은 액체나 가스 모두가 기화 반응기에 적재된 다음 응축되어 원하는 나노입자를 형성한다.
아마도 나노입자의 제조를 위한 화학적 합성 방법이 가장 많이 사용될 것이다. 화학적 합성 방법은 고도의 단분산 나노입자의 저비용 고체적 제조를 위한 것이다. 화학적 합성 방법은 재료 반응물을 함유하는 액체 내에서 나노입자의 성장을 수반한다. 화학적 합성 방법의 일 예는 퀀텀 도트를 제조하기 위해 자주 사용되는 졸-겔 방식이다. 나노입자의 제조를 위한 화학적 합성 방법은, 특히 특정 형상의 나노입자가 요구되는 경우 주로 기상 응축법보다 양호하다. 나노입자의 제조를 위한 화학적 합성 방법의 문제는 나노입자의 오염이 자주 관찰되기 때문에 발생한다. 나노입자의 오염은 전구체 물질로 인한 것이다. 제조된 나노입자의 이와 같은 오염은 나노입자가 소결 방법에서 표면 코팅재로 사용될 때 문제가 된다. 소결 방법을 이용한 표면 코팅은 비오염 재료를 사용해야만 성공적으로 된다.
나노입자의 제조를 위한 마찰 분쇄 방법은 일반적으로 기상 응축 및 화학적 합성을 이용한 제조 방법이 성공적이지 못하거나 넓은 크기 분포를 갖는 대량의 저품질 나노입자가 필요할 때 수행된다. 마찰 분쇄 방법은 나노입자를 얻고자 하는 재료의 연마 또는 밀링을 이용한다. 밀링은 일반적으로 볼 밀, 유성 밀(planetary) 또는 그 밖의 크기 저감 기구에서 수행된다. 나노입자의 제조를 위한 화학적 합성 방법과 마찬가지로, 마찰 분쇄 방법은 밀링 재료로 인해 나노입자의 오염을 유발한다. 다른 단점은 대부분의 경우 직경이 50 nm보다 작은 나노입자는 마찰 분쇄 방법으로 제조될 수 없기 때문에 나노입자의 크기 분포가 광범위하고 크기 범위가 제한되는 것이다.
나노입자는 고유 특성을 갖게 되는 특정 크기로 제조되어야 하기 때문에, 이들 나노입자는 그에 따라 특징지워져야 한다. 나노입자의 특징화는 나노입자의 제조를 이해하고 제어함에 있어 기본이다. 나노입자의 특징화는 일반적으로 전자 현미경, 원자력 현미경, x-ray 광전자 분광학, 분말 x-ray 회절 분석법, 동적 광산란 및 흡수법, 방출 및 푸리에 변환 적외 분광학과 같은 일반적인 분석 기법에 의해 수행된다.
나노입자가 갖는 고도로 바람직한 고유 특성으로 인해 나노입자에 대한 시장이 계속해서 급속히 팽창함에 따라, 고출력, 고순도의 적절히 한정된 저렴한 나노입자에 대한 수요도 팽창하고 있다. 따라서, 이런 수요는 나노입자에 대한 신규한 제조 방법과 장치의 개발을 필요로 한다.
본 발명은 나노입자의 제조를 위한 방법과 장치에 관한 것이다.
본 발명의 나노 입자 제조 장치는 적어도 하나의 입자 합성 모듈에 직렬 연결되는 적어도 하나의 용매 제조 모듈을 포함한다. 입자 합성 모듈은 세 개의 독립적 가열식 챔버를 포함한다.
세 개의 독립적 가열식 챔버는 단독 예열 챔버와, 단독 핵생성 챔버와, 단독 성장 챔버를 포함한다. 독립된 세 개의 가열식 챔버는 나노입자의 제조를 위한 성장 매개변수를 조작할 수 있도록 함으로써 제조된 나노입자가 실질적으로 정밀한 크기와 균일한 크기를 갖도록 보장한다.
본 발명의 다른 양태에서, 입자 분리 모듈은 유동 원심 분리기를 사용하여 제조된 나노입자를 분리시키기 위해 사용된다.
도 1은 본 발명에 따른 나노입자의 제조 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 나노입자의 제조 방법을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 양태에 따른 제조된 나노입자의 분리를 위한 입자 분리 모듈을 도시한다.
본 발명과 그 장점의 완전한 이해를 위해, 도면과 함께 다음의 상세한 설명을 참조하기로 한다.
본 명세서에서 논의되는 본 발명의 양태들은 단지 본 발명을 제조하고 이용하는 특정 방식을 예시한 것으로 특허청구범위와 설명을 고려할 때 본 발명의 범위를 제한하지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 나노입자의 제조 장치(10)를 도시한다. 도 1에 따른 장치(10)는 서로 직렬 연결된 세 개의 모듈(15, 20, 25)을 도시한다. 세 개의 모듈은 적어도 하나의 용매 제조 모듈(15)과, 입자 합성 모듈(20)과, 셸 구조 모듈(25)을 포함한다.
본 발명의 일 양태에서, 셸이 없는 나노입자를 제조하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 단지 두 개의 모듈만을 포함하게 될 것이다. 두 모듈은 용매 제조 모듈(15)과 입자 합성 모듈(20)이고, 본 발명의 이런 양태에는 셸 구조 모듈(25)이 없다.
코어 및 적어도 하나의 셸을 구비하는 코어-셸 나노입자를 제조하기 위해, 본 발명의 다른 양태는 도 1에 도시된 바와 같이 적어도 세 개의 모듈을 필요로 한다. 적어도 세 개의 모듈은 적어도 하나의 용매 제조 모듈(15)과, 적어도 하나의 입자 합성 모듈(20)과, 적어도 하나의 셸 구조 모듈(25)이다.
