적외선 양자점을 이용한 차세대 이미징 기술 구축

양자점(QD) 기술은 조명 및 디스플레이 산업을 변화시키고 있습니다. 나노기술과 재료 과학에서 인기 있는 화두인 이 반도체 나노결정은 크기가 몇 나노미터에 불과한 매우 작은 반도체 입자입니다. 

그들의 전자 및 광학 특성은 벌크 개별 원자와 반도체 사이에 속합니다. 이러한 특성은 실제로 이러한 QD의 크기와 모양에 따라 달라집니다. 예를 들어, 5~6 nm 크기의 더 큰 양자점은 2~3 nm 크기의 더 작은 QD에서 방출되는 더 짧은 파장에 비해 더 긴 파장을 방출합니다. 또한 전자의 QD는 주황색이나 빨간색을 나타내는 반면 후자는 파란색과 녹색을 나타냅니다. 그러나 이러한 색상의 특이성은 양자점의 구성에 따라 달라집니다. 

QD는 상자 모델의 3D 입자와 매우 유사하게 전자 또는 전자 정공이 촘촘하게 갇혀 있는 나노 크기의 반도체 재료입니다. 두 개 이상의 QD를 결합함으로써, 인공 분자도 만들 수 있다. 한편, 이들을 정밀하게 조립하면 독특한 광학적, 전자적 특성을 지닌 인공 고체 물질 역할을 하는 초격자를 형성할 수 있다. 통제되다. 

작년에 무웅기 G. 바웬디, 알렉세이 I. 에키모프, 그리고 루이스 E. 브루스가 양자점의 발견과 개발로 노벨 화학상을 수상했습니다. 하지만 양자점(QD)은 기술만큼 오래되지 않았습니다. 수십 년 전인 1980년에 처음 발견되었으며, LCD에서 원격 형광체로 사용된 지 수년이 지났습니다.

퀀텀닷의 잠재적 응용은 디스플레이에만 국한되지 않고, 어느 하나. 그들은 더욱 확장됩니다 LED, 레이저, 태양 전지, 단일 광자 소스, 단일 전자 트랜지스터, 현미경, 바이오 이미징, 세포 생물학 연구 및 화학 반응 촉매에 이르기까지 다양합니다. 

다양한 산업 분야에서 에너지 효율적인 조명 솔루션과 고품질 디스플레이 장치에 대한 수요가 증가함에 따라 QD 시장 예상된다 향후 몇 년 동안 CAGR 17.40%의 인상적인 성장을 보일 것입니다. QD의 글로벌 시장 규모 예상된다 이번 12.34년이 끝나기 전에 XNUMX억 XNUMX천만 달러에 도달할 것입니다. 

광범위한 응용 분야와 예상되는 시장 규모 성장을 고려할 때 퀀텀닷은 많은 연구와 실험의 대상이었습니다. 그러나 이것은 주로 가시 스펙트럼에 있었습니다. 이는 자외선과 관련된 기술에 대해 발견할 것이 많다는 것을 의미합니다. 적외선 지역.

적외선 기술 사용 사례가 많기 때문에 비용 효율성, 개발 용이성, 사용 편의성에 대한 요구가 증가하고 있습니다. 조정 가능하고 적외선 활성이 있는 광전자 재료. 이 적외선 양자점의 개발로 이어졌습니다. 양자 구속 효과로 인해 적외선 양자점의 밴드 갭은 귀를 기울여라 필요할 때마다 단순히 치수 제약을 통해.

태양 연료 및 광전지와 같은 적외선 흡수체와 생물학적 이미징 및 발광 다이오드와 같은 적외선 발광체로서의 적외선 양자점 개발의 진전은 다음과 같습니다. 신흥 애플리케이션에 QD 구현을 촉진합니다.

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고품질 나노결정 개발

이제 일리노이대학교 어바나 샴페인 캠퍼스의 생명공학 교수인 앤드류 스미스(Andrew Smith)와 박사후 연구원 이원석이 고품질의 새로운 나노결정 제품을 개발했습니다.

게재 국립 보건원(National Institutes of Health)과 국립 과학 재단(National Science Foundation)의 지원을 받아 Nature Synthesis에서 연구를 진행한 이 연구는 가시광선 스펙트럼과 동일한 높은 표준을 갖춘 최초의 적외선 QD 사례였습니다.

