KR20150070667A - Nanohybrid composite of quantum dot nanoparticle and porous silica for fluorescent body, optical module using the same, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 형광체용 나노하이브리드 복합체, 그를 이용한 광학 모듈 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도성 양자점 나노입자를 무기물 비드에 담지시킴으로써, 색재현율(연색성)의 향상은 물론이고 수분 및 광에 의한 효율저하를 방지할 수 있으며, 동시에 휘도를 향상시킬 수 있는 형광체용 나노하이브리드 복합체에 관한 것이다.The present invention relates to a nanohybrid composite for a phosphor, an optical module using the same, and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a nanohybrid composite for a fluorescent substance, To a nanohybrid composite for a fluorescent substance which can improve the luminance at the same time.
최근 유력한 차세대 광원으로 떠오르고 있는 발광 다이오드(LED, Light-Emitting Diode)는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기를 자외선, 가시광선, 적외선 등으로 전환시키는 반도체 소자로 아직은 주로 가전제품, 리모컨, 대형 전광판 등 신호표시, 전달용으로 사용되고 있다. 적색 및 녹색을 발생시키는 LED는 오래 전에 개발되어 신호 표시용으로 널리 사용되고 있었으나, 청색 발광 LED의 경우 1990년대 초에 고휘도 적색 LED가 개발되고 수년 후 일본의 니치아(Nichia)사에서 GaN계 반도체를 이용한 고휘도 청색 LED를 개발함에 따라 전광판이나 신호등, 휴대전화 등에 응용되고 있다. 특히 빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색을 각각 나타내는 LED 소자가 모두 개발됨에 따라 LED를 조명광원으로 사용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.Recently, LED (Light-Emitting Diode), which is emerging as a promising next-generation light source, is a semiconductor device that converts electric power into ultraviolet rays, visible light, infrared rays by utilizing the characteristics of compound semiconductors. Display, and transmission. LEDs emitting red and green have been developed for a long time and widely used for signal display. However, blue LEDs developed a high-luminance red LED in the early 1990s, and a few years later Nichia of Japan used GaN-based semiconductors As the high-brightness blue LED is developed, it is applied to electric signboards, traffic lights, mobile phones and the like. Particularly, as LED elements each representing three primary colors of light, red, green and blue, are being developed, researches are actively conducted to use LEDs as illumination light sources.
고휘도의 LED 광원을 조명등으로 사용하여 기존의 백열전구나 형광등을 대체한다면 에너지 효율이 매우 높고, 수명이 길어 교체 비용이 적으며, 진동이나 충격에도 강하고, 수은 등 유독 물질의 사용이 불필요하기 때문에 에너지 절약, 환경보호, 비용절감 차원에서 매우 유리하다.Replacement of existing incandescent lamps or fluorescent lamps by using high-intensity LED light sources as illumination lamps is very energy-efficient, has a long life and low replacement cost, is resistant to vibration and shock, and does not require the use of toxic substances such as mercury, , Environmental protection, and cost reduction.
이와 같이 현재 LED 분야에 있어 주로 연구개발이 진행되고 있는 분야는 조명용 백색 LED 분야 및 디스플레이 소자 분야이다. LED는 기본적으로 좁은 파장영역의 빛만을 발생하므로 단일소자 차원에서 백색광 발현은 어려우며 적, 녹, 청의 삼원색을 조합하여 백색을 얻는 등 여러 가지 방안이 시도되었다. 그 중에서도 청색 또는 자외선 LED 위에 적절한 형광체 분말을 도포하여 파장 변환을 통해 백색광을 발현시키는 방안이 가장 실용화 가능성이 높으며 현재 많은 기업에서 활발한 연구개발이 이루어지고 있으나 자연색을 구현하기 위한 연색성의 향상이 필요하다.As a result, research and development are currently underway in the field of white LEDs for lighting and display devices. LEDs basically generate only light in a narrow wavelength range, so that it is difficult to emit white light in a single device level, and various methods such as obtaining white light by combining the three primary colors of red, green, and blue have been attempted. Among them, a method of applying a suitable phosphor powder on a blue or ultraviolet LED to emit white light through wavelength conversion is most likely to be put to practical use. Currently, many companies have been actively researched and developed, but it is necessary to improve the color rendering property to realize natural colors .
또한, 디스플레이 소자 분야에 있어서도 OLED, 양자점 LED 등 새로운 형태의 디스플레이 소자 개발이 국내외 기업, 연구기관 등지에서 활발히 진행되고 있다. 특히 양자점 LED의 경우 OLED 구조에서 반도체 나노입자를 형광체로 이용할 경우 자연색상의 구현이 가능한 높은 연색지수를 갖는 디스플레이가 구현될 것으로 기대되며 향후 기술 개발을 통해 실용화가 가능할 것으로 예상된다. 양자점을 이용한 백색 조명 및 디스플레이 기기의 개발을 위해서는 그 응용 분야에 맞는 광효율 및 열 및 광에 대한 안정성이 우수한 형광체의 개발이 필수적이다.In addition, in the field of display devices, the development of new types of display devices such as OLEDs, quantum dot LEDs, and the like has been actively conducted in domestic and overseas companies and research institutes. In particular, when using semiconductor nanoparticles as phosphors in the OLED structure, it is expected that a display having a high color rendering index capable of realizing natural colors will be implemented, and it is expected to be commercialized through technology development in the future. In order to develop white light and display devices using quantum dots, it is essential to develop phosphors having excellent light efficiency and stability against heat and light for the application fields.
고신뢰성 양자점을 발광소자에 적용한 종래기술은 하기와 같다.A conventional technique in which a high reliability quantum dot is applied to a light emitting device is as follows.