코어 및 적어도 두 개의 셸을 구비하는 코어-셸-셸 나노입자를 제조하기 위해, 본 발명의 다른 양태에서는 적어도 네 개의 모듈이 요구된다. 적어도 네 개의 모듈은 적어도 하나의 용매 제조 모듈(15)과, 적어도 하나의 입자 합성 모듈(20)과, 적어도 두 개의 셸 구조 모듈(25)이다.
장치(10)의 모든 구성요소는 나노입자의 제조 전후에 사용되는 화학 물질에 대해 불활성임을 주목해야 한다.
용매 제조 모듈(15)은 튜브(35aa, 35ab, 35ac)에 의해 세 개의 전구체 공급원(30a, 30b, 30c)에 연결된다. 전구체 공급원(30a 내지 30c)은 제조 대상인 나노입자의 전구체를 포함한다.
용매 제조 모듈(15)은 적어도 세 개의 용매 조직화 유닛(45a 내지 45c)과 적어도 세 개의 탈기 유닛(40a 내지 40c)을 포함한다. 각각의 용매 조직화 유닛(45a 내지 45c)과 탈기 유닛(40a 내지 40c)은 튜브(35aa 내지 35ac)에 의해 세 개의 전구체 공급원(30a 내지 30c) 중 분리된 전구체 공급원에 연결된다. 탈기 유닛(40a 내지 40c)과 용매 조직화 유닛(45a 내지 45c)의 목적은 나노입자의 제조에 사용된 용매에 용해 대기 가스가 없고 입자 전구체가 나노입자의 제조를 달성하기에 충분한 속도로 장치(10) 내에서 전달되도록 보장하는 것이다. 각각의 탈기 유닛(40a 내지 40c)과 용매 조직화 유닛(45a 내지 45c)은 튜브(35ba, 35bb, 35bc)에 의해 세 개의 펌프(50a, 50b, 50c) 중 적어도 하나에 연결된다.
본 발명에서는 입자 전구체 용액이 사전에 준비되어 전구체 공급원(30a 내지 30c)에 배치된다. 입자 전구체는 (코어-셸 나노입자 또는 코어-셸-셸 나노입자의 경우) 나노입자의 코어의 전구체와 나노입자의 셸의 전구체를 포함한다.
장치(10)가 코어-셸 나노입자가 아닌 나노입자의 제조에 사용되는 양태에서, 제조된 입자 전구체 용액은 용매 제조 모듈(15)으로 펌핑되어 튜브(35cb)와 튜브(35c)를 거쳐 입자 합성 모듈(20) 쪽으로 유입된다.
입자 합성 모듈(20)은 적어도 두 개의 예열 챔버(55PSMa, 55PSMb)를 포함한다. 적어도 두 개의 예열 챔버(55PSMa, 55PSMb)는 각각 튜브(35cb, 35cc)에 의해 용매 제조 모듈(15)에 연결된다. 제1 예열 챔버(55PSMa)와 제2 예열 챔버(55PSMb)는 입자 전구체의 개별 용액들이 가변적인 독립 온도에서 독립적이고 거의 동시에 예열될 수 있도록 한다. 두 개의 독립적인 예열 챔버(55PSMa, 55PSMb)는 독립적이고 가변적인 가열을 허용함으로써 개별 입자 전구체의 안정성이 훼손되지 않도록 보장한다. 예컨대 NiPt 입자 전구체는 NiPt 입자 전구체가 고온에서 손상되고 열역학적으로 불안정하기 때문에 고온으로 가열되어서는 안된다. 그러나, 일반적으로, 입자 전구체는 제1 예열 챔버(55PSMa) 및/또는 제2 예열 챔버(55PSMb)에서 제조 대상인 바람직한 나노입자의 핵생성 온도로 예열될 수 있다. 그 후, 입자 전구체의 개별적인 예열 용액들은 튜브(35da, 35db)를 거쳐 개별적으로 제1 핵생성 챔버(60PSM)로 펌핑되며, 여기에서 예열 용액들은 혼합되어 나노입자의 핵생성이 용액 내에서 발생되어 나노입자를 함유하는 용액을 형성한다.
제1 핵생성 챔버(60PSM)의 온도는 적어도 두 개의 예열 챔버(55PSMa, 55PSMb)의 온도와 거의 동일하다. 그 후, 나노입자 함유 용액은 튜브(35e)를 통해 제1 성장 챔버(65PSM)로 펌핑된다. 제1 성장 챔버(65PSM)에서, 나노 입자 함유 용액은 핵생성 온도보다 낮은 온도에 있게 된다. 제1 핵생성 챔버(60PSM)의 온도에 비해 낮은 제1 성장 챔버(65PSM)의 온도는 제1 성장 챔버(65PSM) 내에서의 자발적 핵생성을 방지한다.
입자 합성 모듈(20)은 튜브(35f)에 의해 제1 성장 챔버(65PSM)에 연결된 제1 분석 장치(70PSM)를 수용한다. 제조된 나노입자는 제1 분석 장치(70PSM)에서 흡수 및/또는 방출 분광기, 광 산란, x-ray 회절 및 NMR과 같은 다양한 분석 기법을 이용함으로써 분석된다.
본 발명의 일 양태에서, 제1 분석 장치(70PSM)는 각각 튜브(35ga, 35gb)에 의해 적어도 두 개의 배출 지점(75PSM, 80PSM)에 연결된다. 적어도 두 개의 배출 지점은 적어도 하나의 분석 출구(80PSM)와 적어도 하나의 입자 컬렉터(75PSM)이다. 분석 출구(80PSM)는 나노입자의 제조를 위한 최적 매개변수를 결정하기 위한 보조기구로서 제조된 나노입자가 채집되어 분석될 수 있도록 한다. 적어도 하나의 입자 컬렉터(75PSM)는 제조된 나노입자가 분석 장치(70PSM)에서 성공적으로 특징화된 후 제조된 나노입자의 채집을 용이하게 한다.
