케임브리지 대학교 과학자들이 분자 안테나를 이용해 절연 나노 입자에 전력을 공급하는 데 성공하여 극도로 순수한 근적외선 LED를 개발했습니다. 11월 19일자 네이처(자연)지에 발표된 이번 연구 결과는 의료 진단, 광통신 시스템, 센싱 기술 등에 응용될 가능성이 있는 새로운 종류의 초고순도 근적외선 LED의 탄생을 알립니다. 케임브리지 대학교 캐번디시 연구소의 연구팀은 나노 광전자 재료 및 소자 연구에 주력하고 있습니다.
연구팀은 유기 분자, 특히 9-안트라센카르복실산(9-ACA)을 세륨이 도핑된 희토류 나노입자(LnNPs)에 부착함으로써 이 분자들이 마치 소형 안테나처럼 작용하여 일반적으로 전기 에너지를 비전도성인 이 입자로 효과적으로 전달할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 이 혁신적인 방법을 통해 오랫동안 전자 부품과 호환되지 않았던 이 나노입자들이 처음으로 빛을 방출할 수 있게 되었습니다.
이번 연구의 핵심은 세륨이 도핑된 나노입자(LnNPs)에 있습니다. LnNPs는 특히 제2 근적외선 영역에서 매우 순수하고 안정적인 빛을 생성하는 것으로 알려져 있으며, 이러한 빛은 밀도가 높은 생체 조직을 투과할 수 있습니다. 이러한 장점에도 불구하고, 전기 전도성이 부족하여 LED와 같은 전자 부품에 오랫동안 사용되지 못했습니다.
연구팀은 유기 및 무기 성분을 결합한 하이브리드 소재를 개발하여 이 문제를 해결했습니다. 기능성 고정기를 포함하는 유기 염료를 LnNPs의 외표면에 부착했습니다. 이렇게 제작된 LED에서는 전하가 나노입자로 직접 전달되는 대신, 분자 안테나 역할을 하는 9-ACA 분자로 유도됩니다.
활성화되면 이 분자들은 들뜬 삼중항 상태에 들어갑니다. 많은 광학 시스템에서 이 삼중항 상태는 일반적으로 비활성 상태로 간주되어 활용되지 않습니다. 그러나 이 설계에서는 에너지의 98% 이상이 삼중항 상태에서 절연 나노입자 내의 세륨 이온으로 전달되어 밝고 효율적인 발광을 생성합니다. 이 새로운 방법을 통해 연구팀의 LnLED는 약 5볼트의 낮은 전압에서 작동하고 매우 좁은 스펙트럼 폭과 0.6%를 초과하는 최대 외부 양자 효율을 갖는 전기 발광을 생성할 수 있어 양자점과 같은 경쟁 기술보다 훨씬 우수합니다.
이번 발견은 미래 의료 기기에 광범위한 잠재적 응용 가능성을 열어줍니다. 소형, 주사형 또는 착용형 LnLED는 암과 같은 질병을 진단하기 위한 심부 조직 영상 촬영, 실시간 장기 기능 모니터링, 또는 광감작 약물의 정밀한 작용 유도에 활용될 수 있습니다. 또한, 방출되는 빛의 순도와 좁은 스펙트럼 폭은 더욱 빠르고 선명한 광통신 시스템에 대한 가능성을 제시하며, 잠재적으로 간섭이 적은 효율적인 데이터 전송으로 이어질 수 있습니다.