미국특허 8,343,575 호에서는 양자점을 이용한 디스플레이용 백라이트 모듈을 제조함에 있어서, 공기나 수분에 의해 발생되는 신뢰성의 저하를 방지하기 위해서 배리어 특성이 우수한 알루미나나 실리카 또는 글래스 기판 사이에 양자점으로 구성되는 양자점을 밀봉함으로서(hermetically sealed) 신뢰성을 확보하는 것을 특징으로 하는 특허를 출원하였다. 상기 특허에서는 밀봉하는 방법으로 양자점 자체를 공기나 수분을 차단되도록 제조하는 것이 아니라, 수분이나 공기의 차단성이 뛰어난 기판 사이에 양자점을 패키징하는 방법을 사용함을 특징으로 하는 특허를 출원하였으나 그 구체적 효과를 적시하지 않은 개념특허로 출원하였다. U.S. Patent No. 8,343,575 discloses a method of manufacturing a backlight module for a display using quantum dots by sealing a quantum dot formed of quantum dots between alumina or silica or glass substrate having excellent barrier properties in order to prevent a decrease in reliability caused by air or moisture The invention is patented to secure reliability by hermetically sealed. In the above-mentioned patent, a patent is filed which uses a method of packaging quantum dots between substrates where moisture and air can be easily blocked, instead of manufacturing the quantum dots themselves to block air or moisture by a sealing method. However, Of the patent application.
그러나 상기의 특허는 실링 공정에서 불가피하게 발생되는 기판과 기판 사이의 미세 틈을 완벽하게 차단할 수 없어, 양자점 이용하여 제조하고자 하는 디스플레이용 광학 필름의 경우에는 장기간 사용할 경우에 휘도, 안정성, 색재현율, 광효율 면에서 개선되어야 할 문제점이 많다.However, the above-mentioned patent fails to completely block fine gaps between the substrate and the substrate, which are unavoidably generated in the sealing process. In the case of optical films for displays to be manufactured using quantum dots, the brightness, stability, There are many problems to be improved in light efficiency.
본 발명의 목적은 색재현율(연색성)의 향상은 물론이고 수분 및 광에 의한 효율저하를 방지할 수 있으며, 다량의 양자점 입자를 담지시킬 수 있어 신뢰성을 향상시킬 수 있는 형광체용 나노하이브리드 복합체를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a nanohybrid composite for a fluorescent substance that can improve the color reproducibility (color rendering property), prevent deterioration of efficiency due to moisture and light, can support a large amount of quantum dot particles, and can improve reliability .
본 발명의 다른 목적은 상기 나노하이브리드 복합체를 포함하여 구성되는 디스플레이 광학 모듈을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a display optical module comprising the nanohybrid composite.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 나노하이브리드 복합체의 제조방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a method for producing the nanohybrid composite.
본 발명에서는 반도성 양자점 나노입자가 다공성 무기물 비드에 담지된 형광체용 나노하이브리드 복합체를 제공한다. 상기 반도성 양자점 나노입자는 12-16족 반도성 화합물; 13-15족 반도성 화합물; 및 14족 반도성 화합물;로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것일 수 있다.The present invention provides a nano hybrid composite for a phosphor in which semiconductive quantum dot nanoparticles are supported on a porous inorganic bead. The semiconducting quantum dot nanoparticle is a 12-16-band semiconductive compound; 13-15 semi-conductor compounds; And a Group 14 semiconducting compound.
상기 반도성 양자점 나노입자는 ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, GaAs, InGaAs, InP, InAs, Ge, Si 및 이의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 것이 바람직하다.The semiconductive nanoparticle nanoparticles may include one or more materials selected from the group consisting of ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, GaAs, InGaAs, InP, InAs, Ge, Si and combinations thereof.
상기 반도성 양자점 나노입자는 코어-쉘 구조를 가지며, 상기 코어를 구성하는 물질은 12-16족 반도성 화합물; 13-15족 반도성 화합물; 및 14족 반도성 화합물;로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질이고, 상기 쉘을 구성하는 물질은 1 내지 10겹의 ZnS 단분자층인 것이 바람직하다.The semiconductive quantum dot nanoparticles have a core-shell structure, and the material constituting the core is a 12-16-band semiconductive compound; 13-15 semi-conductor compounds; And a Group 14 semiconducting compound; and the material constituting the shell is preferably a 1 to 10-fold ZnS monolayer.
상기 반도성 양자점 나노입자는 무기물 코팅된 것임이 바람직하다.It is preferable that the semiconductive nanoparticles have an inorganic coating.
상기 무기물 코팅용의 무기물은 은 실리카, 알루미나 및 티타니아로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것일 수 있다.The inorganic material for the inorganic coating may be at least one selected from the group consisting of silver, alumina and titania.
상기 무기물 코팅의 두께는 1~100nm인 것이 바람직하다.The thickness of the inorganic coating is preferably 1 to 100 nm.
상기 다공성 무기물 비드는 평균 입자크기 500nm-10㎛의 실리카, 알루미나 또는 티타니아로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.Preferably, the porous inorganic bead is any one selected from the group consisting of silica, alumina, and titania having an average particle size of 500 nm to 10 탆.
상기 다공성 무기물 비드는 5~50nm의 평균 기공크기를 가지는 메조포러스 실리카인 것이 바람직하다.The porous inorganic beads are preferably mesoporous silica having an average pore size of 5 to 50 nm.
상기 무기물 비드의 기공은 무기물 코팅층에 의하여 폐쇄된 것이 바람직하다.The pores of the inorganic beads are preferably closed by an inorganic coating layer.
