[논문]형광 나노입자: 합성 및 응용

김영국; 송병관; 이정구; 백연경

doi:10.4150/kpmi.2020.27.2.154

형광 나노입자: 합성 및 응용
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한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.27 no.2, 2020년, pp.154 - 163

김영국 (재료연구소 기능분말연구실) , 송병관 (재료연구소 기능분말연구실) , 이정구 (재료연구소 기능분말연구실) , 백연경 (재료연구소 기능분말연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

Fluorescent nanoparticles are characterized by their unique properties such as luminescence, optical transparency, and sensitivity to various chemical environments. For example, semiconductor nanocrystals (quantum dots), which are nanophosphors doped with transition metal or rare earth ions, can be classified as fluorescent nanoparticles. Tuning their optical and physico-chemical properties can be carried out by considering and taking advantage of nanoscale effects. For instance, quantum confinement causes a much higher fluorescence with nanoparticles than with their bulk counterparts. Recently, various types of fluorescent nanoparticles have been synthesized to extend their applications to other fields. In this study, State-of-the-art fluorescent nanoparticles are reviewed with emphasis on their analytical and anti-counterfeiting applications and synthesis processes. Moreover, the fundamental principles behind the exceptional properties of fluorescent nanoparticles are discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

7). 그 중에서도 시작물질을 단순한 화합물을 이용하여 합성하는 bottom-up 방식의 경우 합성공정의 편이성 및 균일성 확보 가능성 등으로 인해 널리 사용되고 있으며, 형광 나노입자의 특성 제어에 효과적이며, 본 고에서는 용액기반 bottom-up 방식에 대해 합성 동향을 조사하고 요약하였다.
형광 나노입자는 일반적인무기소재 제조 공정으로 쉽게 제조할 수 있으며, 특히 용액기반 공정을 적용하는 경우 입자크기 미세화 및 균일도 향상 측면에서 많은 성과가 가능하여, 침전법, 수열합성법, sol-gel법 등 다양한 공정이 적용되고 있다. 본 고에서는일반 형광체 대비 독특한 광학적 특성을 가지는 형광 나노입자의 합성 및 응용에 대해 정리하였으며, 향후 관련응용분야의 확대 및 형광 입자 자체의 다양화가 기대된다.
형광 나노입자는 디스플레이, 조명, 태양전지 등에 적용되어 현재 일부 상업화가 진행되고 있으며, 분석기술 분야, 위조방지 분야 등에서도 활용성이 크다. 본문에서는 형광나노입자의 광학적 특성 및 합성 공정과 더불어 형광 나노입자의 특성을 활용하는 응용 사례를 분석 기술 및 위조 방지 등을 중심으로 소개하고자 한다.

제안 방법

Zhou 등은 SrY2O₄: Eu³⁺ sol-gel법으로 형광 나노입자를 합성하였다[14]. Sr과Y/Eu의 질산염을 원료로 citric acid를 결합제로 사용하여 고분자 gel을 형성시킨 후 900도에서 열처리하여 200 nm크기의 형광 나노입자를 합성하였다. 제조된 형광입자는Eu³⁺ 이온의 f-f transition에 의해 강한 적색발광을 나타내었다.

대상 데이터

또한 정재용 등은 희토류 이온과 붕산과 melamine을 원료로 하여 분자결합체(molecular adduct)를 제조하여1000도 근처에서 열처리하여 희토류 활성화 질화붕소 형광체를 제조하였다[15]. 제조된 형광입자는 지름 100~200 nm, 두께 5~10 nm 크기의 판상 입자로 균일한 크기를 가지는 것으로 나타났으며, Ce³⁺에서 Tb³⁺로 에너지 전달에 의한 발광을 나타내었다. 즉 Tb³⁺ 이온을 단독으로 첨가하였을 때 발광은 매우 미약하였으나, Ce³⁺와 함께 첨가한 후 일반적인 Tb³⁺ 이온 함유 형광체에서 발견한 수 있는강한 녹색 발광이 나타났다.

이론/모형

검출물 농도에 따른 형광 나노입자의 발광세기는 Stern-Volmer 관계식(상대강도=1 + 계수 × 농도)으로 나타낼 수있으며 Fig. 12와 같이 최적화된 표면 ligand/나노입자 비율을 구할 수 있다.

