Structure engineering of silica nanoparticles and application to display devices

국문 초록 (Abstract)

실리카 나노입자는 인체에 대한 낮은 독성, 높은 기계적, 화학적 및 열적 안정성, 표면 기능화 용이성, 구조 제어 용이성 등 다양한 이점으로 인해 광범위하게 합성된 실리콘 옥사이드 기반 마이크로미터 이하의 입자다. 많은 종류의 실리카 나노입자들 중에서, 메조다공성 혹은 중공 구조의 실리카 입자들은 다양한 연구자들에 의하여, 그들의 목적을 맞게 합성되고 연구되어 왔다. 그러나, 이러한 구조의 입자를 합성하는 과정에서는 많은 시간과 비용을 필요로 한다. 그러므로, 이 논문은 그러한 시간적, 비용적 문제들을 해결하고자 했다.
이 논문은 중공형 실리카 나노입자를 만드는 새로운 방법을 제안한다. 첫째, 산화아연과 실리카의 반응 속도 차이를 이용하여 산화아연/실리카 코어/쉘 구조를 가진 메조다공성 입자를 합성하였다. 그런 다음 중공형 실리카를 얻기 위해 pH 4.0 의 산성 버퍼를 사용하여 산화 아연 성분을 쉽게 제거할 수 있었다. 이러한 기본 합성법을 기반으로 구조제어를 통해 다양한 구조의 실리카 기반 입자를 합성할 수 있었다.
또한, 새롭게 개발된 합성법을 기반으로, 추가적으로 양친성 고분자를도입함에 따라 메조다공성 중공형 산화 아연/실리카 입자를 단일 공정으로 합성하는 방법 또한 개발되었다. 위와 마찬가지로, 산화 아연 성분을 산성 버퍼를 통해 제거함으로써, 메조다공성 입자의 중공형 공간을 확대할 수 있었다.
이러한 실리카 입자의 형성 메커니즘 및 특징에 대한 이해를 바탕으로 디스플레이 장치에 사용되는 실리카 나노 입자에 대한 연구가 실시되었다. 주름진 표면을 가진 실리카 나노입자가 사용되었으며, 실리카 나노입자의 주름진 표면은 포토레지스트 필름 내에 양자점을 분산시키기 위한 분산체 역할뿐만 아니라, 제작된 필름의 광학적 효율성을 향상시키기 위한 산란 재료로 설계되고 사용되었다. 주름진 실리카와 양자점의 하이브리드 입자를 사용함에 따라, 양자점을 응집시키는 용매가 존재함에도 불구하고 양자점/포토레지스트 나노컴포지트를 제작할 수 있었다. 나아가, 이러한 필름을 마이크로 LED 칩에 올려 간단한 디바이스를 제작하고 그 특성을 분석함에 따라, 이러한 입자의 디스플레이 응용가능성을 입증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Silica nanoparticles are silicon oxide based sub-micrometer particles which have been widely synthesized due to their many advantageous such as low toxicity to human body, high mechanical, chemical and thermal stabilities, ease surface functionalization, and availability to control their structure. Among many types of silica nanoparticles, the particles having mesopores and/or hollow core have been researched by many researchers for their purpose. However, process of synthesize the particles requires many times and costs. Therefore, this thesis tried to solve such problems.
This thesis suggests new ways to produce hollow mesoporous silica nanoparticles. First, by using the rate difference of zinc oxide and silica, zinc silicate particles with core/shell structure of zinc oxide/silica were synthesized. The zinc oxide component was then easily eliminated by acid-etching method to obtain the hollow mesoporous silica. From this method, one-pot synthesis method for hollow mesoporous zinc silicate were developed. Through the elimination zinc component step, the hollow space of the particles was enlarged.
Based on understanding of formation mechanism of the particles, studies were conducted on silica nanoparticles used in display devices. Silica nanoparticles with wrinkled surface were designed and used not only as templates for dispersing quantum dots in photoresist film and but also as scattering materials for enhancing optical efficiencies. By hybridizing wrinkled silica and quantum dots (QDs), QD/PR nanocomposite could be fabricated despite of presence of non-solvent for QDs. Furthermore, their applicability for display devices were proved by fabricating simple devices in which WSQs were placed on blue µ-LEDs.