KR102832094B1 - Hydrophilic quantum dots, synthetic method thereof, and devices using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 한 자리 배위 수의 리간드로 캡핑된 양자점을 준비하는 단계(S1); 및 상기 캡핑된 양자점에 폴리에틸렌이민을 처리하는 단계(S2); 를 포함하는, 친수성 양자점의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a hydrophilic quantum dot, comprising the steps of: (S1) preparing a quantum dot capped with a ligand having a single-digit coordination number; and (S2) treating the capped quantum dot with polyethyleneimine.
Description
본 발명은 친수성 양자점, 이의 제조방법 및 이를 이용하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to hydrophilic quantum dots, a method for producing the same, and a device using the same.
유무기 형광 발광체는 생물의학 응용(biomedical applications) 분야에서 큰 관심을 받고 있으며 적절한 기능화를 통해 복잡한 생물학적 환경(세포, 유기체)에서 생체 내 변화를 검출하거나 라벨링하는 데 사용할 수 있다. 양자점은 유무기 형광 발광체 중 하나로써, 수 나노미터 크기의 입자이고, 양자효과로 인하여 스스로 빛을 내는 반도체 결정체를 뜻한다. Organic and inorganic fluorescent emitters are of great interest in biomedical applications, and can be used to detect or label changes in complex biological environments (cells, organisms) through appropriate functionalization. Quantum dots are one type of organic and inorganic fluorescent emitters, and are semiconductor crystals that are nanometer-sized and emit light by themselves due to the quantum effect.
양자점은 코어(core), 쉘(shell) 및 리간드(ligand)로 이루어져 있다(도 1). 양자점 코어의 크기에 따라 발광 파장이 결정되고, 효과적인 양자구속 효과를 받기 위해서는 여기자 보어 반경(exciton Bohr radius)보다 양자점 코어가 작아야 한다. 쉘은 코어의 양자구속 효과를 촉진하고, 산화 반응과 코어 양자점 표면의 트랩을 제어하여 양자점의 안정성 및 양자 효율을 향상시키는 역할을 한다. 리간드는 양자점의 분산성을 높여주며 양자점의 응집을 막아주는 역할을 한다.Quantum dots consist of a core, a shell, and a ligand (Fig. 1). The emission wavelength is determined by the size of the quantum dot core, and in order to obtain an effective quantum confinement effect, the quantum dot core must be smaller than the exciton Bohr radius. The shell promotes the quantum confinement effect of the core and controls the oxidation reaction and traps on the surface of the core quantum dot, thereby improving the stability and quantum efficiency of the quantum dot. The ligand increases the dispersibility of the quantum dot and prevents the aggregation of the quantum dot.
이러한 코어와 쉘로 합성한 양자점은 높은 광발광 효율(photoluminescence quantum yield), 열안정성, 고색순도와 더불어 넓은 가시광 영역의 빛을 발광할 수 있기 때문에 양자점 발광 다이오드(QD-LED), 태양 전지, 화학 분석, 생체의학 화상(biomedical imaging) 및 생체의학 진단(biomedical diagnosis) 분야에서 많은 주목을 받고 있다. 그러나, 생물학 및 의학 분야에서 가장 성공적인 연구는 주로 생체 독성이 높은 카드뮴(Cd) 및 납(Pb) 중금속 기반 양자점을 이용하여 진행되어 왔다. Quantum dots synthesized with these cores and shells have attracted much attention in the fields of quantum dot light-emitting diodes (QD-LEDs), solar cells, chemical analysis, biomedical imaging, and biomedical diagnosis because of their high photoluminescence quantum yield, thermal stability, high color purity, and ability to emit light in a wide visible range. However, most successful studies in biology and medicine have been conducted using quantum dots based on heavy metals such as cadmium (Cd) and lead (Pb), which are highly biotoxic.
최근 보고된 인화 인듐(InP)기반 양자점은 환경 친화적인 양자점으로서, 카드뮴 기반 양자점처럼 80% 이상의 높은 광발광 효율과 1만 시간 이상의 장수명 특성을 보여주어 생체의학 화상 및 생체의학 진단용 양자점 그리고 디스플레이 소자의 색변환층 양자점 잉크 재료로 각광받고 있다. 다만, 위 양자점 표면은 소수성을 갖는 긴 알킬 사슬로 캐핑된 리간드를 사용하고 있기 때문에 친수성 용매에 대한 낮은 용해도와 낮은 분산 특성을 보여주므로, 생체 의학용으로 이들 양자점을 사용하기에 적합하지 않다.Recently reported indium phosphide (InP)-based quantum dots are environmentally friendly quantum dots that, like cadmium-based quantum dots, exhibit high luminescence efficiency of over 80% and long life of over 10,000 hours, and are attracting attention as quantum dots for biomedical imaging and biomedical diagnosis, as well as as quantum dot ink materials for color conversion layers in display devices. However, since the quantum dot surface uses a ligand capped with a long alkyl chain that has hydrophobicity, it exhibits low solubility and low dispersibility in hydrophilic solvents, making these quantum dots unsuitable for biomedical use.
이에 따라, 생체 독성이 낮고, 친수성이며, 배위 능력이 우수한 양자점에 대한 개발이 필요한 실정이다.Accordingly, there is a need to develop quantum dots with low biotoxicity, hydrophilicity, and excellent coordination ability.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 고분자 특성을 갖는 한 자리 배위 수의 리간드로 캡핑된 양자점 자체를 이용하여 친수성을 띠는 여러 자리 배위 수의 리간드를 처리함으로서 인화 인듐(InP) 기반 친수성 양자점을 제조하는 방법을 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention provides a method for manufacturing indium phosphide (InP)-based hydrophilic quantum dots by treating a multi-dentate coordination number ligand having hydrophilic properties using a quantum dot itself capped with a single-dentate coordination number ligand having polymer properties.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 한 자리 배위 수의 리간드로 캡핑된 양자점을 준비하는 단계(S1); 및According to one embodiment of the present invention, there is provided a step (S1) of preparing a quantum dot capped with a ligand having a single-digit coordination number; and
상기 캡핑된 양자점에 폴리에틸렌이민을 처리하는 단계(S2); 를 포함하는, 친수성 양자점의 제조방법을 제공한다.A method for manufacturing a hydrophilic quantum dot is provided, comprising: a step (S2) of treating the capped quantum dot with polyethyleneimine.
일 측에 따르면, 한 자리 배위 수의 리간드로 캡핑된 인화 인듐 양자점으로서, According to one side, as an indium phosphide quantum dot capped with a single-digit coordination number ligand,
상기 한 자리 배위 수의 리간드를 폴리에틸렌이민으로 치환하여 친수성 처리한, 친수성 양자점을 제공한다.A hydrophilic quantum dot is provided, which is hydrophilically treated by substituting the ligand of the above single-digit coordination number with polyethyleneimine.
또 다른 일 측에 따르면, 상기 양자점을 포함하는, 체내 진단용 조성물을 제공한다.According to another aspect, a composition for in vivo diagnostics comprising the quantum dots is provided.
또 다른 일 측에 따르면, 상기 조성물을 포함하는, 광학 소자를 제공한다.According to another aspect, an optical device comprising the composition is provided.
본 발명의 제조방법을 통해 생체 독성이 낮고, 물과 알코올에 쉽게 용해될 수 있는 친수성 양자점을 합성할 수 있다. 이렇게 합성된 양자점은 향후 생체의학 화상 및 생체의학 진단 소자로 크게 각광받을 것으로 기대된다. 또한, 적색 및 녹색 양자점을 본 발명의 기술로 봉지화하여 청색 LED와 함께 사용한다면 RGB 삼원색을 바탕으로 고색순도의 백색 LED를 구현할 수 있을 것이며, 청색 발광 물질과 적색, 녹색 양자점 칼라필터를 사용하는 QD-OLED 디스플레이의 칼라 필터의 핵심 재료로도 사용할 수 있고, 전계 발광하는 QD-LED 디스플레이 소자 재료로도 사용할 수 있다.Through the manufacturing method of the present invention, hydrophilic quantum dots that have low biotoxicity and can easily dissolve in water and alcohol can be synthesized. It is expected that the quantum dots synthesized in this way will receive great attention as biomedical imaging and biomedical diagnostic devices in the future. In addition, if red and green quantum dots are encapsulated using the technology of the present invention and used together with a blue LED, it will be possible to implement a high-purity white LED based on the RGB primary colors, and it can also be used as a core material for the color filter of a QD-OLED display that uses a blue light-emitting substance and red and green quantum dot color filters, and it can also be used as a material for an electroluminescent QD-LED display device.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the effects described above, but include all effects that can be inferred from the composition of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.
도 1은 발광 양자점의 구조 및 상기 양자점의 에너지 준위를 나타낸 도면이다.
도 2는 OLA InP 양자점 합성 방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 OLA InP 양자점 표면에 위치한 한자리 배위 OLA 리간드가 PEI로 치환되는 것을 나타낸 도면이다.
도 4는 다양한 폴리알킬아민의 분자구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 양자점이 활용된 QD-LED의 구조의 예시를 나타낸 것이다.
도 6은 PEI InP 양자점 및 OLA InP 양자점의 형광 분석(photoluminescence; PL) 결과를 비교하여 나타낸 것이다.
도 7은 PEI InP 양자점 및 OLA InP 양자점의 열중량분석(thermogravimetric analysis; TGA) 결과를 비교하여 나타낸 것이다.
도 8은 OLA InP양자점, PEI InP 양자점 및 폴리에틸렌이민의 수소핵자기공명분광분석(1H NMR) 결과를 나타낸 것이다.Figure 1 is a diagram showing the structure of a luminescent quantum dot and the energy levels of the quantum dot.
Figure 2 is a drawing showing a method for synthesizing OLA InP quantum dots.
Figure 3 is a drawing showing that the monodentate OLA ligand located on the surface of the OLA InP quantum dot is replaced with PEI.
Figure 4 is a drawing showing the molecular structure of various polyalkylamines.
Figure 5 illustrates an example of the structure of a QD-LED utilizing the quantum dots of the present invention.
Figure 6 shows a comparison of the photoluminescence (PL) results of PEI InP quantum dots and OLA InP quantum dots.