본 발명의 다른 양태에서, 장치(10)는 셸 구조 모듈(25)을 더 포함한다. 셸 구조 모듈(25)의 설비는 코어-셸 나노입자의 제조에 사용하기 위한 것이다. 더불어, 적어도 하나의 추가적인 셸-구조 모듈(25)(미도시)이 코어-셸-셸 나노입자의 제조를 위해 제공될 수 있다. 코어 셸 나노입자는 코어와 동심형 셸을 구비한 나노입자이고 코어-셸-셸 나노입자는 코어와 두 개의 동심형 셸을 구비한 나노입자이다.
셸 구조 모듈(25)은 입자 합성 모듈(20)과 용매 제조 모듈(15)에 연결된다. 셸 구조 모듈(25)의 제1 연결은 용매 제조 모듈(15)에서 적어도 하나의 예열 챔버(55SSM)까지 튜브(35ca)에 의해 이루어진다. 셸 구조 모듈(25)에 대한 제2 연결은 튜브(35h)를 이용하는데, 튜브(35h)는 입자 합성 모듈(20)의 입자 컬렉터(75PSM)를 셸 구조 모듈(25)의 핵생성 챔버(60SSM)에 연결한다.
셸 구조 모듈(25)의 예열 챔버(55SSM)는 튜브(35i)에 의해 핵생성 챔버(60SSM)에 연결된다. 핵생성 챔버(60SSM)는 튜브(35j)에 의해 성장 챔버(65SSM)에 추가로 연결된다.
셸 구조 모듈(25)은 용매 제조 모듈(15)로부터의 입자 전구체의 용액이 독립적으로 가열되도록 보장하는 적어도 하나의 예열 챔버(55SSM)를 포함한다. 코어-셸 나노입자의 합성시 입자 전구체의 용액이 셸로서 사용되는 경우, 용액은 제조 대상인 원하는 코어-셸 나노입자의 반응 온도로 예열된다. 셸 구조 모듈(25)은 셸 핵생성 챔버(60SSM)를 더 포함한다. 셸 핵생성 챔버(60SSM)의 온도는 제조 대상인 코어-셸 나노입자의 셸 반응 온도로 사전 설정된다. 반응 온도는 핵생성 온도와 구별되는데, 이는 그렇지 않을 경우 셸 재료가 핵을 생성하여 셸 구조를 형성하는 것이 아니라 별개의 입자 형성으로 이어지지 때문이다. 셸 구조 모듈(25)의 셸 핵생성 챔버(60SSM)는 셸 핵생성 챔버(60SSM)의 온도와 실질적으로 유사한 온도로 설정되는 독립적 온도 제어부를 갖는 성장 챔버(65SSM)에 추가로 연결된다. 셸 성장 챔버(65SSM)와 셸 핵생성 챔버(60SSM)의 유사한 온도는 코어 입자의 자발적 형성이 방지되고 이에 따라 셸 성장을 촉진하도록 보장한다.
셸 구조 모듈(25)의 성장 챔버(65SSM)는 튜브(35k)에 의해 분석 장치(70SSM)에 연결된다. 제조된 코어-셸 나노입자는 분석 장치(70SSM)에서 흡수 및/또는 방출 분광학, 광 산란, x-ray 회절 및 NMR에 의해 분석된다.
장치가 코어-셸 나노입자의 제조를 위해 이용되는 본 발명의 양태에서, 분석 장치(70SSM)는 각각 튜브(35la, 35lb)에 의해 적어도 두 개의 배출 지점(75SSM, 80SSM)에 연결된다. 적어도 두 개의 배출 지점은 적어도 하나의 분석 출구(80SSM)와 적어도 하나의 입자 컬렉터(75SSM)이다. 분석 출구(80PSM)는 제조된 나노입자가 채집되어 분석될 수 있게 함으로써 나노입자의 제조를 위한 최적 매개변수를 결정할 수 있도록 한다. 적어도 하나의 입자 컬렉터(75SSM)는 제조된 나노입자가 분석 장치(70SSM)에서 성공적으로 특징화된 후 제조된 나노입자의 채집을 용이하게 한다.
셸 구조 모듈(25)은 장치(10)에 존재할 수 있거나 존재하지 않을 수 있다. 셸 구조 모듈(25)이 존재하고 장치(10)가 코어-셸 나노입자의 제조를 위한 것으로 의도되지 않은 경우, 셸 구조 모듈(25)는 본 발명의 양태에서 이용되지 않는다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 입자 분리 모듈(30)은 입자 컬렉터(75)에 연결 가능하다. 입자 분리 모듈(30)은 본 발명에 따라 제조된 나노입자들을 분리시키기 위해 사용된다.
입자 분리 모듈(30)은 튜브(35na)를 통해서 입자 합성 모듈(20)의 입자 컬렉터(75PSM)에 연결될 수 있다. 이 경우, 입자 분리 모듈(30)은 셸을 포함하지 않는 제조된 나노입자를 분리시키기 위해 사용된다.
본 발명의 다른 양태에서, 입자 분리 모듈(30)은 튜브(35na)를 통해서 셸 구조 모듈(25)의 입자 컬렉터(75SSM)에 연결될 수 있다. 이 경우, 입자 분리 모듈(30)은 셸을 포함하는 제조된 나노입자(즉, 코어-셸 나노입자)를 분리시키기 위해 사용된다.
