모든 것을 바꾸는 ‘불가능한’ LED 혁신

케임브리지 대학교 캐번디시 연구소(Cavendish Laboratory)의 연구원들은 일반적으로 전도되지 않는 물질에 전류를 흐르게 하는 방법을 발견했는데, 이는 이전에는 정상적인 조건에서는 불가능하다고 생각되었던 위업입니다. 작은 안테나처럼 작동하는 신중하게 선택된 유기 분자를 부착함으로써 그들은 절연 나노입자로 최초의 발광 다이오드(LED)를 만들었습니다. 그들의 작업은 다음과 같이 보고되었습니다. 자연심부 조직 생체 의학 영상 및 고속 데이터 전송을 위한 차세대 장치를 가리킵니다.

연구팀은 극도로 순수하고 안정적인 빛을 생성하는 것으로 잘 알려진 재료 종류인 란타넘족 도핑 나노입자(LnNP)에 중점을 두었습니다. 이러한 나노입자는 생물학적 조직 깊숙이 침투할 수 있는 두 번째 근적외선 영역에서 특히 효과적입니다. 그러나 지금까지는 전기 절연 특성으로 인해 LED와 같은 표준 전자 부품에 통합할 수 없었습니다.

캐번디시 연구소에서 연구를 이끈 Akshay Rao 교수는 “이 나노입자는 환상적인 발광체이지만 전기로 전력을 공급할 수 없었다. 이는 일상 기술에서 나노입자의 사용을 막는 주요 장벽이었다”고 말했습니다. “우리는 근본적으로 전력을 공급할 수 있는 백도어를 찾았습니다. 유기 분자는 안테나처럼 작동하여 전하 캐리어를 잡은 다음 특수 삼중항 에너지 전달 과정을 통해 이를 나노입자에 ‘속삭이는’데, 이는 놀라울 정도로 효율적입니다.”

분자 안테나를 이용한 유무기 하이브리드 설계

연구진은 절연 문제를 극복하기 위해 유무기 하이브리드 구조를 만들었다. 그들은 9-안트라센카복실산(9-ACA)이라고 불리는 작용기 앵커가 있는 유기 염료를 LnNP 표면에 부착했습니다. 새로운 LED에서는 전하가 나노입자에 직접 주입되기보다는 분자 안테나 역할을 하는 9-ACA 분자에 주입됩니다.

일단 에너지가 공급되면 9-ACA 분자는 여기된 삼중항 상태로 들어갑니다. 많은 광학 시스템에서 이 삼중항 상태는 “어두운” 상태로 간주됩니다. 즉, 유용한 빛으로 변환되는 대신 에너지가 손실되는 경우가 많습니다. 그러나 이 설계에서는 삼중항 상태의 에너지가 절연성 나노입자 내부의 란탄족 이온에 98% 이상의 효율로 전달되어 놀라운 밝기로 빛을 방출하게 됩니다.

저전압의 초순수 근적외선

이 방법을 사용하면 팀의 “LnLED”는 약 5V의 비교적 낮은 작동 전압으로 켜질 수 있습니다. 동시에 매우 좁은 스펙트럼 폭을 갖는 전계발광을 생성합니다. 이는 양자점(QD)을 포함한 많은 경쟁 기술보다 훨씬 더 순수한 방출을 만듭니다.

이번 연구의 주저자이자 Cavendish Laboratory의 박사후 연구원인 Zhongzheng Yu 박사는 “LnLED가 방출하는 두 번째 근적외선 창의 빛의 순도는 큰 장점입니다. “생체 의학 감지 또는 광통신과 같은 응용 분야의 경우 매우 선명하고 특정 파장이 필요합니다. 우리 장치는 다른 재료로는 수행하기 매우 어려운 이를 쉽게 달성합니다.”

생체의학 이미징, 광통신 및 감지 잠재력

이러한 전기적으로 구동되는 나노입자는 깨끗하고 잘 정의된 빛을 방출할 수 있기 때문에 첨단 의료 기술의 기초를 형성할 수 있습니다. 주입 가능하거나 웨어러블 장치에 내장될 수 있는 작은 LnLED는 심부 조직 이미징에 사용되어 암을 찾고, 장기 기능을 실시간으로 추적하거나, 광 활성화 약물을 고정밀로 촉발할 수 있습니다.

좁은 스펙트럼 출력은 순수하고 안정적인 파장을 통해 간섭을 줄이면서 더 많은 데이터를 전송할 수 있는 광통신에도 매력적입니다. 또한 이 플랫폼은 매우 특정한 화학 물질이나 생물학적 마커를 감지하는 고감도 센서를 지원하여 진단 도구 및 환경 모니터링을 향상시킬 수 있습니다.

1세대 성능과 향후 방향

초기 테스트에서 연구원들은 NIR-II LED에 대해 0.6% 이상의 최고 외부 양자 효율을 달성했습니다. 전기적으로 구동되는 절연 나노입자로 제작된 1세대 장치의 경우 이러한 성능은 매우 유망한 것으로 간주됩니다. 또한 팀은 향후 설계에서 효율성을 더욱 향상시킬 수 있는 명확한 경로를 식별했습니다.

Cavendish Laboratory의 박사후 연구원인 Yunzhou Deng 박사는 “이것은 시작에 불과합니다. 우리는 광전자 공학을 위한 완전히 새로운 종류의 재료를 발견했습니다.”라고 덧붙였습니다. “기본 원리는 매우 다양하여 이제 유기 분자와 절연 나노 물질의 수많은 조합을 탐색할 수 있습니다. 이를 통해 우리는 아직 생각조차 하지 못한 응용 분야에 맞는 특성을 갖춘 장치를 만들 수 있습니다.”

이 연구는 영국 연구 혁신(UKRI) 프론티어 연구 보조금(EP/Y015584/1) 및 박사후 개인 펠로우십(Marie Skłodowska-Curie Fellowship 보조금 제도)의 일부 지원을 받았습니다.