Figure 7 shows a comparison of thermogravimetric analysis (TGA) results of PEI InP quantum dots and OLA InP quantum dots.
Figure 8 shows the results of hydrogen nuclear magnetic resonance spectroscopy ( 1H NMR) of OLA InP quantum dots, PEI InP quantum dots, and polyethyleneimine.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the attached drawings. However, since various modifications may be made to the embodiments, the scope of rights of the patent application is not limited or restricted by these embodiments. It should be understood that all modifications, equivalents, or substitutes to the embodiments are included in the scope of rights.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안 된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are used for the purpose of description only and should not be construed as limiting. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "has" and the like are intended to specify the presence of a feature, number, step, operation, component, part or combination thereof described in the specification, but should be understood to not exclude in advance the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the embodiment belongs. Terms defined in commonly used dictionaries, such as those defined in common usage dictionaries, should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning they have in the context of the relevant art, and will not be interpreted in an idealized or overly formal sense unless expressly defined in this application.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, when describing with reference to the attached drawings, the same components will be given the same reference numerals regardless of the drawing numbers, and redundant descriptions thereof will be omitted. When describing an embodiment, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the embodiment, the detailed description thereof will be omitted.
또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.Additionally, in describing components of an embodiment, terms such as first, second, A, B, (a), (b), etc. may be used. These terms are only intended to distinguish the components from other components, and the nature, order, or sequence of the components are not limited by these terms.
어느 하나의 실시예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시예에 기재한 설명은 다른 실시예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Components included in one embodiment and components including common functions will be described using the same names in other embodiments. Unless otherwise stated, descriptions given in one embodiment can be applied to other embodiments, and specific descriptions will be omitted to the extent of overlap.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when it is said that a part "includes" a component, this does not mean that it excludes other components, but rather that it may include other components.
명세서 전체에서, '친수성 양자점'은 친수성을 띠는 리간드로 캡핑된 양자점을 의미한다. 'PEI InP 양자점'은 PEI 리간드로 캡핑되고, 코어층이 인화 인듐(InP)을 포함하는 친수성 양자점을 의미한다. 이 때, 'PEI'는 폴리에틸렌이민(polyethyleneimine)을 의미한다.Throughout the specification, 'hydrophilic quantum dot' means a quantum dot capped with a hydrophilic ligand. 'PEI InP quantum dot' means a hydrophilic quantum dot capped with a PEI ligand and having a core layer comprising indium phosphide (InP). Here, 'PEI' means polyethyleneimine.
명세서 전체에서, '소수성 양자점'은 소수성을 띠는 리간드로 캡핑된 양자점을 의미한다. 'OLA InP 양자점'은 OLA 리간드로 캡핑되고, 코어층이 인화 인듐(InP)을 포함하는 소수성 양자점을 의미한다. 이 때, 'OLA'는 올레일아민(oleylamine)을 의미한다.Throughout the specification, 'hydrophobic quantum dots' means quantum dots capped with hydrophobic ligands. 'OLA InP quantum dots' means hydrophobic quantum dots capped with OLA ligands and having a core layer comprising indium phosphide (InP). Here, 'OLA' means oleylamine.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 친수성 양자점의 제조방법을 제공한다. 이는 한 자리 배위 수의 리간드(mono-dentate ligand)로 캡핑된 양자점을 준비하는 단계(S1); 및 상기 캡핑된 양자점에 여러 자리 배위 수의 리간드(multi-dentate amine ligand)을 처리하는 단계(S2); 를 포함할 수 있다. 여러 자리 배위 수의 리간드의 예로 폴리에틸렌이민을 사용할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a method for producing a hydrophilic quantum dot is provided. This may include a step (S1) of preparing a quantum dot capped with a monodentate ligand; and a step (S2) of treating the capped quantum dot with a multi-dentate ligand. As an example of the multi-dentate ligand, polyethyleneimine can be used.
S1 단계는 코어층을 형성하는 단계(a1), 내곽 쉘층을 형성하는 단계(a2) 및 외곽 쉘층을 형성하는 단계(a3)를 포함할 수 있다(도 2). 구체적으로, a1 단계는 In 전구체 및 한 자리 배위 수의 리간드를 비활성기체 하에 혼합하여 반응시키는 단계를 포함할 수 있다. 그 다음, a2 단계는 상기 혼합물의 온도를 높이며 전구체 스톡 용액을 반복적으로 적가하여 반응시키는 단계를 포함할 수 있다. 이 때, 내곽 쉘층은 코어층 외부에 형성될 수 있다. 성공적인 외곽 쉘층의 구성을 위해, a3 단계는, 혼합물의 온도를 낮추고, 전구체를 적가하여 반응시키는 단계를 포함할 수 있다. 외곽 쉘층은 내곽 쉘층 외부에 형성될 수 있다. 한 자리 배위 수의 리간드로 캡핑된 양자점은 상기 반응 혼합물의 온도를 상온으로 낮추어 정화(purification) 및 원심분리(centrifuge)를 거쳐 획득될 수 있다.The S1 step may include a step (a1) of forming a core layer, a step (a2) of forming an inner shell layer, and a step (a3) of forming an outer shell layer (FIG. 2). Specifically, the a1 step may include a step of reacting an In precursor and a ligand having a single-dentate coordination number by mixing them under an inert gas. Then, the a2 step may include a step of increasing the temperature of the mixture and repeatedly adding a precursor stock solution dropwise to react. At this time, the inner shell layer may be formed outside the core layer. For successful formation of the outer shell layer, the a3 step may include a step of lowering the temperature of the mixture and adding a precursor dropwise to react. The outer shell layer may be formed outside the inner shell layer. The quantum dots capped with the ligand having a single-dentate coordination number may be obtained by lowering the temperature of the reaction mixture to room temperature and performing purification and centrifugation.