나노결정 기술이 등장한 지 거의 반세기가 지났지만 우리는 나노결정 작동에 있어서만 발전을 보았습니다. 스펙트럼의 가시적인 부분에서. 이 "디스플레이 장치의 큰 부분"이라는 점을 고려하면 말이 됩니다.

Smith가 공유한 것처럼 모든 기술의 가장 큰 부분은 빛을 방출하거나 흡수하는 것입니다. 그래서 이를 활용한 기술 개발에 중점을 두었습니다. 오늘날 가장 큰 시장. 

그러나 이것이 전부는 아닙니다. 수요가 훨씬 더 높은 가시 스펙트럼 나노결정 외에도 적외선에 사용되는 재료의 화학적 성질도 더 어렵습니다. 이 가시광선 스펙트럼의 빛보다 낮은 에너지와 긴 파장을 포함합니다. 

이제 적외선에서 빛을 방출하고 흡수하려면 화학이 어려운 더 무거운 원소가 필요합니다. 이 예측하기 어려운 반응과 원하지 않는 부작용이 더 많다는 것을 의미합니다. 

이게 끝이 아닙니다. 이 무거운 원소들은 분해되기가 더 쉽습니다. 심지어 주변 환경 변화에도 취약합니다. 물과 같은.

양자점 나노결정의 경우, 그들은 다음과 같은 일을 할 수 있습니다. 만들어지다 실리콘과 같은 원소 반도체로부터 만들어지다 두 요소(이진) 또는 세 요소(삼진)로 구성됩니다. 두 가지 요소를 혼합하여 함께, 여러 가지 다른 속성을 얻을 수 있습니다, 그리고 세 가지를 결합하여, 훨씬 더 많은 속성을 달성할 수 있습니다..

일리노이 대학교 시스템의 핵심 기관인 이 연구소에서 연구진은 '완벽한' 소재가 될 수 있다고 믿는 단 하나의 원소에 집중했습니다. 바로 수은 카드뮴 셀레나이드입니다. 스미스에 따르면,

“기본적으로 카드뮴과 수은 원자의 비율을 변경하면 원하는 특성을 얻을 수 있습니다. 전체 적외선에 걸쳐 전체 가시 스펙트럼까지 광범위한 전자기 스펙트럼을 포괄할 수 있으며 매우 많은 특성을 얻을 수 있습니다.”

이미 개발된 QD 활용 

고품질 적외선 양자점을 개발하는 데는 실제로 수년이 걸렸습니다. 오랫동안 연구 커뮤니티는 대학원 시절부터 Smith 자신도 참여하여 이를 달성하기 위해 노력해 왔습니다. 하지만 그 어떤 노력도 이루어지지 않았습니다. 지금까지 성공했습니다.

마침내 일리노이 대학의 연구진이 새로운 물질을 만들 수 있었습니다. 그들은 이것을 달성했습니다 이미 완성된 것을 취함으로써. 그래서 그들은 무엇을 가져갔나 고려 가장 발전된 양자점이 되어야 하며, 스미스가 말하는 '희생의 틀'로 활용되어야 합니다.

셀렌화카드뮴(CdSe)은 n형 II-VI 반도체로 분류되는 무기 화합물입니다. 이는 적외선(IR) 빛에 투명하고 발광성이 높지만 포토레지스터에서는 사용이 제한적입니다.

연구에서 언급한 바와 같이 CdSe 기반 콜로이드 반도체 나노결정은 정밀하게 최적화되었습니다 가시 스펙트럼의 광자 응용 분야용. 현대 제품은 실제로 거의 100%에 달하는 양자 수율로 구조적 균일성을 보여줍니다. 

이제 연구팀은 카드뮴 셀레나이드를 가져와 카드뮴(Cd) 원자를 수은(Hg) 원자로 대체했습니다. 즉시 이것은 강한 빛 방출과 강한 빛 흡수를 포함하여 원하는 모든 품질을 유지하면서 모든 것을 적외선 스펙트럼으로 변경했습니다.

... 할 목적으로 이를 달성하기 위해 연구자들은 기존의 방식을 폐기해야 했습니다. 방법 나노결정을 합성하는 것입니다. 전통적인 방법에서는 먼저 전구체 요소를 혼합한 다음 올바른 조건에서 원하는 나노결정 구조로 분해합니다. 

그러나 셀렌화물, 수은 및 카드뮴에 대해 작동하는 조건은 없습니다. 그래서 이 박사후 연구원은 상호확산 강화 양이온 교환이라는 새로운 방법을 개발했다.