또한, 본 발명에서는 상기 형광체용 나노하이브리드 복합체를 포함하여 구성되는 디스플레이 광학 모듈을 제공한다.Also, the present invention provides a display optical module including the nanohybrid composite for a phosphor.
또한, 본 발명에서는 반도성 양자점 나노입자를 수득하는 제1단계; 상기 반도성 양자점 나노입자의 표면에 무기물을 코팅하여 표면을 개질하는 제2단계; 및 표면 개질된 반도성 양자점 나노입자를 다공성 무기물 비드에 담지시키는 제3단계;를 포함하는 형광체용 나노하이브리드 복합체의 제조방법을 제공한다.In addition, in the present invention, a first step of obtaining semiconductive quantum dot nanoparticles; A second step of coating an inorganic material on the surface of the semiconductive nanoparticle nanoparticles to modify the surface thereof; And a third step of supporting the surface modified semiconductive nanoparticle nanoparticles on the porous inorganic bead. The present invention also provides a method for manufacturing a nanocomposite composite for a fluorescent substance.
상기 제3단계 이후에 다공성 무기물 비드의 표면에 무기물을 코팅하여 다공성 무기물 비드의 기공을 폐쇄시키는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.And coating the surface of the porous inorganic beads with an inorganic material to close the pores of the porous inorganic beads after the third step.
상술한 바에 따라 제조된 나노하이브리드 복합체 비드를 디스플레이광학 모듈에 형광체로서 사용하는 경우 휘도, 안정성, 고연색성, 발광 효율을 높일 수 있다. 특히, 본 발명에 의해 제조된 나노하이브리드 복합체를 사용할 경우, 첫째, 기존 형광체 대비하여 원하는 형광 파장을 얻기가 용이한 양자점을 사용함으로서 색재현율(연색성)의 향상은 물론이고, 둘째, 실리카와 같은 무기물에 의하여 수분 및 광에 의한 효율 저하를 방지할 수 있어 신뢰성을 대폭적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 적절한 크기의 구형의 나노하이브리드 비드는 분산성이 우수하여 다량의 양자점을 담지시킬 수 있어 휘도를 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.When the nanohybrid composite beads prepared as described above are used as a phosphor in a display optical module, brightness, stability, high color rendering property, and luminous efficiency can be improved. In particular, when the nanohybrid composite produced by the present invention is used, it is possible to improve not only the color reproducibility (color rendering property) by using a quantum dot which is easy to obtain a desired fluorescence wavelength as compared with the conventional phosphor, It is possible to prevent deterioration of efficiency due to moisture and light, thereby greatly improving the reliability. In addition, spherical nanohybrid beads having an appropriate size are excellent in dispersibility, so that a large amount of quantum dots can be carried, thereby improving brightness.
도 1은 본 발명에 따른 형광체용 나노하이브리드 복합체의 제조방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 양자점 나노입자가 담지된 나노하이브리드 복합체의 형광 현미경 이미지이다.
도 3은 본 발명에 따른 양자점 나노입자가 담지된 나노하이브리드 복합체의 형광 스펙트럼이다.1 is a schematic view schematically showing a method for producing a nanohybrid composite for a phosphor according to the present invention.
FIG. 2 is a fluorescence microscope image of a nano hybrid complex carrying the quantum dot nanoparticles according to the present invention.
FIG. 3 is a fluorescence spectrum of a nanohybrid complex carrying quantum dot nanoparticles according to the present invention.
본 발명에서는 반도성 양자점 나노입자가 다공성 무기물 비드에 담지된 형광체용 나노하이브리드 복합체를 제공한다.The present invention provides a nano hybrid composite for a phosphor in which semiconductive quantum dot nanoparticles are supported on a porous inorganic bead.
[반도성 양자점 나노입자][Band-shaped quantum dot nanoparticles]
상기 반도성 양자점 나노입자는 12-16족 반도성 화합물; 13-15족 반도성 화합물; 및, 14족 반도성 화합물;로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 화합물로 형성된다. 사용되는 12-16족 반도성 화합물의 예로서는 ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe, 또는 이들의 혼합물을 들 수 있고, 13-15족 반도성 화합물의 예로서는 GaAs, InGaAs, InP, InAs, 또는 이들의 혼합물들을 들 수 있으며, 14족 반도성 화합물로서는 예를 들면, Ge, Si 등을 사용할 수 있다.The semiconducting quantum dot nanoparticle is a 12-16-band semiconductive compound; 13-15 semi-conductor compounds; And at least one compound selected from the group consisting of Group 14 semiconducting compounds. Examples of the 12-16-group semiconducting compound to be used include ZnS, ZnSe, CdS, CdSe, CdTe, HgS, HgSe or a mixture thereof. Examples of the 13-15 group semiconductive compound include GaAs, InGaAs, InP, InAs , And mixtures thereof. As the Group 14 semiconducting compound, for example, Ge, Si and the like can be used.
상기 반도성 나노입자는 구형이거나 구형도 0.8 이상의 대략 구형으로, 크기는 2~10nm의 크기를 갖는 것이 바람직하다.It is preferable that the semiconductive nanoparticles have a spherical shape or a substantially spherical shape having a sphericity of 0.8 or more and a size of 2 to 10 nm.
상기 반도성 양자점 입자는 반도성 나노입자의 저장 또는 빛에 의한 형광 특성의 감소를 막을 수 있다는 점에서 코어-쉘 구조를 갖는 것이 바람직하다. 이때, 상기 코어구조를 구성하는 물질은 12-16족 반도성 화합물; 13-15족 반도성 화합물; 및, 14족 반도성 화합물;로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 화합물로이다. 상기 쉘 구조는 예를 들면, 상기 코어구조에 1 내지 10겹의 ZnS 단분자층이 형성된 구조인 것이 바람직하다.It is preferable that the semiconductive quantum dot particles have a core-shell structure in that the semiconductive nanoparticles can prevent the storage of light or the decrease in fluorescence properties due to light. At this time, the material constituting the core structure is a 12-16-group semiconductive compound; 13-15 semi-conductor compounds; And a Group 14 semiconducting compound. The shell structure is preferably a structure in which 1 to 10 layers of ZnS monolayers are formed on the core structure.