S2 단계는 한 자리 배위 수의 리간드로 캡핑된 양자점을 이용하고, 리간드 치환 반응을 일으킬 수 있다(도 3). 즉, 양자점 표면의 상대적으로 배위 능력이 약한 한자리 배위수의 리간드를 배위 능력이 강한 여러 자리 배위 수의 리간드로 치환할 수 있다. 구체적으로, 캡핑된 양자점에 여러 자리 배위 수의 리간드를 천천히 적가하여 교반 반응시킬 수 있다. 이후 미반응 양자점 및 폴리에틸렌이민을 제거하기 위하여 상기 용액을 원심분리한다. 최종적으로 얻어진 침전물을 진공에서 건조시킴으로서, 여러 자리 리간드로 치환된 친수성 양자점을 획득한다.The S2 step can utilize quantum dots capped with ligands having a single-dentate coordination number and can cause a ligand substitution reaction (Fig. 3). That is, a ligand having a single-dentate coordination number with a relatively weak coordination ability on the surface of the quantum dot can be replaced with a ligand having a multi-dentate coordination number with a strong coordination ability. Specifically, a ligand having a multi-dentate coordination number can be slowly added dropwise to the capped quantum dot and stirred to cause a reaction. Thereafter, the solution is centrifuged to remove unreacted quantum dots and polyethyleneimine. The finally obtained precipitate is dried in a vacuum to obtain hydrophilic quantum dots substituted with multi-dentate ligands.
본 발명의 일 실시예에서, 한 자리 배위 수의 리간드는 트리옥틸포스핀(trioctylphosphine), 트리옥틸포스핀 옥사이드(trioctylphosphine oxide), 알킬 아민(alkyl amine, 단량체 및 폴리머 포함) 및 카르복실산(carboxylic acid)의 짝염기(단량체 및 폴리머 포함) 중 어느 하나일 수 있다. 이 때, 알킬아민 또는 카르복실산의 짝염기은 올레일아민일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.In one embodiment of the present invention, the ligand having a single digit coordination number may be any one of trioctylphosphine, trioctylphosphine oxide, an alkyl amine (including a monomer and a polymer), and a conjugate base of a carboxylic acid (including a monomer and a polymer). In this case, the conjugate base of the alkyl amine or the carboxylic acid may be oleylamine. However, the present invention is not limited thereto.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 양자점의 코어층은 IB족, IIB족, IIIB족, IVB족, VB족 및 VIB족의 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상, 바람직하게는 IVB족, IIB족-VIB족, IVB족-VIB족, IIIB족-VB족 및 IB족-IIIB족-VIB족의 화합물 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 가장 바람직하게는 IIIB족-VB족 화합물을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the core layer of the quantum dot may include at least one selected from the group consisting of compounds of Group IB, Group IIB, Group IIIB, Group IVB, Group VB and Group VIB, preferably any one of compounds of Group IVB, Group IIB-Group VIB, Group IVB-Group VIB, Group IIIB-Group VB and Group IB-Group IIIB-Group VIB, and most preferably a Group IIIB-Group VB compound.
예를 들어, IVB족 화합물은 Si, Ge, SiC 등을 포함할 수 있다. IIB족-VIB족 화합물은 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnSeTe 등을 포함할 수 있다. IVB족-VIB족 화합물은 PbS, PbSe, PbTe 등을 포함할 수 있다. IIIB족-VB족 화합물은 AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InGaP 등을 포함할 수 있다. IB족-IIIB족-VIB족 화합물은 AgGaS2, AgGaSe2, AgGaTe2, AgInS2, AgInSe2, AgInTe2, CuInS2, CuInSe2, CuInTe2, CuGaS2, CuGaSe2, CuGaTe2 등을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 IIIB족-VB족 화합물은 InP일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.For example, the Group IVB compounds can include Si, Ge, SiC, etc. The Group IIB-VIB compounds can include CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnSeTe, etc. The Group IVB-VIB compounds can include PbS, PbSe, PbTe, etc. The Group IIIB-VB compounds can include AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InGaP, etc. The Group IB-IIIB-VIB compounds can include AgGaS 2 , AgGaSe 2 , AgGaTe 2 , AgInS 2 , AgInSe 2 , AgInTe 2 , CuInS 2 , CuInSe 2 , CuInTe 2 , CuGaS 2 , CuGaSe 2 , CuGaTe 2 . Preferably, the group IIIB-VB compound may be InP, but is not limited thereto.
본 발명의 기술이 적용 가능한 상기 양자점의 내곽 및 외곽 쉘층은 금속 및 비금속으로 이루어진 반도체 화합물 전구체로부터 형성될 수 있다. The inner and outer shell layers of the quantum dots to which the technology of the present invention is applicable can be formed from a semiconductor compound precursor composed of a metal and a non-metal.