이 과정에서 연구팀은 네 번째 원소로 은을 첨가했는데, 이는 소재에 결함을 가져왔다. 이, Smith는 "모든 것이 뒤섞이게 만들었습니다"라고 말했습니다. 함께 균일하게. 그리고 그것은 모든 문제를 해결했습니다.”

결국, 연구팀은 적외선 스펙트럼에서 방출하고 흡수하는 셀렌화 수은(HgSe)과 셀렌화 수은(HgCdSe) 나노결정을 개발했습니다. 이미 잘 개발된 가시광선 스펙트럼 CdSe 전구체로부터 개발된 새로운 물질은 카드뮴 셀레나이드 나노결정의 모양, 크기 및 균일성을 포함하여 원하는 특성을 유지하면서 향상된 흡수성을 제공합니다.

이러한 균일한 나노 결정, HgSe 및 HgxCd1-xSe 합금은 적외선 스펙트럼에서 조정 가능한 밴드갭도 가지고 있습니다. 연구에 따르면, "헤테로에피택셜 CdZnS 껍질을 사용한 부동태화 후, 광발광 파장은 크기 변화 없이 구성에 따라 단파 적외선에서 조정 가능하며, 양자 수율은 80~91%이고 선폭은 100meV에 가깝습니다."

적외선 양자점의 잠재적 응용 

조정 가능한 전자 특성과 결합된 작은 양자점의 독특한 크기는 QD는 새로운 기술과 다양한 응용 분야에 매우 매력적입니다. 

밝고 순수한 색상의 무지개를 방출하는 능력으로 인해 높은 소광 계수와 높은 효율로 인해 양자점은 다음과 같은 광학 응용 분야에서 특히 중요합니다. LED 조명, 디스플레이 및 광전지. 이 기술을 고급 디스플레이 화면 개발에 사용하면 색상 정확도와 밝기가 향상됩니다.

보안 및 감시는 야간 투시 기능을 강화하고 어둡거나 가려진 환경에서 개인이나 물체를 식별하는 데 도움을 줄 수 있는 또 다른 분야입니다. 자동차 산업에서 이는 운전자 지원 시스템을 강화하고 야간 운전 안전을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 환경의 오염 물질을 감지할 수 있으며 수자원의 오염 물질.

양자점은 크기가 작아서 고차원 구조보다 상태 밀도가 더 선명하고, 전자가 멀리 이동할 필요가 없어 전자 장치가 더 빠르게 작동할 수 있습니다. 이러한 고유한 전자 특성은 태양전지, 트랜지스터, 양자 컴퓨팅, 초고속 전광 스위치 및 논리 게이트에 특히 유용합니다.

QD는 크기가 작기 때문에 바이오 센서 및 의료 영상과 같은 다양한 생체 의학 응용 분야에도 적합합니다. 형광 기반 바이오센서와 달리 양자점 기반 바이오센서는 시간이 지나도 성능 저하가 거의 없이 더 밝은 빛의 전체 스펙트럼을 방출할 수 있습니다. 이 생물 의학 응용 분야에서 정말 유익합니다.

연구에 따르면, 새로운 물질인 셀렌화수은(HgSe)과 셀렌화수은(HgCdSe) 나노결정은 차세대 이미징 기술로 이어질 수 있습니다.

적외선 양자점은 차세대 이미징 기술 개발을 통해 여러 산업에 혁명을 일으킬 수 있습니다. 예를 들어, 의료 영상에서 적외선 양자점은 종양과 암세포를 조기에 감지하고, 조직과 장기의 비침습적 영상을 보다 명확하고 상세한 영상으로 지원하고, 수술 중에 정밀도와 결과를 향상시키는 데 사용할 수 있습니다.

의료 부문에서 적외선 양자점은 세포 추적, 시각화 및 세포 내 분자 행동 연구에 추가로 사용될 수 있습니다. 연구 결과에 따르면, 가장 중요한 용도는 다음과 같습니다. 적외선 양자점은 분자 탐침용일 수 있습니다.

대부분의 양자점은 가시광선 스펙트럼을 방출하므로 표면 감지만 가능합니다. 그러나 적외선 수 더 깊은 조직을 조사하기 위해. 이 방법적외선으로 방출되는 양자점을 통해 연구자들은 대부분의 질병에 대한 표준 모델로 사용되는 살아있는 설치류를 통해 거의 전체를 볼 수 있으며 쥐를 희생시키지 않고도 몸 전체의 특정 분자의 위치를 ​​식별할 수 있습니다.