[무기물 코팅][Inorganic coating]
상기 반도성 양자점 나노입자는 수분이나 광에 대한 안정성을 확보하기 위해 그 표면을 무기물로 양자점 입자를 코팅한 것이 사용된다. 사용되는 코팅 물질로서는 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 티타니아(TiO2), 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 무기물 코팅의 두께는 1-100nm인 것이 바람직하다. 코팅 두께가 1nm 보다 적을 경우에는 무기물이 양자점을 완벽하게 코팅하지 못하여 수분이나 공기의 침투가 발생할 수 있으며, 코팅 두께가 100nm보다 클 경우에는 제조되는 나노하이브리드 복합체의 광효율의 저하를 초래할 수 있다.The semi-conducting quantum dot nanoparticles are coated with quantum dot particles as an inorganic material to ensure stability against moisture and light. As the coating material used may be a silica (SiO 2), alumina (Al 2 O 3), titania (TiO 2), or a combination thereof. The thickness of the inorganic coating is preferably 1-100 nm. When the thickness of the coating is less than 1 nm, the inorganic material may not completely coat the quantum dots, resulting in moisture or air penetration. When the thickness of the coating is greater than 100 nm, the light efficiency of the nanohybrid composite may deteriorate.
[다공성 무기물 비드][Porous inorganic beads]
본 발명에 따르는 나노하이브리드 복합체는 반도성 양자점 나노입자, 바람직하게는 그 표면이 무기물 코팅된 반도성 양자점 나노입자가 다공성 무기물 비드의 기공에 담지된 것이다.The nanohybrid composite according to the present invention is characterized in that semiconductive quantum dot nanoparticles, preferably semiconductive nanoparticles whose surfaces are coated with inorganic particles, are supported on pores of porous inorganic beads.
상기 무기물 비드는 실리카, 알루미나 및 티타니아로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상기 다공성 비드는 분체상이면 그 입도에는 특별한 제한이 없으나, OLED 디스플레이나, LCD 디스플레이용 백라이트 필름의 고연색성을 구현하기 위한 재료로 사용하기 위하여는 통상적으로 500nm-10㎛의 것을 사용한다.The inorganic beads may be any one selected from the group consisting of silica, alumina and titania. When the porous beads are in the form of powder, there is no particular limitation on their particle size. In order to use the porous beads as a material for realizing high color rendering properties of an OLED display or a backlight film for an LCD display, a thickness of 500 nm to 10 탆 is usually used.
상기 다공성 비드는 실리카 비드, 특히 구형의 메조포러스 실리카인 것이 바람직하다. 상기 메조포러스 실리카 비드의 기공크기는 양자점 입자의 담지가 용이하도록 기공 크기가 5-50nm가 되는 것이 적절하다. 기공의 크기가 5nm 미만인 경우에는 양자점 나노입자의 담지 자체가 어렵다. 한편, 50nm를 초과하는 경우에는 기공이 지나치게 커져 반도성 양자점 나노입자의 담지가 비효율적이다.The porous beads are preferably silica beads, especially spherical mesoporous silica. The pore size of the mesoporous silica beads is suitably such that the pore size is 5 to 50 nm so that the loading of the quantum dot particles can be easily carried out. When the pore size is less than 5 nm, it is difficult to support the QD nanoparticles. On the other hand, when it exceeds 50 nm, the pores become too large and the semiconductive nanoparticles of semiconducting nanoparticles are inefficient.
본 발명에 따르는 바람직한 실시태양에서, 상기 나노하이브리드 복합체는 다공성 비드의 기공이 양자점 입자의 담지 후에 폐쇄된 것일 수 있다. 기공이 폐쇄됨으로써 기공 내부와 외부의 수분 또는 공기의 통과가 차단됨으로써 반도성 양자점 나노입자의 광안정성이 더욱 향상된다.In a preferred embodiment according to the present invention, the nanohybrid composite may be such that the pores of the porous beads are closed after the deposition of the quantum dot particles. By closing the pores, the passage of moisture or air inside and outside the pores is blocked, thereby further improving the light stability of the semiconductive nanoparticles.
상기 기공의 폐쇄는 다공성 무기물 비드에 양자점 나노입자를 담지시킨 후에 그 비드의 표면에 다시 제2 무기물 코팅층을 형성함으로써 달성될 수 있다. 한편, 기공폐쇄를 위한 무기물 코팅의 경우도 그 두께는 1~100nm의 범위이다.Closure of the pores can be achieved by supporting the quantum dot nanoparticles on the porous inorganic beads and then forming the second inorganic coating layer on the surface of the beads again. On the other hand, in the case of inorganic coating for pore closure, the thickness is in the range of 1 to 100 nm.
[제조방법][Manufacturing method]
본 발명에서는 반도성 양자점 나노입자를 수득하는 단계(S1); 상기 반도성 양자점 나노입자의 표면에 무기물을 코팅하여 표면을 개질하는 단계(S2); 및 표면 개질된 반도성 양자점 나노입자를 다공성 무기물 비드에 담지시키는 단계(S3);를 포함하는 형광체용 나노하이브리드 복합체의 제조방법을 제공한다.In the present invention, step (S1) of obtaining semiconductive quantum dot nanoparticles; Coating a surface of the semiconductive nanoparticle with an inorganic material to modify the surface (S2); And supporting (S3) supporting the surface-modified semiconductive nanoparticle nanoparticles on the porous inorganic bead. The present invention also provides a method for manufacturing a nano hybrid composite for a phosphor.