예를 들어, InP/ZnSeS/ZnS 양자점의 경우, 코어는 IIIB족-VB족 화합물로부터, 내부 쉘층은 Zn 전구체 화합물 및 Se-S 전구체 화합물로부터, 외부 쉘층은 Zn 전구체 화합물 및 S 전구체 화합물로부터 형성될 수 있다.For example, for InP/ZnSeS/ZnS quantum dots, the core can be formed from a group IIIB-VB compound, the inner shell layer can be formed from a Zn precursor compound and a Se-S precursor compound, and the outer shell layer can be formed from a Zn precursor compound and a S precursor compound.
본 발명의 일 실시예에 있어서, OLA InP 양자점의 리간드는 여러 자리 배위 수의 리간드 중 폴리알킬아민을 이용하여 치환될 수 있다(도 4). 이 때, 폴리알킬아민은 폴리에틸렌이민일 수 있다. 폴리에틸렌이민에는 2차 아민 작용기(secondary amine functional group)가 존재하기 때문에 여러 자리 아민 리간드로서 양자점 치환 반응을 유도할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the ligand of the OLA InP quantum dot can be substituted using a polyalkylamine among the ligands having multiple coordination numbers (FIG. 4). At this time, the polyalkylamine can be polyethyleneimine. Since polyethyleneimine has a secondary amine functional group, it can induce a quantum dot substitution reaction as a multidentate amine ligand.
폴리에틸렌이민은 선형(linear)형, 가지(branch)형, 또는 덴드리머(dendrimer)형으로 분류할 수 있다. 일반적으로 위 분자 구조 내에서 질소 원소 간 사이는 1~10개의 탄소 원소로 연결되어 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.Polyethyleneimine can be classified as linear, branched, or dendritic. Generally, the nitrogen atoms within the above molecular structure can be connected by 1 to 10 carbon atoms, but is not limited thereto.
폴리에틸렌이민은 알킬 그룹(alkyl group) 또는 아릴 그룹(aryl grouop)을 포함할 수 있다. 예를 들어, -NR3, -NHR3, NH3H, -OR와 같은 전자 주게 그룹(electron donating group)이나 -CF3, -CCl3, -CN, -NO2, -COR, -CONH2와 같은 전자를 잡아당기는 그룹(electron withdrawing group)이 수소 대신 치환체로 결합됨으로써 여러 자리 아민 리간드의 배위 특성을 정밀하게 제어할 수 있다.Polyethyleneimine can contain alkyl groups or aryl groups. For example, electron donating groups such as -NR 3 , -NHR 3 , NH 3 H, -OR or electron withdrawing groups such as -CF 3 , -CCl 3 , -CN, -NO 2 , -COR, -CONH 2 can be bonded as substituents in place of hydrogen, thereby enabling precise control of the coordination properties of multidentate amine ligands.
본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 한 자리 배위 수의 리간드로 캡핑된 인화 인듐 양자점으로서, 상기 한 자리 배위 수의 리간드를 폴리에틸렌이민으로 치환하여 친수성 처리한, 양자점을 제공할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, a quantum dot is provided which is a phosphorous indium quantum dot capped with a ligand having a single-digit coordination number, wherein the ligand having the single-digit coordination number is substituted with polyethyleneimine to render it hydrophilic.
상기 양자점은 친수성일 수 있다. 구체적으로, 폴리에틸렌이민은 물, 알코올 및 클로로포름 용매에 잘 녹는 친수성이고, 치환반응으로 형성된 PEI InP 양자점도 물, 알코올, 및 클로로포름으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 용매에 잘 녹아 친수성인 양자점 특성을 보여준다.The above quantum dots may be hydrophilic. Specifically, polyethyleneimine is hydrophilic and dissolves well in water, alcohol, and chloroform solvents, and the PEI InP quantum dots formed by the substitution reaction also exhibit hydrophilic quantum dot characteristics by dissolving well in one or more solvents selected from the group consisting of water, alcohol, and chloroform.
또한, 양자점은 배위 능력이 우수한 리간드를 포함하므로, 고분산성을 가질 수 있다. 본 명세서에서 '고분산성'이란, 상기 용매에 분산성이 우수한 특성을 의미한다.In addition, since quantum dots contain ligands with excellent coordination capabilities, they can have high dispersibility. In this specification, 'high dispersibility' means a property of excellent dispersibility in the solvent.