성능/효과

즉 Tb³⁺ 이온을 단독으로 첨가하였을 때 발광은 매우 미약하였으나, Ce³⁺와 함께 첨가한 후 일반적인 Tb³⁺ 이온 함유 형광체에서 발견한 수 있는강한 녹색 발광이 나타났다. 발광 효율 분석 결과 양자효율이 74%에 이르렀으며, 에너지 전달 효율은 거의 95%에가까운 것으로 나타났다. 나노입자에서 발생하는 이러한강한 발광은 10 nm 이하의 두께를 가지는 BN 형광 나노입자의 양자 구속효과에 의한 것으로 판단된다.
제조된 형광입자는 지름 100~200 nm, 두께 5~10 nm 크기의 판상 입자로 균일한 크기를 가지는 것으로 나타났으며, Ce³⁺에서 Tb³⁺로 에너지 전달에 의한 발광을 나타내었다. 즉 Tb³⁺ 이온을 단독으로 첨가하였을 때 발광은 매우 미약하였으나, Ce³⁺와 함께 첨가한 후 일반적인 Tb³⁺ 이온 함유 형광체에서 발견한 수 있는강한 녹색 발광이 나타났다. 발광 효율 분석 결과 양자효율이 74%에 이르렀으며, 에너지 전달 효율은 거의 95%에가까운 것으로 나타났다.
NaYF₄:Yb³⁺,Er³⁺나노형광체를citric acid 수용액내에 나노형광체를 투입하고 pH를 높힌 상태에서 장시간교반하는 과정을 거쳐 쉽게 표면리간드를 citric acid로 치환시킬 수 있다[18]. 치환 후 나노형광체는 물에 쉽게 분산되며, 생체 조직 내 침투가 용이해져 생체 세포에 대한형광 이미징용 조영제로 활용 가능하였다.
형성된 입자의 형태 및 발광특성은 Tb³⁺/Gd³⁺의 비율에 따라 변화하였고, 최적화를 통해 좁은 발광선폭을 가지는 녹색의 형광을 나타내는 형광 나노입자의 제조가 가능하였다.해당 형광 나노입자의 발광특성은 Gd³⁺에서 Tb³⁺로 에너지 전달과정을 통해 발생하였고 Tb³⁺형광 역시 나타났다.
한편 GdPO4: Tb3+ 형광 나노입자의 경우 수열합성 공정을 통해 지름 10~30 nm 길이 200~300 nm의 높은 종횡비를 가지는 나노막대 형태로 제조가 가능하였다[13]. 형성된 입자의 형태 및 발광특성은 Tb³⁺/Gd³⁺의 비율에 따라 변화하였고, 최적화를 통해 좁은 발광선폭을 가지는 녹색의 형광을 나타내는 형광 나노입자의 제조가 가능하였다.해당 형광 나노입자의 발광특성은 Gd³⁺에서 Tb³⁺로 에너지 전달과정을 통해 발생하였고 Tb³⁺형광 역시 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	형광 나노입자의 대표적인 사례는?	형광 나노입자의 대표적인 사례로는 반도체 나노입자(양자점), 나노형광체(nanophosphor) 등을 들 수 있다. 반도체 나노입자의 경우 별도로 첨가제를 도입하지 않더라도 반도체 밴드갭 이상의 에너지를 가지는 빛을 이용하여 형광 발생이 가능하며 발광 효율이 매우 높고, 반가 폭이 좁은 발광 스펙트럼을 나타내고 있으나, 장기간의 안정성 확보를 위한 후처리가 필요하다.
	형광 나노입자는 기존의 다른 형광물질에 비해 어떤 특성이 우수한가?	형광 나노입자는 수십 마이크로미터 크기를 가지는 일반적인 형광체와 달리 1 마이크로미터 이하의 크기를 가지며, 이에 따른 표면적/부피비의 증가로 인해 나노스케일에서 발생하는 다양한 효과로 인해 벌크 형광체와 다른 물성을 나타내게 된다[1]. 형광 나노입자는 기존의 다른 형광물질에 비하여 우수한 열적, 화학적 안정성, 광안정성, 높은 발광세기 등으로 인하여 다양한 응용 분야 적용이가능하다. 또한 형광 나노입자는 간단한 용액기반 공정을통해 쉽게 물리화학적 특성의 조절이 가능하여 1980년대 Brus 등의 연구를 필두로 기초연구 및 응용기술 개발 전반에 걸쳐 활발한 연구개발이 이루어져 왔다[2].
	형광 나노입자 중 반도체 나노입자의 장단점은?	형광 나노입자의 대표적인 사례로는 반도체 나노입자(양자점), 나노형광체(nanophosphor) 등을 들 수 있다. 반도체 나노입자의 경우 별도로 첨가제를 도입하지 않더라도 반도체 밴드갭 이상의 에너지를 가지는 빛을 이용하여 형광 발생이 가능하며 발광 효율이 매우 높고, 반가 폭이 좁은 발광 스펙트럼을 나타내고 있으나, 장기간의 안정성 확보를 위한 후처리가 필요하다. 나노형광체는 기존의 형광체와 유사한 조성을 가지며, 높은 밴드갭을 가지는 기지상에 이종 원자 이온을 도입하여 발광특성을 나타내게 된다.

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