도 1은 본 발명에 따른 형광체용 나노하이브리드 복합체의 제조방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다. 이하 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명에 따르는 제조방법을 설명한다. 1 is a schematic view schematically showing a method for producing a nanohybrid composite for a phosphor according to the present invention. Hereinafter, a manufacturing method according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
S1 단계에서의 양자점 나노입자를 구성하는 원소조성은 이미 상술한 바와 같으며, 그 제조방법은 일반적으로 잘 알려진 유기금속(organometallic compound)을 전구체로 이용하여 열분해 (pyrolysis)방법을 이용하여 합성한다. 특히, 코어-쉘 구조의 양자점 나노 입자를 얻기 위해서는, 이미 형성된 나노입자 수용액에 시린지 펌프 등을 이용하여 ZnS 용액을 천천히 첨가한 후, 150-250℃에서 약 1-1.5h 동안 교반하여 ZnS 단분자 층을 형성한다.The composition of the elements constituting the quantum dot nanoparticles in the step S1 is as described above, and the preparation method thereof is generally synthesized by using pyrolysis method using a well-known organometallic compound as a precursor. Particularly, to obtain quantum dot nanoparticles having a core-shell structure, a ZnS solution is slowly added to an aqueous solution of nanoparticles already formed using a syringe pump or the like, and the mixture is stirred for about 1-1.5 hours at 150-250 ° C., Layer.
상기 반도성 양자점 입자는 수용액 상에서 분산이 가능하여야 하며, 이를 목적으로 상기 양자점 나노입자는 아민, 아민염 또는 카복실 그룹이 표면에 존재하도록 그 표면이 전처리된 것을 사용할 수 있다. 상기 전처리목적으로는 헥사데실 트리메틸 암모늄 브로마이드(hexadecyl trimethyl amonium bromide, CTAB), 시스테인(cystein), 티올 에시드(thiol acid), 아미노프로필 트리메톡시 실란(amino propyl trimethoxy silane) 등이 사용될 수 있다.The semiconductive quantum dot particles should be dispersible in an aqueous solution. For this purpose, the surface of the quantum dot nanoparticles may be pre-treated such that an amine, an amine salt or a carboxyl group is present on the surface. For the pretreatment purpose, hexadecyl trimethyl ammonium bromide (CTAB), cysteine, thiol acid, amino propyl trimethoxy silane and the like can be used.
S2 단계의 무기물 코팅은 통상적으로 전구체 수용액을 양자점 나노입자에 코팅한 다음 건조하는 방법으로 수행된다. 전구체로는 아미노 트리메톡시 실란, 탄소수 3-22 개를 갖는 알킬 트리메톡시 실란이나, 알루미늄, 타이타늄, 지르코늄 등의 금속 알콕사이드 화합물로 구성 되어지는 전구체로서 솔-젤 반응에 의해 무기층을 코팅할 수 있다.The inorganic coating of step S2 is usually carried out by coating the precursor aqueous solution onto the quantum dot nanoparticles followed by drying. Examples of the precursor include aminotrimethoxysilane, alkyltrimethoxysilane having 3-22 carbon atoms, or a metal alkoxide compound such as aluminum, titanium, zirconium or the like, and the inorganic layer is coated by a sol-gel reaction .
세 번째 단계에서는, 표면 개질된 반도성 양자점 나노입자를 다공성 무기믈 비드에 담지시킨다. 담지는 표면 개질된 반도성 양자점 나노입자와 무기물 입자를 적절한 용매에 투입, 교반하여 달성된다. 바람직한 용매로서는 톨루엔, 벤젠, 아세톤, 클로로포름, 벤젠, 부탄올, 에탄올, 메탄올, 물 등에서 선택된 하나 또는 두 개의 용매를 혼합한 혼합용매가 사용될 수 있다.In the third step, the surface modified semiconducting quantum dot nanoparticles are supported on the porous inorganic beads. The support is achieved by adding surface-modified semiconducting quantum dot nanoparticles and inorganic particles to an appropriate solvent and stirring. As a preferable solvent, a mixed solvent obtained by mixing one or two solvents selected from toluene, benzene, acetone, chloroform, benzene, butanol, ethanol, methanol and water may be used.
교반이 완료된 후 용액상에서 고형물을 필터링한 다음 이를 건조하면 본 발명에 따르는 하이브리드 복합체가 제조된다.After the stirring is completed, the solids in the solution are filtered and dried to prepare the hybrid composite according to the present invention.
본 발명에 따르는 제조방법은 다공성 무기물의 표면에 다시 무기물을 코팅하여 다공성 무기물 담체의 기공을 폐쇄하는 단계(S4);를 추가로 포함할 수 있다. 기공의 폐쇄는 세 번째 단계에서 얻어진 수득된 하이브리드 복합체를 다시, 앞서 열거된 무기물 전구체 용액에 투입한 다음 필터링, 건조, 열분해하는 방법으로 수행된다.
The manufacturing method according to the present invention may further include the step (S4) of closing the pores of the porous inorganic material carrier by coating an inorganic material on the surface of the porous inorganic material again. Closure of the pores is carried out by introducing the obtained hybrid composite obtained in the third step again into the solution of the inorganic precursor enumerated above, followed by filtering, drying and pyrolysis.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시 예를 제시한다. 하기 실시 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention.
<실시예 1>≪ Example 1 >
1. 양자점의 제조1. Fabrication of quantum dots
고효율 코어-쉘 구조의 CdSe/ZnS 양자점을 수득하기 위하여, 양자점 코어를 구성하는 CdSe 양자점은 유기금속 (organometallic) 전구체 물질인 카드뮴옥사이드(CdO)와 셀레늄 파우더를 이용하여 반응온도 300-320°C에서 열분해(pyrolysis)하여 합성하였다.In order to obtain CdSe / ZnS quantum dots with a high efficiency core-shell structure, the CdSe quantum dots constituting the quantum dot core are formed by using cerium oxide (CdO), an organometallic precursor, and selenium powder at a reaction temperature of 300-320 ° C Pyrolysis.
CdSe/ZnS 코어-셀 양자점 합성은 시린지 펌프를 이용하여 징크 스테아레이트(zinc stearate) 및 설퍼(S) 파우더를 트리부틸 포스핀(tri-n-butylphosphine)에 녹인 ZnS 용액을 0.1ml/min의 유속으로 천천히 첨가한 후, 190℃에서 약 1.5시간 동안 교반하여 제조하였다.The CdSe / ZnS core-cell quantum dot synthesis was carried out by using a syringe pump, a ZnS solution in which zinc stearate and Sulfur (S) powder were dissolved in tri-n-butylphosphine, , And the mixture was stirred at 190 캜 for about 1.5 hours.
다음으로, 상기 합성된 양자점을 메탄올 또는 아세톤 용매를 이용하여 미반응 유기물을 원심 분리하여 제거한 후, 유기용매인 톨루엔에 분산하였다.
Next, the synthesized quantum dots are removed by centrifugation of the unreacted organic material using methanol or acetone solvent, and then dispersed in toluene which is an organic solvent.
2. 실리카 코팅된 양자점 제조2. Silica-coated quantum dot manufacturing
상기의 방법으로 제조된 양자점의 표면을 실리카 전구체를 이용하여 코팅하였다. 우선, 양자점 0.5mg을 15mmol의 소디움 도데실 설페이트 (sodium dodecyl sulfate) 수용액 15mL에 투입한 후, 3분 동안 소니케이션 방법에 의해 양자점을 수분산 시켰다.The surface of the quantum dot prepared by the above method was coated with a silica precursor. First, 0.5 mg of a quantum dot was added to 15 mL of an aqueous solution of 15 mmol of sodium dodecyl sulfate, and the quantum dots were dispersed in water by a sonication method for 3 minutes.
상기와 같이 제조된 수분산 양자점을 실리카로 코팅하기 위하여, 우선 옥타데실 트리클로로 실레인을 10㎕를 투입하여 10℃에서 2시간 동안 반응시킨 후, 아미노프로필 트리메틸 실레인 10㎕를 추가로 투입하여 10℃, 30분 반응시키고, 암모니아 모노하이드레이트 25% 용액 10㎕를 투입한 후 24시간 반응시켜 코팅두께가 2nm인 실리카 코팅된 양자점을 제조하였다.
To coat the thus prepared water-dispersed quantum dots with silica, 10 쨉 l of octadecyltrichlorosilane was added thereto, reacted at 10 캜 for 2 hours, 10 쨉 l of aminopropyltrimethylsilane was further added thereto The reaction was carried out at 10 ° C for 30 minutes, 10 μl of a 25% ammonia monohydrate solution was added, and the reaction was allowed to proceed for 24 hours to prepare a silica-coated quantum dot having a coating thickness of 2 nm.
3. 나노 하이브리드 복합체 제조3. Fabrication of nanohybrid composites
(1) 메조포러스 실리카 제조(1) Preparation of mesoporous silica
계면활성제 템플레이트를 이용한 졸-겔 반응에 의해 구형의 메조포러스 실리카를 제조하였다. 계면활성제 템플레이트로는 공중합 폴리머인 P123 (BASF사, HO(CH2CH2O)20(CH2CH(CH3)O)70(CH2CH2O)20H)을 사용하였다. P123 4g을 15% 염산 용액에 녹인 후, 기공 크기의 증대를 위해 팽윤제인 트리메틸 벤젠(1,3,5, Trimethylbenzene, Sigma-Aldrich)을 4g을 첨가하여 37-40oC가 유지된 상태에서 2시간 동안 강하게 교반하면서 혼합하였다. 이와 같이 제조된 계면활성제 템플레이트의 표면에서 실리카 전구체를 반응시키기 위해 테트라 에톡시 오르소 실리케이트 (Tetraethoxy orthosilicate, TEOS)를 5분 동안 교반하면서 투입한 후, 20시간 동안 40oC에서 교반하지 않고 반응을 진행시켰다. 추가로 실리카 전구체의 반응을 가속화 하기 위하여 NH4F 일정 46mg을 투입 후 100oC에서 24시간 동안 서서히 교반하면서 반응을 진행하였다. 이와 같이 회수된 반응물 내의 유기물질인 계면활성제 템플레이트를 제거하기 위하여 550oC, 6시간 이상의 열처리를 함으로써 메조포러스 실리카 비드를 제조하였다. 이와 같은 제조된 실리카 비드의 크기는 2-6㎛이고, 평균 기공 크기는 20nm이다.
