KR20200121506A - 나노입자의 정제 장치 및 방법 - Google Patents

나노입자의 정제 장치 및 방법 Download PDF

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KR20200121506A
KR20200121506A KR1020190044129A KR20190044129A KR20200121506A KR 20200121506 A KR20200121506 A KR 20200121506A KR 1020190044129 A KR1020190044129 A KR 1020190044129A KR 20190044129 A KR20190044129 A KR 20190044129A KR 20200121506 A KR20200121506 A KR 20200121506A
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정웅찬
이진규
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주식회사 엘지화학
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    • B01D—SEPARATION
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

본 출원은 열영동을 이용한 나노입자의 정제장치 및 정제방법에 관한 것이다. 상기 장치와 방법은 산업적으로 이용 가능한 수준으로 나노입자를 연속적으로 정제할 수 있다.

Description

나노입자의 정제 장치 및 방법{Apparatus and method for seprarating nanoparticles}
본 출원은 나노입자를 정제하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
나노 입자의 회수나 정제방법은 생성물의 크기와 성질에 따라 달라진다. 예를 들어, 양자점(quantum dot) 같은 나노입자에 대한 회수나 정제는, 합성 후 불순물을 제거하기 위해 합성원액 내의 양자점을 원심분리로 침전시키고, 불순물이 없는 용매에 재분산하는 과정을 수차례 반복하는 방식으로 이루어진다. 이러한 배치타입 정제방식은 균일한 품질을 확보하기 어렵고, 값비싼 윈심분리기를 사용해야 하기 때문에 산업적 대량 생산에 적용하기 어렵다는 문제가 있다. 또한, 100 nm 에서 100 μm 사이의 크기를 갖는 입자를 분리·정제하는데 주로 이용되는 원심분리는, 100 nm 미만의 크기를 갖는 양자점에 대한 회수나 정제에는 불충분한 측면이 있다.
최근에는 나노입자의 회수·정제와 관련하여, 전기영동 현상을 이용한 연속식 정제 기술이 보고되고 있다. 전기영동 기술은 공정 전반에서 자동화가 용이하므로 산업체에 요구되는 대량 정제방식의 단초가 될 수 있다. 그러나 전기영동 방식 사용시 발생하는 강한 전기장으로 인해 양자점의 발광효율이 저하하는 문제가 있다.
나노입자의 회수·정제와 관련한 또 다른 방법으로 여과(filtration)가 있다. 여과 방식은 물리적 체거름을 이용하는 것으로, 필터의 기공 크기보다 큰 물질은 필터에 걸러질 수 있고, 그 결과 낮은 분자량을 가진 물질로부터 분리·농축되는 방식이다. 분리막은 기공의 크기에 따라 정밀 여과막, 한외 여과막, 나노 여과막 등으로 구분된다. 그 중 한외 여과막은 양자점이 여과될 수 있는 1 내지 50 nm 범위의 세공 크기를 갖는다. 그러나 나노입자를 여과하는 경우, 시간이 지남에 따라 막투과 유속이 저하하는 문제가 발생한다. 즉, 막에 작용하는 여과 저항으로 인해 투과 유속이 저하하는 파울링(fouling) 문제가 발생하기 때문에, 산업적인 대량 생산에는 적합하지 않다.
본 출원의 일 목적은 상기 언급된 종래 기술의 문제점을 해결하는 것이다.
본 출원의 다른 목적은 산업적인 활용이 가능하도록 나노입자를 연속적으로 회수할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 출원의 상기 목적 및 기타 그 밖의 목적은 하기 상세히 설명되는 본 출원에 의해 모두 해결될 수 있다.
본 출원은 상기 과제를 해결할 수 있는 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 열영동을 이용한 나노입자 정제장치일 수 있다. 상기 장치는 나노입자 함유 혼합액이 유입되는 유입구; 및 정제된 혼합액이 배출되는 배출구를 갖는 채널(channel)을 포함하고, 상기 채널은 상부 부재; 및 상기 상부 부재 보다 온도가 낮은 하부 부재를 포함하여 채널 내 제 1 방향에서 온도 구배를 가질 수 있다.
본 출원에 관한 다른 일례에서, 상기 장치는 유입 후 배출되는 혼합액이 제 1 방향과 상이한 제 2 방향에서의 흐름을 갖도록 채널의 일측과 타측에 각각 유입구와 배출구를 가질 수 있다.
본 출원에 관한 또 다른 일례에서, 상기 상부 부재와 하부 부재의 온도 차이는 40 내지 120 ℃ 범위 이내일 수 있다.
본 출원에 관한 또 다른 일례에서, 상기 상부 부재와 하부 부재 사이의 간격은 50 내지 400 ㎛ 범위 이내일 수 있다.
본 출원에 관한 또 다른 일례에서, 상기 상부 부재는 다공성 부재일 수 있다.
본 출원에 관한 또 다른 일례에서, 상기 상부 부재는 50 내지 500 nm 크기의 기공을 가질 수 있다.
본 출원에 관한 또 다른 일례에서, 상기 상부 부재 및 하부 부재 중 하나 이상은 금속 또는 세라믹 재료를 포함할 수 있다.
본 출원에 관한 또 다른 일례에서, 상기 장치는 나노입자와 분리된 혼합액을 제거할 수 있는 제 2 유동부를 상기 상부 부재 상에 가질 수 있다.
본 출원에 관한 또 다른 일례에서, 상기 장치는 2 이상의 채널이 직렬로 유체 연결된 장치일 수 있다. 채널 간 유체연결을 위한 수단은, 예를 들어, 파이프(배관) 및 밸브 등을 포함할 수 있다.
본 출원에 관한 또 다른 일례에서, 상기 장치는 혼합부를 더 포함할 수 있다. 상기 혼합부는 나노 입자 함유 원액과 극성 용매를 혼합하여 혼합액을 제조하거나 정제된 혼합액에 희석 용매를 혼합하여 희석 혼합액을 제조할 수 있고, 채널의 유입구 및 배출구 중 하나 이상과 유체 연결될 수 있다. 혼합부와 채널을 유체연결하기 위한 수단은, 예를 들어, 파이프(배관) 및 밸브 등을 포함할 수 있다.
또한, 본 출원은 상기 과제를 해결할 수 있는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 열열동을 이용한 나노입자의 정제방법이다. 상기 방법은 나노입자 함유 혼합액을 채널 내로 유입시키는 단계; 및 채널 내에 형성된 제 1 방향에서의 온도구배를 이용하여, 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향의 혼합액 흐름 중에서 온도가 높은 채널 상부 측으로 이동하는 불순물 흐름과 온도가 낮은 채널 하부 측으로 이동하는 나노입자의 흐름을 분리하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 출원에 관한 다른 예시에서, 상기 방법은 채널 내 1 방향에서 채널 상부의 온도와 하부의 온도 차이를 40 내지 120 ℃ 범위로 제어할 수 있다.
본 출원에 관한 또 다른 예시에서, 상기 방법은, 채널 내로 나노입자 함유 혼합액을 주입하기 전에, 나노입자 함유 원액과 극성 용매를 혼합하여 나노입자 함유 혼합액을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 출원에 관한 또 다른 예시에서, 상기 방법은 나노입자 함유 혼합액 전체 함량 중 극성 용매가 10 내지 60 중량%를 차지하도록 나노입자 함유 혼합액을 제조할 수 있다.
본 출원에 관한 또 다른 예시에서, 상기 방법은 상기 나노입자의 흐름을 채널 외부로 배출하여 나노입자를 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 출원에 관한 또 다른 예시에서, 상기 방법은 나노입자의 흐름을 채널 외부로 배출하고, 배출된 상기 나노입자의 흐름을 희석 용매와 혼합하여 희석 혼합액을 제조하는 단계; 나노입자 함유 희석 혼합액을 제 2 채널 내로 유입시키는 단계; 및 상기 제 2 채널 내에 형성된 제 1 방향에서의 온도구배를 이용하여, 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향의 혼합액 흐름 중에서 온도가 높은 채널 상부 측으로 이동하는 불순물 흐름과 온도가 낮은 채널 하부 측으로 이동하는 나노입자의 흐름을 분리하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 출원의 일례에 따르면, 산업적으로 이용가능하도록 나노입자를 연속적으로 정제할 수 있는 나노입자 정제 장치 및 방법이 제공된다.
도 1은 본 출원에 관한 일례에서 사용되는 채널을 개략적으로 도시한다.
도 2는 열열동 방식을 이용한 본 출원에 관한 일례에 따라, 나노입자 정제와 관련된 혼합액의 흐름을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 열열동 방식을 이용한 본 출원에 관한 일례에 따라, 채널 내 상부 부재(120)와 하부 부재(140) 사이인 유동부(150)에서 나노입자와 불순물의 흐름을 도시한다.
도 4는 본 출원에 관한 일례에 따라 2 이상의 채널을 포함하는 장치와 나노입자 혼합액과 정제된 혼합액의 흐름을 개략적으로 도시한다.
도 5 및 도 6은 본 출원에 관한 일례에 따라 혼합부(200)를 더 포함하는 정제장치를 개략적으로 도시한다.
