초음파 처리를 통한 페로브스카이트 합성

초음파로 유도하고 강화한 반응은 기존 기법으로는 제조할 수 없는 경우가 많은 광활성 소재를 생산하기 위한 간편하고 정밀하게 제어할 수 있으며 범용성이 높은 합성 방법을 제공합니다.
페로브스카이트 결정의 초음파 결정화 및 석출은 매우 효과적이고 경제적인 기법으로, 대량 생산을 위해 산업 규모로 페로브스카이트 나노결정을 생산할 수 있게 합니다.

페로브스카이트 나노결정의 초음파 합성

유기–무기 할로겐화 납 페로브스카이트는 높은 광흡수율, 매우 긴 전하 운반자 수명, 전하 운반자 확산 길이, 높은 전하 운반자 이동도 등 탁월한 광전자 특성을 나타내므로, 페로브스카이트 화합물은 태양광 패널, LED, 광검출기, 레이저 등의 고성능 응용 분야에 적합한 우수한 기능성 소재입니다.
초음파 처리는 다양한 유기 반응을 가속하는 물리적 방법 중 하나입니다. 초음파 처리는 결정화 과정에 영향을 미치고 이를 제어하여 단결정 페로브스카이트 나노입자의 크기 특성을 제어할 수 있게 합니다.

CH₃NH₃PbBr₃ QDs의 TEM 영상: (a) 초음파 처리한 경우 및 (b) 초음파 처리하지 않은 경우.

페로브스카이트 초음파 합성 사례 연구

초음파를 이용한 다양한 유형의 페로브스카이트 결정 성장에 관한 연구가 수행되었습니다. 일반적으로 페로브스카이트 결정은 액상 성장법으로 제조합니다. 페로브스카이트 결정을 석출시키기 위해 전구체 용액 내 대상 시료의 용해도를 제어하면서 서서히 낮춥니다. 페로브스카이트 나노결정의 초음파 석출은 주로 비용매 급랭에 기반합니다.

페로브스카이트 나노결정의 초음파 결정화

Jang et al. (2016)은 초음파를 이용한 할로겐화 납 페로브스카이트 나노결정의 성공적인 합성을 보고했습니다. 초음파를 사용하여 APbX₃ 페로브스카이트 나노결정을 다양한 조성으로 석출시켰으며, 여기서 A = CH₃NH₃, Cs 또는 HN=CHNH₃ (포름아미디늄)이고 X = Cl, Br 또는 I입니다. 초음파 처리는 전구체(AX 및 PbX₂)가 톨루엔에 용해되는 과정을 가속하며, 용해 속도가 나노결정의 성장 속도를 결정합니다. 이후 연구팀은 크기가 균일한 나노결정을 대면적 산화규소 기판에 균일하게 스핀 코팅하여 고감도 광검출기를 제작했습니다.

CH3NH3PbBr3의 입도 분포: (a) 초음파 처리한 경우 및 (b) 초음파 처리하지 않은 경우.
Chen et al. 2017

페로브스카이트의 초음파 비대칭 결정화

Peng et al. (2016)은 캐비테이션 유발 비대칭 결정화(CTAC)에 기반한 새로운 성장법을 개발했습니다. 이 방법은 핵생성 장벽을 극복하기에 충분한 에너지를 제공하여 불균일 핵생성을 촉진합니다. 간단히 설명하면, 비용매 증기 확산을 통해 용액이 낮은 과포화 수준에 도달했을 때 매우 짧은 초음파 펄스(≈ 1sec)를 용액에 가했습니다. 초음파 펄스는 높은 과포화 수준에서 가해지며, 이때 캐비테이션이 과도한 핵생성을 유발하여 수많은 미세 결정이 성장하게 됩니다. 유망한 결과로, MAPbBr₃ 단결정 박막이 주기적인 초음파 처리 후 수 시간 이내에 다양한 기판의 표면에서 성장했습니다.