이러한 모든 용도는 생물학적 과정, 인체 및 질병 메커니즘에 대한 더 나은 이해를 의미하며, 결과적으로 더 나은 맞춤형 솔루션 및 관리를 의미합니다. 

이 모든 것 외에도 양자점을 이용한 적외선 이미징을 사용하여 재료 및 구성 요소를 분석할 수도 있습니다. 제조 시 제품 품질을 보장하고, 망원경의 해상도를 향상시키며, 우주선의 항해 및 작동을 지원합니다.

이미징 기술 및 적외선 양자점을 다루는 유명 기업

이제 이미징 기술을 발전시키고 양자점을 사용하는 데 앞장서 있는 회사를 살펴보겠습니다.

# 1. QD 비전

이 회사는 특히 디스플레이 및 이미징 응용 분야에서 양자점 기술로 유명합니다. Moungi Bawendi가 공동 창립한 회사 십년 전, 회사 에서는 Color IQ를 통해 QD 상용화를 위해 노력해 왔습니다. 

위로 2016에서, 삼성전자, QD비전 IP 70만달러에 인수수백 건의 특허를 포함한 . 이러한 전략적 움직임을 통해 삼성은 디스플레이, TV, 그리고 다른 사업에 대한 장기적인 비전을 뒷받침하고자 했습니다. 당시 삼성은 QD Vision의 지적 재산권이 QD TV의 첨단 구현을 위한 자사의 R&D 노력의 일부가 될 것이라고 밝혔습니다. 삼성의 QLED 디스플레이는 탁월한 색재현력과 탁월한 화질을 약속하며 "미래의 새로운 가능성을 열어갈 것"입니다.

삼성전자는 1년 2024분기 영업이익이 933년 1분기 대비 23% 증가했다고 보고했다. 삼성전자는 AI 붐에 따른 반도체 가격 상승으로 15분기 영업이익이 2배 증가할 것으로 기대하고 있다. 그럼에도 불구하고 삼성 주식(SMSN)은 YTD 24% 상승한 1,581달러에 거래되고 있습니다. 회사는 5.54%의 배당수익률을 지급합니다.

# 2. 나노코그룹

런던증권거래소에 NANO 종목으로 상장된 Nanoco는 양자점 및 기타 나노물질의 개발 및 제조를 전문으로 합니다. $0.1949에 거래되고 있으며 주가는 YTD 12.38% 하락했습니다. EPS(TTM)는 0.06, P/E(TTM)는 3.32입니다.

회사는 최근 보통주 330,133주를 매입했습니다. 취소됩니다 보통주 205,038,038주를 발행하는 것은 주주가치 제고를 위한 조치입니다. 2분기 실적 발표에서 CEO Brian Tenner는 Nanoco가 두 건의 상업 생산 주문을 받고 이행하는 것에 대해 이야기했습니다. 주문량은 적지만 이는 Nanoco가 실제로 실제 생산 회사로 전환하고 있으며 "시간이 지남에 따라 수요와 물량이 증가할 것으로 예상한다"는 것을 의미합니다. 또한 회사는 적외선 감지에 사용되는 두 가지 24세대 나노물질과 관련하여 전 세계 고객과 두 건의 공동 개발 계약을 체결했습니다. 

Nanoco의 핵심 기술에는 형광 반도체 나노입자와 HEATWAVETM 양자점으로 구성된 CFQD® 양자점이 포함됩니다. 특별히 설계되었습니다 센서 산업에 사용됩니다. 전자에는 응용 프로그램이 있지만 OLED 색상 변환, μLED 색상 변환 및 광학 보안 태깅. 후자의 기술은 생체 인식 얼굴 인식, 광학 진단, 야간 투시, 거리 찾기 및 LiDAR 애플리케이션을 위한 것입니다.

최종 생각 

앞서 살펴본 것처럼 퀀텀닷 기술은 산업 전반에 걸쳐 상당한 발전을 약속합니다. 연구자들은 현재 적외선 양자점과 같은 QD를 더욱 심도 있게 연구하고 있으며, 특히 생물학적 이미징 분야에서 독특한 응용 분야를 가지고 있습니다. QD에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 시장 규모가 커짐에 따라, 양자점 분야에서는 더욱 많은 발전이 있을 것입니다. 의료, 에너지, 센서 및 가전제품에 혁명을 일으킬 수 있는 역량입니다.