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노스 캐롤라이나 주립 대학 (North Carolina State University)의 연구자들은 가시 광선의 전체 스펙트럼에 걸친 페로브스카이트 양자점을 합성하기위한 마이크로 유체 시스템을 개발했다. 이 시스템은 제조 비용을 획기적으로 줄이고, 모든 색상에 대한 요구에 맞춰 조정할 수 있으며 실시간 프로세스 모니터링을 통해 품질 관리를 보장한다. 지난 20 년 동안 양자점 (quantum dot, QD)으로 알려진 콜로이드 반도체 나노 결정은 생물학적 감지 및 이미징에서부터 LED 디스플레이 및 태양 에너지 수확에 이르는 새로운 재료로 부상해 왔다. 새로운 시스템은 이러한 애플리케이션에 사용하기 위한 고품질의 QD를 지속적으로 제조하는데 사용될 수 있다. 이 시스템을 나노 결정 (NC) 팩토리이라고 부르며, 2017 년에 발표한 나노로보 (NanoRobo) 마이크로 유체 플랫폼에 기반을 두고 있다. (Advanced Functional Materials, 'Facile Room-Temperature Anion Exchange Reactions of Inorganic Perovskite Quantum Dots Enabled by a Modular Microfluidic Platform'). 지속적인 제조 방식을 사용하여 어떤 색상의 QD도 만들 수 있을 뿐만 아니라 NC 팩토리 시스템은 모듈식이다. 이것은 지속적인 프로세스 모니터링과 결합되어, 기존의 QD 제조 기술에서 중요한 문제가 될 수 있는 배치 별 변동을 제거하기 위해 필요에 따라 수정이 가능하다는 것을 의미한다. 또한 이 연구에서 개발한 화학 물질은 실온에서 페로브스카이트 QD 공정을 가능하게 한다. QD의 형광색은 화학 성분, 크기 및 나노 결정의 처리 방법의 결과이다. 나노로보 시스템에서 사용된 원래의 QD 합성 전략은 세슘 납 브로마이드를 사용하여 생성된 녹색 방출 페로브스카이트 QD의 실내 온도 합성을 허용했다. NC 팩토리는 세슘 납 브로마이드 페로브스카이트 양자점으로 시작하지만, 다양한 할로겐 염을 도입하여 가시 광선의 전체 스펙트럼에 걸쳐 형광 색상을 정밀하게 조정한다. 이 염의 음이온은 녹색 발광점에 있는 브롬 원자를 요오드 원자 (스펙트럼의 빨간색 끝으로 이동) 또는 염소 원자 (파란색으로 이동)로 대체한다. NC 팩토리가 화학 성분 및 공정 변수를 정확하게 제어할 수 있기 때문에 고품질의 모든 색상으로 페로브스카이트 양자점을 연속적으로 제조할 수 있다. NC 팩토리 시스템은 세 가지 '플러그 앤 플레이'모듈로 구성된다. 연구팀은 제품 품질을 향상시키기 위해 할라이드 염과 양자점의 혼합을 촉진하기 위한 사전 혼합 모듈을 개발했다. 이 시스템은 또한 사용자가 반응 시간을 정확하게 모니터할 수 있는 속도 센서를 포함하고 있다. 합성된 QD는 나노로보 공정 모니터링 모듈을 사용하여 현장에서 모니터링된다. 과학적 견지에서 NC 팩토리 시스템은이 할로겐 교환 프로세스가 3 단계로 진행된다는 것을 발견했다. 이것은 반응 메커니즘을 더 잘 이해하는데 매우 중요하다. 그러나 이 시스템은 양자점 애플리케이션 및 제조와 관련된 실용적인 문제에도 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 페로브스카이트 양자점은 효율면에서 태양 광 산업에 매력적이지만 대규모로 채택하기에는 여전히 비싸다. 그리고 그 비용의 60 % 이상이 제조 노동에 대한 비용이다. NC 팩토리 시스템은 지속적으로 작동하는데 훨씬 적은 노동력을 필요로 한다. 이 시스템으로 전체 제조 비용을 최소 50 %까지 줄일 수 있을 것으로 예상한다. QD의 제조 비용을 모든 애플리케이션에서 줄여야 하며, 이와 함께 양자점 품질을 유지해야 한다. 연구팀은 이 시스템에 대한 특허를 제출했으며 기술을 상용화하기 위해 업계 협력자와 협력하고 있다. |