이와 같은 입자 분리 모듈(30)은 튜브(35na)에 의해 입자 컬렉터(75)에 연결 가능하다. 입자 분리 모듈의 튜브(35na)는 입자 분리 챔버에 존재하는 핵생성 챔버(60PIM)에 연결된다. 용매 모듈(30)도 입자 분리 모듈의 일부이며 튜브(35m)에 의해 입자 분리 모듈(30)에 존재하는 펌프(50d)에 연결된다. 펌프(50d)는 튜브(35nb)에 의해 핵생성 챔버(60PIM)에 연결된다. 핵생성 챔버(60PIM)는 유동 원심 분리기(85PIM)에 연결된다.
본 발명에 따라 제조된 나노입자는 입자 분리 모듈(30)을 이용함으로써 용매, 잉여 리간드 및 미반응 전구체 반응시약에서 분리된다. 펌프(50d)는 용매(예컨대 에탄올)을 펌핑하기 위해 사용되며 핵생성 챔버(60PIM)의 다른 입구에 연결된다. 핵생성 챔버(60PIM)의 출구는 연속 유동 원심분리기에 연결되며, 제조된 나노입자는 원심분리기에서 액상으로부터 분리된다. 제조된 나노입자는 제조된 나노입자를 클로로포름이나 톨루엔과 같은 용매를 이용하여 재용해시킴으로써 얻어진다.
본 발명의 양태에 따르면, 나노입자의 제조를 완료한 다음, 장치(10)를 정화시키고 다음 제조 공정을 위해 이용 가능하게 만들기 위해 장치(10)는 용매 제조 모듈(15)에서 제공되는 용매로 세척된다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 방법을 설명한다. 도 2는 장치(10)를 이용하여 나노입자를 제조하는 방법의 흐름도를 도시한다.
본 발명의 방법(200)은 우선 장치(10)의 모든 튜브(35)를 통해 장치(10)를 세척하는 단계(205)를 포함한다. 그 후, 단계(210)에서 적어도 두 개의 입자 전구체 용액이 제조되어 전구체 공급원(30a 내지 30c)에 배치된다. 적어도 두 개의 입자 전구체 용액은 나노입자의 제조를 위해 용매에서 입자 전구체를 용해시킴으로써 제조된다. 장치(10)가 코어 셸 나노입자의 제조를 위해 사용될 것인 경우, 입자 전구체 중 적어도 하나는 사전에 제조된 나노입자이고 적어도 다른 입자 전구체 용액은 사전 제조되어 적어도 하나의 입자 전구체 공급원(30a) 내에 배치되는 셸 종(shell species)을 포함한다.
대부분의 경우, 입자 전구체 용액 제조를 위해 사용되는 용매는 스쿠알렌이다. 더불어 용매는 TOP(트리옥틸포스파인) 및 TOPO(트리옥틸포스파인 산화물)과 같은 배위 안정화제의 형태일 수도 있다.
나노입자를 제조하는 동안 스쿠알렌을 사용함으로써 얻어지는 장점은 스쿠알렌이 낮은 융점과 높은 끓는점을 갖는다는 것이다. 따라서, 스쿠알렌은 넓은 온도 범위에 걸쳐 액체이고 넓은 온도 범위에 걸쳐 나노입자의 제조에 적절한 용매이다.
일단 적어도 두 개의 입자 전구체 용액이 제조되면, 적어도 두 개의 입자 전구체 용액은 적어도 두 개의 탈기 유닛(40b, 40c)에 의해 개별적으로 탈기된다(단계 215). 단계 215는 잠재적으로 원하지 않는 부작용으로 이어질 수 있고 그리고/또는 제조된 나노입자를 오염시킬 수 있는 용해 가스와 대기 공기가 적어도 두 개의 입자 전구체 용액에 없도록 보장함으로써 제조된 나노입자가 원하지 않는 부작용에 의해 오염되지 않도록 보장한다.
그 후, 탈기된 입자 전구체 용액은 단계 220에서 튜브(35cb, 35cc)를 통해서 펌프(50b, 50c)에 의해 입자 합성 장치(10)를 통해 독립적이고 거의 동시에 펌핑된다. 단계 220에서 입자 전구체 용액들에 대한 동시적 펌핑이 시작되면, 용액들은 초기에 입자 합성 모듈(20)로 펌핑된다.
입자 합성 모듈(20)에서, 적어도 두 개의 입자 전구체 용액은 단계 225에서 적어도 두 개의 예열 챔버(55PSMa, 55PSMb)에서 독립적이고 거의 동시에 예열된다. 적어도 두 개의 예열 챔버(55PSMa, 55PSMb)의 온도는 제조 대상인 나노입자의 핵생성 온도로 사전 설정된다.
장치(10)가 나노입자의 제조를 위해 사용되는 본 발명의 다른 양태에서, 적어도 두 개의 예열 챔버(55PSMa, 55PSMb)는 입자 전구체 용액을 예열하거나 예열하지 않을 수 있다.
그 후, 예열된 두 개의 개별적인 입자 전구체 용액들은 튜브(35da, 35db)를 거쳐 핵생성 챔버(60PSM)로 개별적으로 펌핑되며, 핵생성 챔버에서 두 용액은 단계 230에서 혼합되어 핵생성이 발생한다.
핵생성 챔버(60PSM)에서의 핵생성에 뒤이어, 핵생성된 나노입자의 용액은 튜브(35e)를 거쳐 성장 챔버(65PSM)로 펌핑되고, 제조된 나노입자의 성장이 단계 235에서 발생한다. 성장 챔버(65PSM)의 온도는 핵생성 챔버(60PSM)의 온도보다 낮은 온도로 사전 설정된다. 성장 챔버(65PSM)의 낮은 온도는 제조된 나노입자가 균일 속도로 성장될 수 있고 제조된 나노입자가 실질적으로 균일한 크기에 도달할 수 있도록 한다.
그 후, 제조된 나노입자는 단계 240에서 분석 장치(70PSM)에서 채집됨으로써 인 시튜(in situ) 분석된다.
나노입자가 원하는 크기로 성장되면, 이들 나노입자는 단계 245에서 알콜과 같은 극성 유기 용매의 첨가에 의해 유도되는 석출에 의해 용액으로부터 채집된다. 용액으로부터 원하는 나노입자를 석출한 다음, 원하는 나노입자를 얻기 위해 용액에 원심분리를 수행할 수 있다. 원심분리는 상술한 바와 같이 출구(75PSM)에 입자 분리 모듈(30)을 연결함으로써 달성된다.
장치(10)가 코어-셸 나노입자의 제조를 위해 사용되는 본 발명의 다른 양태에서, 코어-셸 모듈(25)인 다른 모듈이 이미 설명한 바와 같이 입자 합성 모듈(20)에 부착된다. 코어-셸 나노입자의 제조를 위한 방법에서, 방법은 도 2에서 도시되고 나노입자의 제조를 위해 상술한 방법을 유사하게 뒤따른다.
장치(10)가 코어-셸 나노입자의 제조를 위해 사용되는 본 발명의 양태에는 적어도 두 개의 개별적인 입자 전구체 용액이 있다. 이들 입자 전구체 용액 중 적어도 하나는 이전 제조 방법으로 제조된 나노입자의 용액이고 적어도 하나의 다른 용액은 셸 성분의 입자 전구체의 용액이다.
코어-셸 나노입자의 제조 방법의 차이점은 나노입자가 이전 제조 방법으로 제조된 후 이들 제조된 나노입자들이 단계 245에서 용액으로부터 채집되지 않는다는 점이다. 셸 성분의 입자 전구체 용액이 단계 210에서 제조되어 튜브(35ba, 35ca)를 거쳐 셸 합성 모듈(25)로 펌핑된다.
코어-셸 나노입자의 제조시 입자 전구체 용액은 단계 225에서 셸 구조 모듈(25)의 예열 챔버(55SSM) 내에서 독립적으로 예열된다. 단계 225 내지 255는 비코어-셸 나노입자의 제조를 위해 설명된 바와 같이 계속된다. 그러나, 코어의 입자 용액은 바람직하지 않은 코어 반응을 초래할 수 있기 때문에 예열되어서는 안된다.
본 발명의 또 다른 양태에서, 장치(10)는 코어-셸-셸 나노입자의 제조를 위해 사용된다. 코어-셸-셸 나노입자의 제조 방법은 코어-셸 입자의 제조 방법과 거의 유사하다.
본 발명의 이런 양태에서는 적어도 두 개의 개별적인 입자 전구체 용액이 있다. 그러나 이들 용액 중 적어도 하나는 이전 제조 방법으로 제조된 코어-셸 나노입자의 용액이고 적어도 하나의 다른 용액은 용매 제조 모듈(25)에서 제조되는 셸 성분의 입자 전구체의 용액이다.
코어-셸-셸 나노입자의 제조 방법에 대한 본 발명의 다른 양태에서는, 나노입자가 이전 제조 방법으로 제조된 후 이들 제조된 나노입자들이 단계 245에서 용액으로부터 채집되지 않는다는 점이다. 또한, 셸 성분의 입자 전구체 용액이 단계 210에서 제조되고, 해당 전구체 용액은 단계 215에서 다시 탈기된다.
그 후, 입자 전구체의 두 개의 개별 용액은 단계 220에서 독립적으로 펌핑되고 입자 전구체 용액 중 적어도 하나는 단계 225에서 제2 셸 구조 모듈(25)(미도시)의 단독 예열 챔버 내에서 예열된다. 단계 225 내지 255는 코어-셸 나노입자의 제조를 위해 설명된 바와 같이 계속됨으로써 제조된 코어-셸-셸 나노입자를 산출한다.
제조된 나노입자가 단계 245에서 채집되는 본 발명의 양태에서, 장치(10)는 단계 250에서 세정된다. 세정 단계 250는 전체 장치(10)를 순수 용매로 세척하는 단계를 수반한다. 순수 용매는 나노입자의 제조 동안 사용되는 용매와 동일하다. 장치(10)는 용매 제조 모듈(15)로부터 채집 지점(75)으로 또는 분석 출구(80)로 장치를 통해서 순수 용매를 펌핑함으로써 세척된다. 그 후, 장치(10)는 냉각된다.
실시예
다음 실시예들은 본 발명의 다양한 양태를 나타내지만, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.
실시예 1 - CdSe 나노입자의 제조
Cd 입자 전구체 용액의 제조. 카드뮴 아세테이트 1.15g을 실온에서 스쿠알렌 45ml 및 안정화제 올레인산 3.5ml과 혼합하고 안정화제 올레일아민(oleylamine) 20ml를 첨가했다. 최종 현탁액을 탈기시키고 질소 가스로 정화시켰다. 그 후, 현탁액을 150℃까지 가열하여 불투명한 연황색 용액을 제조했다. 그 후, 이 용액에 대해 저감된 압력으로 100℃에서 두 시간 동안 탈기 처리를 하고 실온으로 냉각시켰다. 그 후, 혼합물을 탈기시키고 질소 가스의 불활성 분위기 하에서 보관했다.