Spherical mesoporous silica was prepared by sol - gel reaction with surfactant template. As the surfactant template, a copolymer polymer P123 (BASF, HO (CH 2 CH 2 O) 20 (CH 2 CH (CH 3 ) O) 70 (CH 2 CH 2 O) 20 H) was used. P123 in the 4g of 15% was dissolved in hydrochloric acid solutions, to increase the pore size of 4g was added to the swelling agent trimethylbenzene (1,3,5, Trimethylbenzene, Sigma-Aldrich ) to a 37-40 o C holding state 2 For a period of time. Tetraethoxy orthosilicate (TEOS) was added with stirring for 5 minutes to react the silica precursor on the surface of the thus prepared surfactant template, and the reaction was carried out for 20 hours at 40 ° C without stirring. I made it. Further, in order to accelerate the reaction of the silica precursor, 46 mg of NH 4 F was added, and the reaction was carried out with stirring at 100 ° C for 24 hours. The mesoporous silica beads were prepared by heat treatment at 550 ° C for 6 hours or more in order to remove the surfactant template, which is an organic substance in the recovered reactant. The size of the silica beads produced is 2-6 占 퐉 and the average pore size is 20 nm.
(2) 나노 하이브리드 복합체 제조(2) Production of nanohybrid composite
양자점이 고밀도화된 나노하이브리드 복합체를 제조하기 위한 방법으로 150 ml 부탄올 (butanol) 용액에 2.5mg 메조기공 실리카를 분산한 후, 0.5mg 양자점 용액을 넣은 후, 마그네틱 스터러를 이용하여 강력하게 교반하여 양자점을 기공 안으로 확산 침투시킴으로서 나노하이브리드 복합체를 수득하였다.
As a method for producing a nanohybrid composite in which the quantum dots are densified, 2.5 mg of mesoporous silica is dispersed in 150 ml of butanol, 0.5 mg of a quantum dot solution is added, and the mixture is stirred vigorously using a magnetic stirrer The nanohybrid composite was obtained by diffusing and penetrating the quantum dots into the pores.
<실시예 2>≪ Example 2 >
실시예 1에서 CdSe/ZnS 양자점 대신 InP 양자점을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 나노 하이브리드 복합체를 제조하였다.
A nanohybrid composite was prepared in the same manner as in Example 1 except that InP quantum dots were used instead of CdSe / ZnS quantum dots in Example 1.
<실시예 3>≪ Example 3 >
실시예 1 에서 제조된 양자점을 수용액에 분산하기 위하여, 합성된 양자점을 유기용매인 클로로포름 (CCl4) 에 분산한 다음, 수득한 양자점 용액에 헥사데실 트리메틸 암모늄 브로마이드(hexadecyl trimethyl ammonium bromide, CTAB) 용액을 혼합한 후 24시간 교반하여 헥사데실 트리메틸 암모늄 브로마이드로 표면을 개질하여 수용액에 분산하였다.To disperse the quantum dots prepared in Example 1 in an aqueous solution, the synthesized quantum dots were dispersed in chloroform (CCl 4 ) as an organic solvent, and hexadecyl trimethyl ammonium bromide (CTAB) solution And the mixture was stirred for 24 hours to modify the surface with hexadecyltrimethylammonium bromide and dispersed in an aqueous solution.
수분산된 양자점을 제조하는 방법을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 나노 하이브리드 복합체를 제조하였다.
A nanohybrid composite was prepared in the same manner as in Example 1 except for the method of preparing a water-dispersed quantum dot.
<실시예 4><Example 4>
실시예 3 방법으로 제조된 수용성 양자점을 부탄올 (butanol) 용액에 분산된 메조기공 실리카에 넣은 후 강력하게 교반하여 양자점을 기공 안으로 확산 침투시킨 다음, 열이나 빛에 대한 안정성을 더욱 올리기 위하여 표면을 다시 실리카 전구체인 테트라 에톡시 오르소 실리케이트 (Tetraethoxy orthosilicate, TEOS)와 반응시켜, 두께 2nm의 실리카 코팅층을 형성함으로써, 기공이 막힌 나노하이브리드 복합체를 제조하였다.
The water-soluble quantum dots prepared by the method of Example 3 were placed in mesoporous silica dispersed in a butanol solution and stirred vigorously The quantum dots are diffused into the pores and then the surface is again reacted with a silica precursor, Tetraethoxy orthosilicate (TEOS), to form a silica coating layer having a thickness of 2 nm so as to further enhance stability against heat or light, A nanohybrid composite having pores closed was prepared.
<평가><Evaluation>
나노하이브리드 복합체의 광효율 및 광안정성을 평가하기 위하여 나노하이브리드 복합체를 물에 분산시킨 후, 8W UV 램프를 이용하여 일정시간 조사한 후 형광 스펙트럼을 이용하여 형광 강도를 비교하여 초기 형광강도의 80%에 도달하는 시간을 광안정성 유지 시간으로 정의하였다.In order to evaluate the light efficiency and the light stability of the nanohybrid composite, the nanohybrid composite was dispersed in water and irradiated with a 8 W UV lamp for a predetermined period of time. The fluorescence intensity was compared using the fluorescence spectrum to reach 80% of the initial fluorescence intensity Was defined as the light stability maintenance time.
또한 나노하이브리드 복합체의 광효율은 나노하이브리드 복합체를 광경화성 실리콘계 폴리머에 2wt% 분산 후, 바코팅을 하여 필름을 제조하였다. 제조된 필름에 대해 양자효율, 및 분산의 균일성을 평가하였다.The light efficiency of the nanohybrid composite was measured by dispersing 2 wt% of the nanohybrid composite on the photo-curable silicone polymer, followed by bar coating to produce a film. Quantum efficiency and uniformity of dispersion were evaluated for the prepared film.