이하, 본 출원의 일례에 따른 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 설명의 편의를 위하여, 도시된 각 구성의 크기나 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
본 출원에서 나노입자란 입자의 크기가 나노미터(nm) 수준인 경우를 의미한다. 예를 들어, 정제대상인 입자는 가장 큰 차원의 길이가 1 ㎛ 미만인 입자일 수 있다. 이때 입자란, 가장 큰 차원의 길이와 가장 작은 차원의 길이 간 비율이 1.5 이하인 경우를 의미할 수 있다.
상기 크기를 만족하는 경우라면, 본 출원에서 입자를 형성하는 재료의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 본 출원에서 용어 「입자」는 유기 입자, 무기 입자 및 유무기 하이브리드 입자를 포괄하는 의미로 사용된다.
하나의 예시에서, 본 출원의 정제 대상인 나노입자는 양자점(quantum dot)일 수 있다. 정제 대상인 나노입자가 양자점인 경우, 상기 양자점은 CdS, CdO, CdSe, CdTe, ZnS, ZnO, ZnSe, ZnTe, MnS, MnO, MnSe, MnTe, MgO, MgS, MgSe, MgTe, CaO, CaS, CaSe, CaTe, SrO, SrS, SrSe, SrTe, BaO, BaS, BaSe, BaTE, HgO, HgS, HgSe, HgTe, Al2O3, Al2S3, Al2Se3, Al2Te3, Ga2O3, Ga2S3, Ga2Se3, Ga2Te3, In2O3, In2S3, In2Se3, In2Te3, SiO2, GeO2, SnO2, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbO2, PbS, PbSe, PbTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, BP, Si, Ge, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
하나의 예시에서, 본 출원 정제 대상인 나노입자 또는 양자점은 상기 나열된 물질들을 2 이상 포함하는 코어(core)-쉘(shell) 구조를 가질 수 있다. 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 나노입자는 코어로서 ZnTe, ZnSe, InP, CdS 및/또는 CdSe 를 포함할 수 있고, 쉘로서는 ZnTe, ZnSe, InP, CdS, CdSe 및/또는 ZnS를 포함할 수 있다. 이때, 코어와 쉘은 서로 상이한 물질을 포함한다.
하나의 에시에서, 상기 나노입자가 코어-쉘 형상을 갖는 경우, 코어는 다른 물질을 둘러쌀 수 있고, 코어와 쉘 사이에는 다른 물질이 존재할 수도 있다. 그리고, 쉘은 다른 물질에 의해 둘러싸일 수 있다. 예를 들어, 상기 입자는 ZnTe, ZnSe, InP, CdS 및 CdSe 중에서 선택되는 하나 이상의 코어; 상기 코어를 둘러싸고, 상기 코어와 상이한 물질을 포함하며, ZnTe, ZnSe, InP, CdS, CdSe 및 ZnS 중에서 선택되는 물질을 포함하는 제 1 쉘; 및 상기 제 1 쉘을 둘러싸는 제 2 쉘을 포함할 수 있다. 이때, 제 2 쉘은 상기 제 1 쉘과 상이한 물질을 포함하고, ZnTe, ZnSe, InP, CdS, CdSe 및 ZnS 중에서 선택되는 물질을 포함할 수 있다. 특별히 제한되지 않으나, 상기 코어와 제 2 쉘은 동일 또는 상이한 물질을 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 나노입자는 입자 표면에 배위 결합된 리간드를 포함할 수 있다. 상기 리간드는 나노입자 표면에 소위 캐핑층을 형성할 수 있다. 이들 리간드는 양자점 분산액을 제조할 시 용매 내에서 양자점들 사이의 지나친 응집을 방지할 수 있다. 즉, 리간드는 입자의 분산성을 높일 수 있다. 이들 리간드는 비극성을 나타내는(또는 극성이 낮은) 장쇄 알킬 또는 아릴기를 가질 수 있고, 예를 들어, 포스핀 옥사이드, 유기 아민, 유기산, 포스폰산 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 물질일 수 있다.
일 예로서, 상기 캡핑층을 형성하는 리간드로는 트리-n-옥틸포스핀(TOP), 트리-n-옥틸포스핀 옥사이드(TOPO), 올레산, 스테아르산, 팔미트산, 옥타데실아민, 헥사데실아민, 도데실아민, 라우르산, 헥실포스폰산 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 물질층일 수 있다.
상기 나노입자는 용액과 혼합된 상태로 장치 내에 유입되고, 이후 정제될 수 있다. 장치로 유입되는 나노입자 함유 혼합액은, 나노입자 외에 용매 성분을 포함할 수 있다. 상기 용매는 나노입자 합성시 사용된 조성물에 포함되는 용매로서, 예를 들면, 옥타데신, 톨루엔, 헥산, 헵탄, THF, 사이클로헥산, 메틸 에틸 케톤, 메틸 셀로솔브, 에틸셀로솔브, 에틸렌글리콜 디메틸 에테르, 에틸렌글리콜 디에틸 에테르, 프로필렌글리콜 디메틸 에테르, 프로필렌 글리콜 디에틸 에테르, 디에틸렌글리콜 디메틸에테르, 디에틸렌글리콜 디에틸에테르, 디에틸렌글리콜 메틸 에틸 에테르, 2-에톡시 프로판올, 2-메톡시 프로판올, 3-메톡시 부탄올, 시클로헥사논, 시클로펜타논, 프로필렌글리콜 메틸 에테르 아세테이트, 프로필렌글리콜 에틸 에테르 아세테이트, 3-메톡시부틸 아세테이트, 에틸 3-에톡시프로피오네이트, 에틸 셀로솔브아세테이트, 메틸 셀로솔브아세테이트, 부틸아세테이트, 또는 디프로필렌글리콜 모노메틸 에테르일 수 있다.
본 출원에 관한 일례에서, 본 출원은 나노입자의 정제 장치에 관한 것이다.
상기 장치를 이용하는 본 출원에서, 정제대상인 나노입자는 열영동 방식을 이용하여 정제된다. 열영동은 유체의 온도구배에 의하여 입자가 이동하는 현상을 말하며, 소레 효과(Soret effect)로도 알려져 있다. 기상에서의 열영동 현상은 초미세입자 포집, 동위원소 분리, 에어로졸 세정, 나노 입자 증착 등 다양한 방식으로 산업적으로 활용되고 있다. 하지만 액상에서의 열영동 현상은 여러 연구가 있음에도 불구하고, 이론적 해석에 대한 논쟁이 존재하고 산업적인 활용도도 낮다.
열영동 거동은 J = -D∇ - cD T ∇T, ST = D T /D로 표현될 수 있다. 식의 오른쪽 첫번째 항은 픽의 확산 법칙(Fick's laws of diffusion)을 나타내고, 두번째 항은 온도구배에 의한 이동을 나타낸다. 여기서 c는 물질농도, J는 유량(flux), T는 온도분포, D는 물질확산계수, DT는 열확산계수이며 ST는 소레(Soret) 계수이다. 일반적으로 크고 무거운 입자는 써모포빅(thermophobic) 거동(positive Soret coefficient)을 보이지만, 농도와 온도 조건에 따라 입자의 거동(이동 방향)이 바뀔 수도 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 양자점과 같은 나노입자의 경우, 비극성 용매에 잘 분산될 수 있도록 비극성 리간드로 표면 처리 되어 있을 수 있다. 따라서, 양자점 용액에 극성 용매의 첨가량을 늘리게 될 경우에는 양자점이 응집체를 형성하면서 침전될 수 있다. 주로 원심분리기를 이용하여 나노입자를 정제하는 종래 기술에서는 원심분리가 이루어질 수 있을 정도의 무게나 크기를 갖는 나노입자의 응집체가 형성될 필요가 있다. 예를 들어, 원심분리를 수행하기 위해서는 나노입자 응집체의 크기가 100 nm 초과, 200 nm 초과, 300 nm 초과, 400 nm 초과 또는 500 nm를 초과하거나, 약 1 ㎛ 에 근접할 필요가 있다. 즉, 종래 기술에서는 원심분리에 적합한 응집체 형성을 위하여 나노입자 함유 원액에 혼합되는 극성 용매가, 혼합액 전체 중량 중 적어도 60%, 구체적으로는 65% 이상, 70% 이상, 75 % 이상 또는 80% 이상일 수 있도록 사용되었다. 본 출원의 발명자는 원심분리를 이용하기 위하여 큰 크기의 응집체를 형성해야 하는 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있도록 연구한 끝에, 열영동을 이용하는 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
구체적으로, 본 출원의 발명자는, 용매에 분산된 수 나노미터(nm) 크기의 1차 입자에 대해서도, 그리고 상기 1차 입자가 응집된 약 10 내지 300 nm 크기의 2차 입자에 대해서도, 열영동 현상이 효과적으로 작용한다는 것을 확인하였다. 특히, 열영동은 1차 입자가 약 10 내지 300 nm 크기로 응집된 경우 정제에 효과적일 수 있다.
열영동을 이용한 본 출원의 정제장치와 관련하여, 상기 장치는 나노입자 함유 혼합액이 유입되는 유입구; 및 정제된 나노입자가 배출되는 배출구를 갖는 채널(channel)을 포함한다. 상기 채널은 유입구, 배출구, 상부 부재, 하부 부재 및 유동부를 포함할 수 있다.
도 1은 본 출원에 관한 일례에 따라 나노입자를 정제하는데 사용할 수 있는 채널(100)을 도시한 것이다. 상기 채널은 나노입자 함유 혼합액(S1)이 유입되는 유입구(110), 정제된 혼합액(S2)이 배출되는 배출구(130), 상부 부재(120), 상기 상부 부재 보다 온도가 낮은 하부 부재(140), 혼합액이 경유하는 유동부(150)를 포함할 수 있다. 본 출원에서 상부 또는 하부라는 표현은, 구성 요소 간의 상대적인 위치를 표현하기 위해 사용된다.
상기 채널에서, 상부 부재와 하부 부재는 제 1 방향에서의 온도 구배를 형성하기 위해 서로 다른 온도를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 부재는 상부 부재 보다 온도가 낮을 수 있고, 그에 따라 상기 상부 부재와 하부 부재가 대향하는 방향, 즉 제 1 방향에서 온도 구배가 형성될 수 있다.
상기 채널에서, 유입후 배출되는 혼합액은 제 1 방향과 상이한 제 2 방향의 흐름을 가질 수 있다. 이와 관련하여, 채널의 일측과 타측에 유입구와 배출구가 각각 형성될 수 있다. 제 2 방향과 제 1 방향이 상이하다는 것은 유입구의 중심과 배출구의 중심을 연결하는 가상의 직선(L1)과, 상부 부재와 하부 부재가 서로 마주보는 방향과 평행한 가상의 직선(L2)이 서로 평행하지 않고 교차할 수 있다는 것을 의미한다. 제 1 방향과 제 2 방향이 교차하는 각도는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 약 50 ˚ (degree) 이상, 60 ˚ 이상, 70 ˚ 이상, 80 ˚ 이상일 수 있다. 하나의 예시에서, 제 1 방향과 제 2 방향의 교차 각도는 실질적으로 90 ˚ 일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 상부 부재와 하부 부재의 온도차이는 40 내지 120 ℃ 범위일 수 있다. 열영동에 따른 나노입자의 이동정도는 온도차에 비례하는데, 상부 부재와 하부 부재의 온도 차이가 40 ℃ 미만인 경우에는 이동 속도가 너무 느리기 때문에, 열영동에 따른 분리 효과를 얻기 어렵다. 또한, 마이크로 채널, 즉 그 크기가 마이크로 미터(㎛) 수준인 채널에서는 120 ℃ 이상의 온도차이를 구현하는 것이 쉽지 않고, 경제성도 좋지 못하다.
하나의 예시에서, 상기 상부 부재와 하부 부재 사이의 간격은 50 내지 400 ㎛ 범위일 수 있다. 상부 부재와 하부 부재 사이의 간격이 상기 범위를 만족하는 경우, 정제에 적합한 유속과 유동로를 확보할 수 있기 때문에 산업적 활용에 적합하다. 이때, 상기 상부 부재와 하부 부재 사이의 간격은 채널의 높이로 볼 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 상부 부재는 다공성 부재일 수 있다. 다공성인 상부 부재는 상부 부재를 거쳐 채널을 통과하는 미세 흐름을 형성할 수 있다.
구체적으로, 나노입자 함유 혼합액이 채널에 유입되는 경우, 제 1 방향에서 형성된 온도 구배에 따른 열영동 현상으로 인해 나노입자를 제외한 불순물(예를 들어, 나노입자 합성 원액에 포함된 미결합 유기 리간드, 미반응 전구체와 같은 나노입자 합성시 미반응 물질 등)이 높은 온도를 갖는 상부 부재 측으로 이동하게 된다. 그리고 이들 불순물은 상부 부재의 공극을 통해 채널을 통과할 수 있다. 도 2와 도 3은 이러한 흐름을 설명한다.
구체적으로, 도 2는 채널로 유입된 혼합액(S1)이 불순물 관련 흐름(Sw)과 나노입자를 포함하는 정제된 흐름(S2)으로 나누어지는 모습을 도시한다. 즉, 채널 하류 방향의 흐름인 나노입자의 흐름과 채널 상부 기재 측으로의 불순물 함유 미세 흐름이 형성된다. 그 결과 채널 하류로 갈수록 불순물의 농도는 점차 낮아지고 정제대상인 나노입자의 농도는 점차 높아진다.