Se 입자 전구체 용액의 제조. 글러브 상자 내에서 실온에서 셀레늄 2.0g을 트리옥틸포스파인 17ml에 용해시켰다. 용액에 스쿠알렌 53ml를 첨가했다. 최종 용액을 불활성 분위기에서 보관했다.
CdSe 나노입자의 제조. 카드뮴 및 셀레늄 용액을 두 개의 펌프에 연결하고 용매 제조 모듈(15)에 흡입시켰다. 핵생성 챔버(60)의 온도는 의도된 핵생성 온도로 설정된다. 성장 챔버(65) 온도는 성장 온도로 설정되고 예열 챔버(55) 온도는 핵생성 온도로 설정된다. 그 후, 펌프(50)의 유속은 입자 전구체가 장치(10) 내부에 머무르고 혼합 비율이 의도된 매개변수값에 대응하도록 설정된다. 체류 시간은 입자 전구체의 혼합물이 핵생성 챔버(60)로 들어가서 성장 챔버(65)에서 나오는 데 걸리는 시간이다. 체류 시간을 두 배로 한 다음, 제조된 나노입자의 광학적 특성을 측정할 수 있다. 의도된 매개변수 값은 나노입자 제조를 위한 최적 조건을 제공하는 실험에서 결정되는 유속값과 온도값이다.
제조를 완료한 후, 장치(10)를 순수 용매로 세척하고 냉각시킨다.
실시예 2 - NiPt 나노입자의 제조
Ni 입자 전구체 용액의 제조. 니켈 아세테이트 0.84g과 1,2-헥사데칸디올(1,2-hexadecanediol) 0.90g을 스쿠알렌 192ml 및 안정화제 올레인산 4.0ml에서 용해시키고 올레일아민 4.0ml를 (사출에 의해) 첨가했다. 혼합물을 80℃에서 세 시간 가열하여 불투명한 청녹색 용액을 제조했다. 그 후, 용액을 탈기시키고 질소 가스의 불활성 분위기에서 정화시켰다.
Pt 입자 전구체 용액의 제조. 플라티늄(Ⅱ)-아세틸아세톤 1.26g, 1,2 디클로로벤졸 80ml 및 안정화제 스쿠알렌 120ml의 혼합물을 50℃로 가열했다. 최종 용액을 불활성 분위기 하에서 보관했다.
NiPt 나노입자의 제조. 니켈 및 플라티늄 입자 전구체 용액을 두 개의 펌프에 연결하고 용매 제조 모듈(15)에서 흡입시켰으며, 핵생성 챔버(60)의 온도는 의도된 핵생성 온도로 설정된다. 성장 챔버(65) 온도는 성장 온도로 설정되고 예열 챔버(55) 온도는 핵생성 온도로 설정된다. 그 후, 펌프(50)의 유속은 입자 전구체가 장치(10) 내부에 머무르고 혼합 비율이 의도된 매개변수값에 대응하도록 설정된다. 체류 시간은 입자 전구체의 혼합물이 핵생성 챔버(60)로 들어가서 성장 챔버(65)에서 나오는 데 걸리는 시간이다. 체류 시간을 두 배로 한 다음, 제조된 나노입자의 광학적 특성을 측정할 수 있다. 의도된 매개변수 값은 나노입자 제조를 위한 최적 조건을 제공하는 실험에서 결정되는 유속값과 온도값이다.
나노입자 제조 완료 후, 반응기를 순수 용매로 세척하고 냉각시킨다.
실시예 3 - PbTe 나노입자의 제조
Pb 입자 전구체 용액의 제조. 납 아세테이트 24.3g을 스쿠알렌 320ml 및 안정화제 올레인산 64ml에 용해시키고 올레일아민 16ml를 (사출에 의해) 첨가했다. 혼합물을 80℃에서 세 시간 가열하여 황색 용액을 제조했다. 그 후, 용액을 탈기시키고 질소의 불활성 분위기에서 보관했다.
Te 입자 전구체 용액의 제조. 텔루르(tellurium) 4.78g을 트리옥틸포스파인 150 ml와 스쿠알렌 250 ml와 혼합시켰다. 그 후, 최종 혼합물을 250℃로 가열했다. 최종 용액을 질소 분위기 하에서 보관했다.
PbTe 나노입자의 제조. 납 및 텔루르 입자 전구체 용액을 두 개의 펌프에 연결하고 용매 제조 모듈(15)에 흡입시켰다. 핵생성 챔버(60)의 온도는 의도된 핵생성 온도로 설정되었다. 성장 챔버(65) 온도는 성장 온도로 설정되었고 예열 챔버(55) 온도는 핵생성 온도로 설정되었다. 그 후, 펌프(50)의 유속은 입자 전구체가 장치 내부에 머무르고 혼합 비율이 의도된 매개변수값에 대응하도록 설정되었다. 체류 시간은 입자 전구체의 혼합물이 핵생성 챔버(60)로 들어가서 성장 챔버(65)에서 나오는 데 걸리는 시간이다. 의도된 매개변수 값은 나노입자 제조를 위한 최적 조건을 제공하는 실험에서 결정되는 유속값과 온도값이다.
체류 시간을 두 배로 한 후, 제조된 나노입자의 광학적 특성을 측정할 수 있다.
나노입자 제조 완료 후, 장치(10)를 순수 용매로 세척하고 냉각시킨다.
실시예 4 - CdSe-CdS 코어-셸 나노입자의 제조
CdS 입자 전구체 용액의 제조. 카드뮴 아세테이트 432g을 실온에서 트리옥틸포스파인 15ml에서 용해시켰다. 다음으로, 트리메틸 실릴 황화물 1.1ml를 첨가하고 뒤이어 스쿠알렌 150ml를 첨가했다. 용액을 투명한 상태로 유지시켰으며 용액은 황색이었다. 이 용액은 CdS 입자 전구체 용액이며 셸 전구체로서 사용될 수 있다.