따라서, 본 발명에 의하면 생체적합성 양자점을 합성할 수 있다.Therefore, according to the present invention, biocompatible quantum dots can be synthesized.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 양자점을 포함하는 체내 진단용 조성물을 제공할 수 있다. 상기 양자점은 친수성일 뿐만 아니라 배위 능력이 우수한 리간드를 이용해 고분산성의 특징을 갖고, 생체 적합성을 갖도록 양자점 표면 특성이 개질되었기 때문이다.According to one embodiment of the present invention, an in vivo diagnostic composition including the quantum dot can be provided. This is because the quantum dot is not only hydrophilic but also has a highly dispersible characteristic by using a ligand with excellent coordination ability, and the surface properties of the quantum dot are modified to have biocompatibility.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 양자점을 포함하는 광학 소자를 제공할 수 있다. 예를 들어, 양자점을 포함하는 디스플레이 장치를 제공할 수 있다. 적색 및 녹색 양자점을 본 발명의 기술로 봉지화하여 청색 LED와 함께 사용한다면 RGB삼원색을 바탕으로 white LED를 구현할 수 있다. 또한, 도 5에서 보듯이 청색 발광 물질과 적색, 녹색 양자점 칼라필터를 사용하는 QD-OLED 디스플레이의 칼라 필터의 핵심 재료로도 사용할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, an optical device including the quantum dots can be provided. For example, a display device including quantum dots can be provided. If red and green quantum dots are encapsulated using the technology of the present invention and used together with a blue LED, a white LED can be implemented based on RGB primary colors. In addition, as shown in FIG. 5, it can also be used as a core material of a color filter of a QD-OLED display using a blue light-emitting material and red and green quantum dot color filters.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the attached drawings. However, since various modifications may be made to the embodiments, the scope of rights of the patent application is not limited or restricted by these embodiments. It should be understood that all modifications, equivalents, or substitutes to the embodiments are included in the scope of rights.
실시예Example
PEI InP/ZnSeS/ZnS을 제조하였다. 제조방법은 이하에서 상세히 설명한다.PEI InP/ZnSeS/ZnS was manufactured. The manufacturing method is described in detail below.
비교예 1Comparative Example 1
OLA InP/ZnSeS/ZnS를 제조하였다. 제조방법은 하기 선행문헌을 참고하였고, 이하 상세히 설명한다.OLA InP/ZnSeS/ZnS was manufactured. The manufacturing method was referred to the following prior literature and is described in detail below.
(1) Electrical resonant effects of ligands on the luminescent properties of InP/ZnSeS/ZnS quantum dots and devices configured therefrom, Organic Electronics, 2020.(1) Electrical resonant effects of ligands on the luminescent properties of InP/ZnSeS/ZnS quantum dots and devices configured therefrom, Organic Electronics, 2020.
비교예 2Comparative Example 2
양자점을 제조하지 않고, 본 발명과 비교를 위해 폴리에틸렌이민을 준비하였다.Polyethyleneimine was prepared for comparison with the present invention without manufacturing quantum dots.
1. 실험예 1 : PEI InP/ZnSeS/ZnS 양자점 합성1. Experimental Example 1: Synthesis of PEI InP/ZnSeS/ZnS quantum dots
(1) 비교예 1 합성(S1 단계)(1) Comparative Example 1 Synthesis (S1 stage)
도 2를 참고하면, 먼저 코어층 형성을 위해(a1), 비활성 기체 하에서 In 전구체, Zn전구체 및 올레일아민을 혼합한 후, 트리스(디메틸아미노)포스핀(tris(dimethylamino)phosphine)을 적가하여 180 ℃에서 반응시켰다. Referring to Fig. 2, first, to form a core layer (a1), an In precursor, a Zn precursor, and oleylamine were mixed under an inert gas, and then tris(dimethylamino)phosphine was added dropwise and reacted at 180°C.
내곽 쉘층의 구성을 위해(a2), 195 ℃에서 상기 용액에 Se-S 스톡 용액(stock solution)을 적가하여 30분간 반응시켰다(b1). 그 다음, 210 ℃에서 Zn 스톡 용액을 적가하여 30 분간 반응시켰다(b2). 상기 b1 및 b2 단계를 15 ℃씩 올리며 300 ℃가 될 때까지 반복하여 수행하였다. For the composition of the inner shell layer (a2), Se-S stock solution was added dropwise to the above solution at 195°C and reacted for 30 minutes (b1). Then, Zn stock solution was added dropwise at 210°C and reacted for 30 minutes (b2). The above b1 and b2 steps were repeated by increasing the temperature by 15°C each time until the temperature reached 300°C.
성공적인 외곽 쉘층의 구성을 위해(a3), 220 ℃에서 성장 용액(growth solution)에 1-도데칸티올(1-dodecanethiol)을 1시간 동안 첨가한다. 그 다음, 190 ℃에서 올레일아민 및 옥타데켄에 녹인 Zn 전구체를 적가하여 2시간 동안 반응시켰다.For successful formation of the outer shell layer (a3), 1-dodecanethiol was added to the growth solution at 220 °C for 1 hour. Then, Zn precursor dissolved in oleylamine and octadecene was added dropwise at 190 °C and reacted for 2 hours.
상기 반응 혼합물에 에탄올을 첨가하여 정화 및 원심분리하여 비교예 1을 획득하였다.Ethanol was added to the above reaction mixture, and the mixture was purified and centrifuged to obtain Comparative Example 1.
(2) 실시예 합성(S2 단계)(2) Example synthesis (Step S2)
상기 비교예 1을 클로로포름에 녹인다. 이 용액에 폴리에틸렌이민을 천천히 적가하고 24시간 동안 교반 반응시켰다. The above Comparative Example 1 was dissolved in chloroform. Polyethyleneimine was slowly added dropwise to the solution and stirred for 24 hours.
미반응 양자점을 제거하기 위하여, 사이클로헥세인을 혼합한 용액을 원심분리하였다. 미반응 폴리에틸렌이민을 제거하기 위해, 얻어진 침전물을 클로로포름에 녹이고, 메탄올을 혼합한 후, 용액을 원심분리하였다. To remove unreacted quantum dots, the solution mixed with cyclohexane was centrifuged. To remove unreacted polyethyleneimine, the obtained precipitate was dissolved in chloroform, mixed with methanol, and the solution was centrifuged.
최종적으로 얻어진 주황색 침전물을 진공에서 24시간 동안 건조시켜 PEI InP/ZnSeS/ZnS 양자점을 획득하였다.The finally obtained orange precipitate was dried in vacuum for 24 h to obtain PEI InP/ZnSeS/ZnS quantum dots.
2. 실험예 2 : 실시예 합성 확인2. Experimental Example 2: Confirmation of Synthesis of Example
실시예와 비교예 1에 대한 형광분석을 진행하여 도 6 에 나타내었다. 올레일아민이 폴리에틸렌이민으로 치환될 때, 9.9 nm의 장파장 이동(bathocrhromic shift)이 관찰되었다. 새로운 강한 유기-무기 하이브리드 오비탈이 양자점-리간드 계면에 형성되었을 때, 양자점 화합물의 광학적 적색 편이가 나타난다. 이로써 보다 강한 폴리에틸렌이민 리간드로 치환됨을 확인할 수 있었다.Fluorescence analysis was performed on Examples and Comparative Example 1, and is shown in Fig. 6. When oleylamine was substituted with polyethyleneimine, a 9.9 nm bathochromic shift was observed. When a new strong organic-inorganic hybrid orbital was formed at the quantum dot-ligand interface, an optical red shift of the quantum dot compound appeared. This confirmed that it was substituted with a stronger polyethyleneimine ligand.
실시예와 비교예 1에 대한 열중량분석을 진행하여 도 7에 나타내었다. 마지막 온도(800 ℃)에서 OLA InP 양자점의 무게 변화는 36 %, PEI InP 양자점의 무게 변화는 77 %로 확인되었다. 이는 성공적으로 치환된 폴리에틸렌이민 리간드가 올레일아민보다 상대적으로 더 큰 분자량을 갖기 때문이다(폴리에틸렌이민: ~ 10,000 g/mol, 올레일아민: 267.49 g/mol).Thermogravimetric analysis was performed on Examples and Comparative Example 1, and the results are shown in Fig. 7. At the final temperature (800°C), the weight change of the OLA InP quantum dots was confirmed to be 36%, and the weight change of the PEI InP quantum dots was confirmed to be 77%. This is because the successfully substituted polyethyleneimine ligand has a relatively larger molecular weight than oleylamine (polyethyleneimine: ~10,000 g/mol, oleylamine: 267.49 g/mol).
또한, 실시예와 비교예에 대한 수소핵자기공명분광분석을 진행하여 도 8에 나타내었다. 비교예 1 및 2의 수소핵자기공명분광 스펙트럼에서, 올레일아민의 메틸 작용기(CH3 group)의 다중선 스펙트럼 피크(peak)는 0.9 ppm에서 나타났다. 실시예의 스펙트럼에서 상기 피크는 나타나지 않은 반면, 폴리에틸렌이민의 메틸렌 작용기(CH2 group)의 넓은(broad) 피크만 2.4 내지 3.0 ppm에서 확인되었다. 즉, 실시예에서, 비교예 1 및 2의 메틸 작용기에 관한 피크가 사라지고, 메틸렌 작용기에 관한 피크가 생성된 것으로부터 양자점을 캡핑하고 있는 올레일아민이 폴리에틸렌이민으로 치환된 것을 확인할 수 있다.In addition, hydrogen nuclear magnetic resonance spectroscopy analysis was performed on the examples and comparative examples, and the results are shown in Fig. 8. In the hydrogen nuclear magnetic resonance spectroscopy spectra of Comparative Examples 1 and 2, a multiplet spectrum peak of the methyl functional group (CH 3 group) of oleylamine appeared at 0.9 ppm. In the spectra of the examples, the above peak did not appear, whereas only a broad peak of the methylene functional group (CH 2 group) of polyethyleneimine was confirmed at 2.4 to 3.0 ppm. That is, in the examples, it can be confirmed that oleylamine capping the quantum dots was substituted with polyethyleneimine, since the peak for the methyl functional group of Comparative Examples 1 and 2 disappeared and the peak for the methylene functional group was generated.
상기 도 6 내지 도 8의 결과로부터, 비교예 1의 리간드 올레일아민이 폴리에틸렌이민으로 치환되어 실시예가 형성되었음을 확인할 수 있었다. From the results of the above Figures 6 to 8, it was confirmed that the ligand oleylamine of Comparative Example 1 was replaced with polyethyleneimine to form an example.
3. 체내 진단용 조성물 등으로의 이용3. Use as a composition for in-vivo diagnostics, etc.
실시예 1로부터 제조한 PEI InP 양자점으로부터 체내 진단용 조성물, 광학 소자 등을 제조할 수 있다. 체내 진단용 조성물을 이용하여 광학영상법, 자기 공명 영상(MRI)와 컴퓨터단층촬영(CT)와 같은 바이오 이미징, 암 탐지 프로브 양자점, 약물 전달체 등을 제조할 수 있다. 광학 소자는 디스플레이 소자, 태양전지를 포함한다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다. From the PEI InP quantum dots manufactured from Example 1, an in vivo diagnostic composition, an optical element, etc. can be manufactured. Using the in vivo diagnostic composition, optical imaging, bio-imaging such as magnetic resonance imaging (MRI) and computed tomography (CT), cancer detection probe quantum dots, drug delivery vehicles, etc. can be manufactured. The optical element includes a display element and a solar cell. However, the present invention is not limited thereto.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Although the embodiments have been described with limited drawings as described above, those skilled in the art can apply various technical modifications and variations based on the above. For example, even if the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or are replaced or substituted by other components or equivalents, appropriate results can be achieved.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also included in the scope of the claims described below.
Claims (14)
상기 캡핑된 양자점에 여러 자리 배위 수의 리간드를 처리하는 단계(S2); 를 포함하는,
상기 단계(S1)은 코어층을 형성하는 단계;
상기 코어층 외부에 내곽 쉘층을 형성하는 단계; 및
상기 내곽 쉘층 외부에 외곽 쉘층을 형성하는 단계; 를 포함하고,
상기 여러 자리 배위 수의 리간드는 폴리알킬아민인 것인,
친수성 양자점의 제조방법.
Step (S1) of preparing a quantum dot capped with a ligand having a single-digit coordination number; and
A step (S2) of treating a ligand having multiple coordination numbers on the capped quantum dot; including;
The above step (S1) is a step of forming a core layer;
A step of forming an inner shell layer outside the core layer; and
A step of forming an outer shell layer outside the inner shell layer; including;
The above multi-coordinate ligand is a polyalkylamine.
Method for producing hydrophilic quantum dots.
상기 한 자리 배위 수의 리간드는 트리옥틸포스핀, 트리옥틸포스핀 옥사이드, 알킬 아민 및 카르복실산의 짝염기 중 어느 하나인, 친수성 양자점의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for producing a hydrophilic quantum dot, wherein the ligand having the above single-digit coordination number is any one of trioctylphosphine, trioctylphosphine oxide, an alkyl amine, and a conjugate base of a carboxylic acid.
상기 알킬아민 또는 상기 카르복실산의 짝염기는 올레일아민인, 친수성 양자점의 제조방법.
In the third paragraph,
A method for producing a hydrophilic quantum dot, wherein the conjugate base of the above alkylamine or the above carboxylic acid is oleylamine.
상기 양자점의 코어층은 IB족, IIB족, IIIB족, IVB족, VB족 및 VIB족의 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는, 친수성 양자점의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for producing a hydrophilic quantum dot, wherein the core layer of the quantum dot comprises at least one compound selected from the group consisting of compounds of group IB, group IIB, group IIIB, group IVB, group VB, and group VIB.
상기 양자점의 코어층은 IVB족, IIB족-VIB족, IVB족-VIB족, IIIB족-VB족 및 IB족-IIIB족-VIB족의 화합물 중 어느 하나를 포함하는, 친수성 양자점의 제조방법.
In paragraph 5,
A method for producing a hydrophilic quantum dot, wherein the core layer of the quantum dot comprises any one of compounds of group IVB, group IIB-group VIB, group IVB-group VIB, group IIIB-group VB, and group IB-group IIIB-group VIB.
상기 IIIB족-VB족 화합물은 AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs, GaN, GaP, GaAs, GaSb, 및 InGaP 중 어느 하나인, 친수성 양자점의 제조방법.
In Article 6,
A method for producing a hydrophilic quantum dot, wherein the group IIIB-VB compound is any one of AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs, GaN, GaP, GaAs, GaSb, and InGaP.
상기 양자점의 내곽 및 외곽 쉘층은 금속 및 비금속으로 이루어진 반도체 화합물 전구체로부터 형성되는, 친수성 양자점의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for producing a hydrophilic quantum dot, wherein the inner and outer shell layers of the quantum dot are formed from a semiconductor compound precursor composed of a metal and a non-metal.
상기 폴리알킬아민은 폴리에틸렌이민인, 친수성 양자점의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for producing hydrophilic quantum dots, wherein the above polyalkylamine is polyethyleneimine.
상기 인화 인듐 양자점은 코어층, 상기 코어층 상에 내곽 쉘층 및 상기 내곽 쉘층을 둘러싸는 외곽 쉘층을 포함하고,
상기 친수성 양자점은 생체적합성을 갖는 것을 특징으로 하는, 친수성 양자점.
A hydrophilic quantum dot is a quantum dot capped with a single-digit coordination number ligand, wherein the single-digit coordination number ligand is replaced with polyethyleneimine, a multi-digit coordination number ligand, thereby making it hydrophilic.
The above indium quantum dot comprises a core layer, an inner shell layer on the core layer, and an outer shell layer surrounding the inner shell layer.
A hydrophilic quantum dot characterized in that the hydrophilic quantum dot has biocompatibility.
An in vivo diagnostic composition comprising the hydrophilic quantum dot of claim 11.
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