도 3은 열열동 방식을 이용한 본 출원에 관한 일례에 따라, 채널 내 상부 부재(120)와 하부 부재(140) 사이인 유동부(150)에서 나노입자(nano particles)와 불순물(impurities)의 흐름을 도시한다. 도 3에서와 같이, 상부 부재(120)의 온도(T1)은 하부 부재(140)의 온도(T2) 보다 높으며, 이들 사이의 온도 구배로 인한 열영동 현상에 의해 유동부(150) 내에 존재하는 혼합액 중 응집된 나노입자의 흐름은 채널 상단 벽으로부터 밀려나 상대적으로 차가운 하부 부재 측으로 이동하고, 불순물의 흐름(Sw)은 상대적으로 뜨거운 상부 부재측으로 이동하게 된다.
하나의 예시에서, 상기 상부 부재는 50 내지 500 nm 크기의 기공을 가질 수 있다. 기공의 크기가 50 nm 미만인 경우에는 불순물에 의해 기공이 막힐 수 있고, 기공의 크기가 500 nm 를 초과하는 경우에는 상부 부재를 통해 채널을 통과하는 불순물의 흐름(Sw)이 충분이 발생하지 않거나 열영동에 따른 흐름의 분리가 충분치 않을 수 있다.
본 출원에서 상부 부재와 하부 부재에 대하여 온도 구배를 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않는다.
하나의 예시에서, 하부 부재의 온도는, 도 2에서와 같이, 하부 부재(140)를 냉각시키기 위한 냉각 유체(F1)의 흐름을 통해 상부 부재의 온도 보다 낮을 수 있다. 이때, 사용되는 유체는 액체 및/또는 기체일 수 있다. 이를 위하여, 상기 장치 또는 채널은 제 3 유동부(170)를 가질 수 있다. 상기 유동부를 흐르는 액체 또는 기체의 종류는 특별히 제한되지 않는다.
하나의 예시에서, 상부 부재의 온도는, 도 2에서와 같이, 상부 부재(140)를 가열하기 위한 유체(F2)의 흐름을 통해 하부 부재의 온도 보다 높을 수 있다. 이때, 사용되는 유체는 액체 및/또는 기체일 수 있다. 이를 위하여, 상기 장치 또는 채널은 제 2 유동부(160)를 가질 수 있다. 상기 유동부를 흐르는 액체 또는 기체의 종류는 특별히 제한되지 않는다.
또 하나의 예시에서, 상부 부재의 온도는, 열적으로 상부 부재에 연결된 히팅 유닛(heating unit)(미도시)에 의해 하부 부재 보다 높도록 유지될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 상부 부재는 금속 또는 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 이들 재료를 사용하는 경우, 상부 부재는 높은 열전도율과 열안정성을 가질 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 하부 부재는 금속 또는 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 이들 재료를 사용하는 경우, 하부 부재는 우수한 열전도율을 가질 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 상부 부재 및 하부 부재는 동일 또는 상이한 재료를 포함할 수 있다.
상기 상부 또는 하부 부재에 포함되는 금속의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 금(Au), 백금(Pt), 및 스테인리스강(stainless steel) 중에서 선택되는 하나 이상의 금속이 상기 부재에 포함될 수 있다.
상기 상부 또는 하부 부재에 포함되는 세라믹 재료의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 스테타이트(Steatite), 포스테라이트(Forsterite), 산화마그네슘(MgO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화베릴륨(BeO), 및 질화알루미늄(AlN) 중에서 선택되는 하나 이상의 금속이 상기 부재에 포함될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 채널은 나노입자와 분리된 혼합액 중 일부 성분을 제거할 수 있는 제 2 유동부를 포함할 수 있다. 상기 제 2 유동부는 상부 부재 상에 위치할 수 있다. 구체적으로, 앞서 설명한 바와 같이, 열영동 현상 결과 다공성 상부 부재를 통해 불순물 흐름(Sw)이 채널을 통과할 수 있는데, 상기 불순물의 흐름을 제거하기 위하여 도 2에서와 같이, 상기 장치 또는 채널은 유체(F2)의 흐름이 형성되는 제 2 유동부(160)를 가질 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 제 2 유동부(160)을 흐르는 유체(F2)는 불순물을 제거하기 위한 용매의 흐름일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 장치는 적어도 2 이상의 채널이 유체 연결된 장치일 수 있다. 구체적으로, 도 4에서와 같이, 상기 장치는 복수개의 채널이 연결되어 어느 한 채널로부터 유출된 흐름이 동일한 구성의 다른 채널로 유입되는 방식으로 전기영동에 따른 정제 과정을 수차례 거치도록 구성될 수 있다. 사용 가능한 채널의 개수는 특별히 제한되지 않는다.
특별히 제한되지는 않으나, 채널 간 유체 연결을 위한 수단은, 예를 들어, 파이프(배관) 및 밸브 등을 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 장치는 혼합부를 더 포함할 수 있다. 상기 혼합부는, 나노 입자 함유 원액과 극성 용매를 혼합하여 혼합액을 제조할 수 있도록 구성될 수 있다. 이때, 혼합액 중 극성 용매의 함량은 60 중량% 이하일 수 있다. 혼합액 중 극성 용매의 함량이 60중량%를 초과하는 경우에는 나노입자가 지나치게 응집하면서 커질 수 있기 때문에, 열영동 효과가 미미할 수 있다. 극성 용매 함량의 하한은 10 중량%일 수 있다.
또 하나의 예시에서, 상기 혼합부는 어느 하나의 채널을 거쳐 배출된 혼합액, 즉 정제된 혼합액에 희석 용매를 혼합하여 희석 혼합액을 제조할 수 있도록 구성될 수 있다.
상기 혼합부의 구성은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 스태틱 (마이크로) 믹서를 포함하는 장치일 수 있다.
상기 혼합부와 채널을 연결하기 위한 수단은, 예를 들어, 파이프(배관) 및 밸브 등을 포함할 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 출원에 관한 일례에 따라 혼합부(200)를 더 포함하는 정제장치를 개략적으로 도시한다. 구체적으로 도 5는 나노 입자 함유 원액과 극성 용매를 혼합하여 혼합액을 제조하는 혼합부, 및 채널을 도시한 것이다. 또한, 도 6은, 어느 하나의 채널을 거쳐 배출된 혼합액에 희석 용매를 혼합하여 희석 혼합액을 제조하는 혼합부, 및 순차로 연결된 채널을 도시한 것이다. 도시하지는 않았으나, 도 5의 혼합부와 도 6의 혼합부는 하나의 장치에서 함께 사용될 수 있다.
본 출원에 관한 다른 일례에서, 본 출원은 나노입자의 정제 방법에 관한 것이다. 본 출원의 나노입자 정제방법은, 앞서 설명된 장치를 이용하는 전기영동 방식의 정제방법이다.
구체적으로, 상기 방법은 나노입자 함유 혼합액을 채널 내로 유입시키는 단계; 및 채널 내에 형성된 제 1 방향에서의 온도구배를 이용하여, 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향의 혼합액 흐름 중에서 온도가 높은 채널 상부 측으로 이동하는 불순물 흐름과 온도가 낮은 채널 하부 측으로 이동하는 나노입자의 흐름을 분리하는 단계를 포함할 수 있다. 상기와 같은 흐름의 분리는 앞서 설명된 열영동 현상에 의한 것이다.
상기 혼합액을 채널 내로 유입시키는 온도는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 특별히 감온되거나 가온되지 않은 상온 상태에서 혼합액이 채널 내로 유입될 수 있다. 구체적으로, 상기 유입은 18 내지 30 ℃ 범위, 21 내지 27 ℃ 범위 또는 23 내지 26 ℃ 범위에서 이루어질 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 방법은 제 1 방향에서의 온도 구배를 형성하고자, 채널 상부의 온도와 하부의 온도 차이를 40 내지 120 ℃ 범위로 유지할 수 있다. 부재 간 온도 차이를 상기 범위로 유지하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 앞서 장치와 관련하여 설명된 예시들이 적용될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 방법은 채널 내로 나노입자 함유 혼합액을 주입하기 전에, 나노입자 함유 원액과 극성 용매를 혼합하여 나노입자 함유 혼합액을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 혼합액의 제조는 앞서 설명된 혼합부와 같은 구성에 의해 이루어질 수 있다. 채널 내로 유입되는 양자점 합성 원액에 극성 용매를 혼합하는 경우, 양자점이 10 내지 300 nm 크기의 응집체를 형성할 수 있고, 열영동 현상에 더하여 상기 응집체를 하부 부재 측으로 이동시키는데 유리할 수 있다.
극성 용매의 종류는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 에탄올, 메탄올, 이소프로필알코올(IPA), 아세톤 또는 부타논 등이 극성 용매로 사용될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 방법은 나노입자 함유 혼합액 전체 함량 중 극성 용매가 10 내지 60 중량% 를 차지하도록 나노입자 함유 혼합액을 제조하는 방법일 수 있다. 극성용매 함량이 높아질 수록 응집체 크기가 증가하며 열영동 정제 효율이 높아질 수는 있지만, 극성 용매의 함량이 상기 범위를 초과하는 경우에는 분산 안정성이 떨어지고, 불순물도 함께 침전되는 문제가 있다.