CdSe 나노입자의 제조는 실시예 1에서 상술한 바와 같이 수행되었다.
CdSe-CdS 코어-셸 나노입자의 제조. 핵생성 챔버(60SSM)의 온도와 셸 구조 모듈(25)의 성장 챔버(65SSM)의 온도는 동일한 온도로 설정된다. 이 경우, 동일한 온도는 성장을 촉진하고 핵생성을 방지하도록 한다. 예열 챔버(55SSM)의 온도는 실온에서 유지되어 CdS 코어 입자의 형성을 방지한다. 그 후, 펌프(50)의 유속은 입자 전구체가 장치 내부에 머무르고 혼합 비율이 의도된 매개변수값에 대응하도록 설정된다. 체류 시간은 입자 전구체의 혼합물이 핵생성 챔버(60)로 들어가서 성장 챔버(65)에서 나오는 데 걸리는 시간이다. 의도된 매개변수 값은 나노입자 제조를 위한 최적 조건을 제공하는 실험에서 결정되는 유속값과 온도값이다.
나노입자의 제조 완료한 후, 장치(10)를 순수 용매로 세척하고 냉각시킨다.
실시예 5 - CdTe 나노입자의 제조
Cd 입자 전구체 용액의 제조. 카드뮴 아세테이트 3.92g과 테트라데실 포스폰산(tetradecyl phosphonic acid) 7.65g을 트리옥틸포스파인 100ml 및 옥타데신(octadecene) 443ml와 혼합시켰다. 그 후, 최종 혼합물을 250℃로 가열했다. 최종 용액을 질소 분위기 하에서 보관했다.
Te 입자 전구체 용액의 제조. 텔루르 2.55g을 트리옥틸포스파인 100ml 및 옥타데신 150ml와 혼합시켰다. 그 후, 최종 혼합물을 250℃로 가열했다. 최종 용액을 질소 분위기 하에서 보관했다.
CdTe 나노입자의 제조. 카드뮴 입자 전구체 용액 및 텔루르 입자 전구체 용액을 별도의 펌프들에 연결하고 용매 제조 모듈(15)에 흡입시켰다. 핵생성 챔버(60)의 온도는 의도된 핵생성 온도로 설정되었다. 성장 챔버(65) 온도는 성장 온도로 설정되었고 예열 챔버(55) 온도는 핵생성 온도로 설정되었다. 그 후, 펌프(50)의 유속은 입자 전구체가 장치(10) 내부에 머무르고 혼합 비율이 의도된 매개변수값에 대응하도록 설정되었다. 체류 시간은 입자 전구체의 혼합물이 핵생성 챔버(60)로 들어가서 성장 챔버(65)에서 나오는 데 걸리는 시간이다. 체류 시간을 두 배로 한 후, 제조된 나노입자의 광학적 특성을 측정할 수 있다. 의도된 매개변수 값은 나노입자 제조를 위한 최적 조건을 제공하는 실험에서 결정되는 유속값과 온도값이다.
지금까지 본 발명을 상세히 설명하였으나, 이와 같은 본 발명에 대한 상세한 설명은 발명의 범위를 제한하기 위한 의도가 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 의해 보호하고자 하는 범위는 다음의 특허청구범위에 기재된 것이다.
10: 나노입자 제조 장치 15: 용매 제조 모듈
20: 입자 합성 모듈 25: 셸 구조 모듈
30: 입자 분리 모듈 30a 내지 30c: 전구체 공급원
35: 튜브 40a 내지 40c: 탈기 유닛
45a 내지 45c: 용매 조직화 유닛
50a 내지 50d: 펌프
55: 예열 챔버 60: 핵생성 챔버
65: 성장 챔버 70: 분석 장치
75: 입자 컬렉터 80: 분석 출구
85: 유동 원심기
200: 나노입자 제조 방법
205: 장치 세척
210: 입자 전구체 용액 제조
215: 입자 전구체 용액 탈기
220: 펌핑
230: 나노입자 핵생성
235: 나노입자 성장
240: 나노입자 분석
245: 제조된 나노입자 채집

Claims (32)

  1. 입자의 제조(255)를 위한 입자 제조 장치(10)로서,
    적어도 하나의 용매 제조 모듈(15)과,
    적어도 세 개의 독립적 가열식 챔버(55, 60, 65)를 구비하는 적어도 하나의 입자 합성 모듈(20)를 포함하되,
    상기 적어도 하나의 용매 제조 모듈(15)은 상기 적어도 하나의 입자 합성 모듈(20)에 직렬로 연결되는 입자 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입자 합성 모듈(20)의 상기 적어도 세 개의 독립적 가열식 챔버(55, 60, 65)는 적어도 두 개의 개별적인 입자 전구체 용액을 개별적이고 실질적으로 동시에 예열(225)하기 위한 예열 챔버(55)와, 상기 적어도 두 개의 개별적인 입자 전구체 용액을 혼합(230)하고 상기 적어도 두 개의 입자 전구체를 핵생성하기 위한 핵생성 챔버(60)와, 상기 입자들의 성장(235)을 위한 성장 챔버(65)를 포함하는 입자 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 예열 챔버(55)는 적어도 하나 그리고 최대로 두 개의 예열 챔버를 포함하는 입자 제조 장치.
  4. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용매 제조 모듈(15) 중 적어도 하나는 전구체 공급원(30)에 연결되는 입자 제조 장치.