양자효율은 기준물질로 로다민 (Rodamine 6G)을 이용하여 평가하였다. 본 발명에서의 실시예와 같이 제조된 나노하이브리드 복합체와 기준물질인 로다민을 UV 분광기 (모델명:S 3100,제조사: Scinco사)와 형광 분광기 (모델명: FluoroMate FS-2,제조사: Scinco사)를 이용하여 흡광도와 형광강도를 측정한 후, 측정된 값으로부터 구한 기울기[형광강도/흡광도] 값을 비교하여 나노하이브리드 입자의 양자효율을 계산하였다. Quantum efficiency was evaluated using rhodamine (Rodamine 6G) as a reference material. The nanohybrid composite prepared as in the present invention and rhodamine as a reference material were measured with a UV spectrometer (Model: S 3100, manufacturer: Scinco) and a fluorescence spectrometer (Model: FluoroMate FS-2, manufactured by Scinco) And the slope (fluorescence intensity / absorbance) values obtained from the measured values were compared to calculate the quantum efficiency of the nanohybrid particles.
분산의 균일성은 3cm x 3cm 크기의 필름에서 광투과도 편차를 기준으로 하였으며, 5%이하면 우수(◎), 5-10% 는 양호(○), 10-20%는 보통(△)으로 평가하였다. 결과는 표 1에 정리하였다.
The uniformity of the dispersion was evaluated based on the light transmittance deviation in a 3 cm x 3 cm size film, and when it was 5% or less, it was evaluated as excellent (⊚), 5-10% was good (∘), and 10-20% . The results are summarized in Table 1.
(단위)Quantum efficiency
(unit)
표 1로부터, 본 발명에 따르는 양자점-실리카 하이브리드 복합체는 그 양자점 입자의 종류를 불문하고 광안정성 유지시간이 20시간 이상이었다. 특히, CdSe/ZnS 양자점 입자의 경우 양자점 입자가 단독으로 존재할 때보다도 양자점-실리카 하이브리드 복합체 상태로 존재할 때, 광안정성 유지시간이 70배 이상 현저하게 길어짐을 알 수 있다(실시예 1 vs 비교예 1). 무기물 코팅된 양자점이 메조포러스 실리카의 기공에 담지되는 경우, 그 실리카의 기공이 폐쇄된 경우에는 그렇지 않은 경우에 비하여 광안정성에 있어 약 15% 정도의 추가적인 향상이 확인되었다 (실시예 4 vs 실시예 1).From Table 1, the quantum dot-silica hybrid composite according to the present invention had a light stability holding time of 20 hours or more regardless of the kind of the quantum dots. In particular, in the case of the CdSe / ZnS quantum dot particles, the photostability maintenance time is remarkably increased by 70 times or more when the quantum dot particles are present in the quantum dot-silica hybrid complex state rather than when they exist alone (Example 1 vs. Comparative Example 1 ). In the case where the inorganic coated QDs are supported on the pores of the mesoporous silica, an additional improvement of about 15% in the light stability is confirmed when the pores of the silica are closed (see Example 4 vs Example One).
한편, 양자점을 다른 고분자 소재에 분산시키는 경우에, 그 분산성 역시 양자점 입자 단독의 경우보다는 무기물 코팅된 양자점이 메조포러스 실리카의 기공에 담지되는 경우에 현저하게 상승함이 확인되었다.
On the other hand, when the quantum dots are dispersed in another polymer material, it is confirmed that the dispersibility of the quantum dots increases remarkably when the quantum dots coated with inorganic material are supported on the pores of the mesoporous silica, as compared with the case of the single quantum dot particles alone.
도 2는 본 발명에 따른 양자점이 복합된 나노하이브리드 복합체의 형광 현미경 이미지 사진이다. 도 2에서 (a)는 실시예 1에서 제조된 것으로, 양자점의 담지량이 5nM이고, (b)와 (c)는 담지량이 순서대로 100, 200nM인 나노하이브리드 복합체의 형광 현미경 이미지 사진이다. 사진으로부터, 양자점의 양의 증가에 따라 더 많은 양이 담지되어 밝아짐을 알 수 있다.FIG. 2 is a fluorescence microscope image of a nanohybrid composite in which quantum dots are combined according to the present invention. FIG. 2 (a) is a fluorescence microscope image of a nanohybrid hybrid prepared in Example 1, in which the quantum dot loading is 5 nM, and (b) and (c) are 100 and 200 nM, respectively. From the photograph, it can be seen that as the amount of quantum dots increases, more amount is carried and brightened.
도 3은 본 발명에 따른 양자점이 복합된 나노하이브리드 복합체의 형광 스펙트럼이이다. 상기 스펙트럼으로부터, 양자점의 담지량이 증가함에 따라 형광강도가 함께 증가함을 알 수 있다.FIG. 3 is a fluorescence spectrum of a nanohybrid composite in which quantum dots are combined according to the present invention. From the above spectrum, it can be seen that the fluorescence intensity increases as the amount of the quantum dots supported increases.
본 발명의 나노하이브리드 복합체는, 디스플레이용 형광체뿐만 아니라 OLED 디스플레이, LCD 디스플레이용 백라이트 필름의 고연색성 조명을 구현하기 위한 핵심 소재로 사용될 수 있다.The nanohybrid composite of the present invention can be used as a core material for realizing high color rendering illumination of OLED displays and backlight films for LCD displays as well as phosphors for displays.
Claims (18)
상기 반도성 양자점 나노입자의 표면에 무기물을 코팅하여 표면을 개질하는 제2단계; 및
표면 개질된 반도성 양자점 나노입자를 다공성 무기물 비드에 담지시키는 제3단계;를 포함하는 형광체용 나노하이브리드 복합체의 제조방법.A first step of obtaining semiconductive quantum dot nanoparticles;
A second step of coating an inorganic material on the surface of the semiconductive nanoparticle nanoparticles to modify the surface thereof; And
And a third step of supporting the surface-modified semiconducting quantum dot nanoparticles on the porous inorganic beads.
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