하나의 예시에서, 상기 방법은 상기 나노입자의 흐름을 채널 외부로 배출하여 나노입자를 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다. 나노입자의 회수는, 예를 들어, 진공상태 및/또는 불활성 기체 분위기에서 양자점 용액을 건조시켜 파우더(powder)를 얻는 방식으로 이루어질 수 있다.
상기와 같이, 본 출원에 관한 예시적인 도면을 참고하여 본 출원 발명을 설명하였지만, 본 출원 발명의 보호 범위는 상기 특정된 실시예와 도면에 한정되지 않는다. 또한, 본 기술 분야가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 출원된 본 발명의 기술적 사상과 범위 내에서 특허청구범위에 기재된 발명이 다양하게 변경 또는 변형될 수 있음을 이해할 것이다.
100: 채널
110: 유입구
120: 상부부재
130: 배출구
140: 하부부재
150: 유동부
160: 제 2 유동부
170: 제 3 유동부
200: 혼합부
T1: 상부 부재의 온도
T2: 하부 부재의 온도
S1: 나노입자 함유 혼합액
S2: 정제된 혼합액 또는 유동부를 거치면서 정제된 혼합액의 흐름
Sw: 불순물 흐름

Claims (15)

  1. 나노입자 함유 혼합액이 유입되는 유입구; 및 정제된 혼합액이 배출되는 배출구를 갖는 채널(channel)을 포함하는 나노입자 정제장치이고,
    상기 채널은 상부 부재; 및 상기 상부 부재 보다 온도가 낮은 하부 부재를 포함하여 채널 내 제 1 방향에서 온도 구배를 갖는 나노입자 정제장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 유입 후 배출되는 혼합액이 제 1 방향과 상이한 제 2 방향에서의 흐름을 갖도록 채널의 일측과 타측에 각각 유입구와 배출구를 갖는 나노입자 정제장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 부재와 하부 부재의 온도 차이는 40 내지 120 ℃ 범위 내인 나노입자 정제장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 부재는 다공성인 나노입자 정제장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 상부 부재는 50 내지 500 nm 크기의 기공을 갖는 나노입자 정제장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 상부 부재 및 하부 부재 중에서 하나 이상은 금속 또는 세라믹 재료를 포함하는 나노입자 정제장치.
  7. 제 4 항에 있어서, 나노입자와 분리된 혼합액을 제거할 수 있는 제 2 유동부를 상기 상부 부재 상에 갖는 나노입자 정제장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 2 이상의 채널이 유체 연결된 나노입자 정제장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 나노 입자 함유 원액과 극성 용매를 혼합하여 혼합액을 제조하거나 정제된 혼합액에 희석 용매를 혼합하여 희석 혼합액을 제조하는 혼합부를 더 포함하고, 상기 혼합부는 채널의 유입구 및 배출구 중 하나 이상과 유체 연결된 나노입자 정제장치.
  10. 나노입자 함유 혼합액을 채널 내로 유입시키는 단계; 및
    채널 내에 형성된 제 1 방향에서의 온도구배를 이용하여, 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향의 혼합액 흐름 중에서 온도가 높은 채널 상부 측으로 이동하는 불순물 흐름과 온도가 낮은 채널 하부 측으로 이동하는 나노입자의 흐름을 분리하는 단계;
    를 포함하는 나노입자 정제방법.
  11. 제 11 항에 있어서, 채널 내 1 방향에서 채널 상부의 온도와 하부의 온도 차이를 40 내지 120 ℃ 범위로 유지하는 나노입자 정제방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 채널 내로 나노입자 함유 혼합액을 주입하기 전에, 나노입자 함유 원액과 극성 용매를 혼합하여 나노입자 함유 혼합액을 제조하는 단계를 더 포함하는 나노입자 정제방법.
  13. 제 13 항에 있어서, 나노입자 함유 혼합액 전체 함량 중 극성 용매가 10 내지 60 중량%를 차지하도록 나노입자 함유 혼합액을 제조하는 나노입자 정제방법.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 나노입자의 흐름을 채널 외부로 배출하여 나노입자를 회수하는 단계를 더 포함하는 나노입자 정제방법.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 나노입자의 흐름을 채널 외부로 배출하고, 배출된 상기 나노입자의 흐름을 희석 용매와 혼합하여 희석 혼합액을 제조하는 단계;
    나노입자 함유 희석 혼합액을 제 2 채널 내로 유입시키는 단계; 및
    상기 제 2 채널 내에 형성된 제 1 방향에서의 온도구배를 이용하여, 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향의 혼합액 흐름 중에서 온도가 높은 채널 상부 측으로 이동하는 불순물 흐름과 온도가 낮은 채널 하부 측으로 이동하는 나노입자의 흐름을 분리하는 단계를 더 포함하는 나노입자 정제방법.
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