  5. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용매 제조 모듈(15)은 적어도 하나의 탈기 유닛(40)과 적어도 하나의 용매 조직화 유닛(45)을 포함하는 입자 제조 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 탈기 유닛(40) 및/또는 상기 적어도 하나의 용매 조직화 유닛(45)은 상기 전구체 공급원(30) 중 적어도 하나에 연결되는 입자 제조 장치.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 성장 챔버(65)에 연결되는 분석 장치(70)를 더 포함하는 입자 제조 장치.
  8. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 코어 셸 입자의 합성을 위한 적어도 하나의 셸 구조 모듈(25)을 더 포함하되, 상기 적어도 하나의 셸 구조 모듈(25)은 상기 적어도 하나의 입자 합성 모듈(20)에 연결되는 입자 제조 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 셸 구조 모듈(25)은 복수의 탈기 유닛(40) 중 적어도 하나에 연결되고 상기 용매 제조 모듈(15)의 복수의 용매 조직화 유닛(45) 중 적어도 하나에 연결되는 적어도 하나의 예열 챔버(55)와, 상기 성장 챔버에 연결되되 입자 컬렉터(75) 및 분석 출구(80)에 연결된 분석 장치(70)에 연결되는 핵생성 챔버(60)를 포함하는 입자 제조 장치.
  10. 제8항에 있어서, 코어-셸-셸 입자의 제조를 위해 적어도 하나의 제1 셸 구조 모듈(25)에 연결된 적어도 하나의 제2 셸 구조 모듈(25)을 더 포함하는 입자 제조 장치.
  11. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치(10)를 통한 입자 전구체 용액의 유동을 제어하기 위해 상기 적어도 하나의 탈기 유닛(40)과 상기 적어도 하나의 용매 조직화 모듈(45) 사이에 연결되는 적어도 하나의 펌프(50)를 더 포함하는 입자 제조 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 적어도 하나의 펌프(50)는 불활성 재료로 제조되는 입자 제조 장치.
  13. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분석 장치(70)는 흡수-방출 분광기, x-ray 결정분석 장치, 광 산란 측정장치 및 NMR 분광기로 이루어진 그룹 중 적어도 하나를 포함하는 입자 제조 장치.
  14. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치(10)는 입자의 제조를 위해 사용되는 입자 반응물에 대해 불활성인 입자 제조 장치.
  15. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 제조된 나노입자의 인-시튜 채집과 분석을 위한 분석 출구(80)를 더 포함하는 입자 제조 장치.
  16. 제13항에 있어서, 상기 분석 출구(80)는 상기 분석 장치(70)에 연결되는 입자 제조 장치.
  17. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 제조된 입자들을 채집하기 위한 입자 컬렉터(75)를 더 포함하는 입자 제조 장치.
  18. 제15항에 있어서, 상기 입자 컬렉터(75)는 상기 적어도 하나의 분석 장치(70)에 연결되는 입자 제조 장치.
  19. 제16항에 있어서, 상기 입자 컬렉터(75)는 상기 적어도 하나의 입자 합성 모듈(20)과 상기 셸 구조 모듈(25) 사이에 연결되는 입자 제조 장치.
  20. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 입자 분리 모듈(30)을 더 포함하는 입자 제조 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 입자 분리 모듈은 제조된 나노입자의 분리를 위한 유동 원심분리기를 포함하는 입자 제조 장치.
  22. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 나노입자의 연속 제조를 위한 입자 제조 장치.
  23. 나노입자의 제조 방법(200)으로서,
    장치(10)를 세척하는 세척 단계(205)와,
    적어도 두 개의 입자 전구체 용액을 제조하는 용액 제조 단계(210)와,
    상기 적어도 두 개의 입자 전구체 용액을 제1 온도에서 개별적이고 실질적으로 동시에 예열하되, 상기 제1 온도는 적어도 상기 입자의 핵생성 온도인 예열 단계(225)와,
    상기 적어도 두 개의 입자 전구체 용액을 제2 온도에서 혼합하여 나노입자를 형성(255)하되, 상기 제2 온도는 상기 제1 온도와 실질적으로 동일한 나노입자 형성 단계(230)와,
    상기 입자를 제3 온도에서 성장시키되, 상기 제3 온도는 상기 제1 온도보다 낮은 입자 성장 단계(235)를 포함하는 나노입자 제조 방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 입자 전구체 용액을 탈기시키는 단계(215)를 포함하는 나노입자 제조 방법.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 입자 전구체 용액 중 적어도 하나를 제조하기 위해 스쿠알렌이 사용되는 나노입자 제조 방법.
  26. 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 입자 용액과 적어도 하나의 셸 입자 전구체 용액을 제공하는 단계를 포함하는 코어-셸 입자의 제조를 위한 나노입자 제조 방법.
  27. 제23항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 코어-셸 입자의 제조를 개시하기 전에 용매를 이용하여 세척되는 나노입자 제조 방법.
  28. 제23항 내지 제27항 중 어느 한 항 있어서, 상기 입자 전구체 용액 중 하나는 Pb, Cd, Ni 또는 Pt로 이루어진 그룹에서 선택되는 아세테이트인 나노입자 제조 방법.
  29. 제23항 내지 제28항 중 어느 한 항 있어서, 상기 입자 전구체 용액 중 하나는 Te 또는 Se의 원소 용액에서 선택되는 나노입자 제조 방법.
  30. 제23항 내지 제29항 중 어느 한 항 있어서, 상기 입자 전구체 용액 중 하나는 나노입자의 용액인 나노입자 제조 방법.
  31. 제23항 내지 제30항 중 어느 한 항 있어서, 상기 제조된 나노입자는 원심분리기에 의해 분리되는 나노입자 제조 방법.
  32. 제23항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 나노입자의 연속 제조를 위한 나노입자 제조 방법.
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