페로브스카이트 양자점의 초음파 합성

Chen et al. (2017)은 연구에서 초음파 조사하에 페로브스카이트 양자점(QDs)을 제조하는 효율적인 방법을 제시합니다. 초음파 처리는 페로브스카이트 양자점의 침전을 가속하기 위한 기계적 방법으로 사용됩니다. 초음파 처리는 페로브스카이트 양자점의 결정화 공정을 강화하고 제어하여 나노결정의 크기를 정밀하게 조절할 수 있게 합니다. 페로브스카이트 양자점의 구조, 입자 크기 및 형태를 분석한 결과, 초음파 결정화를 통해 더 작은 입자 크기와 더 균일한 입도 분포를 얻을 수 있는 것으로 나타났습니다. 초음파(= 음향화학적) 합성을 이용하면 화학 조성이 서로 다른 페로브스카이트 양자점도 제조할 수 있었습니다. 페로브스카이트 결정의 이러한 서로 다른 조성은 CH₃NH₃PbX₃ (X = Cl, Br 및 I)의 방출 피크와 흡착 경계를 불가능하게 할 수 있게 했으며, 이로 인해 매우 넓은 색 영역을 얻었습니다.

초음파 분산

나노입자 현탁액과 잉크의 초음파 처리는 나노 현탁액을 그리드나 전극과 같은 기판에 도포하기 전에 균일하게 분산하는 신뢰할 수 있는 기술입니다. (참조: Belchi et al. 2019; Pichler et al. 2018)
초음파 분산은 고형분 농도가 높은 물질(예: 페이스트)을 쉽게 처리하며, 나노입자를 개별 입자로 분산하여 균일한 현탁액을 생성합니다. 이를 통해 후속 도포 공정에서 기판을 코팅할 때 응집체와 같은 입자 뭉침이 코팅 성능을 저하시키지 않도록 합니다.

초음파 분산으로 균일한 나노 크기 현탁액을 제조합니다: 녹색 곡선 – 초음파 처리 전 / 빨간색 곡선 – 초음파 처리 후

페로브스카이트 침전용 초음파 처리기

Hielscher Ultrasonics는 고품질 페로브스카이트 결정의 음향화학적 합성을 위한 고성능 초음파 시스템을 설계하고 제조합니다. 시장 선도 기업인 Hielscher Ultrasonics는 초음파 처리 분야에서 오랜 경험을 바탕으로 최초의 타당성 시험부터 공정 최적화, 대규모 생산을 위한 산업용 초음파 처리기의 최종 설치까지 고객을 지원합니다. 실험실용 및 탁상형 초음파 처리기부터 산업용 초음파 처리기까지 전체 제품군을 제공하는 Hielscher는 고객의 나노결정 공정에 이상적인 장치를 추천할 수 있습니다.
모든 Hielscher 초음파 처리기는 정밀하게 제어할 수 있으며, 매우 낮은 진폭부터 매우 높은 진폭까지 조정할 수 있습니다. 진폭은 초음파 처리 공정의 작용과 파괴성에 영향을 미치는 주요 요인 중 하나입니다. Hielscher Ultrasonics의 초음파 프로세서는 매우 순하고 부드러운 처리부터 매우 강력하고 파괴적인 처리까지 포괄하는 매우 폭넓은 진폭 범위를 제공합니다. 적절한 진폭 설정, 부스터 및 소노트로드를 선택하면 특정 공정에 필요한 초음파 작용을 설정할 수 있습니다. Hielscher의 특수 플로우 셀 반응기 인서트 MPC48 – MultiPhaseCavitator(왼쪽 그림 참조) – 를 사용하면 48개의 캐뉼라를 통해 두 번째 상을 가느다란 흐름으로 캐비테이션 핫스폿에 주입할 수 있으며, 이곳에서 고성능 초음파가 두 상을 분산시켜 균일한 혼합물을 형성합니다. MultiPhaseCavitator는 결정 시드 형성 지점을 생성하고 페로브스카이트 나노결정의 침전 반응을 제어하는 데 이상적입니다.
Hielscher 산업용 초음파 프로세서는 대단히 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로 24/7 연속 운전을 손쉽게 수행할 수 있습니다. 이보다 더 높은 진폭을 위해서는 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. Hielscher 초음파 장비의 견고함 덕분에 고부하 조건과 까다로운 환경에서도 24/7 운전이 가능합니다.
고객들은 Hielscher Ultrasonic 시스템의 뛰어난 견고함과 신뢰성에 만족하고 있습니다. 고부하 적용 분야와 까다로운 환경에 설치하여 24/7 운전하면 효율적이고 경제적인 처리가 보장됩니다. 초음파 공정 강화는 처리 시간을 줄이고 더 높은 품질, 더 높은 수율, 혁신적인 제품과 같은 더 나은 결과를 달성합니다.
아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여 줍니다: