케임브리지 대학교 과학자들은 분자 안테나를 이용하여 절연 나노입자에 전력을 공급하는 데 성공하여 초고순도 근적외선 LED를 개발했습니다. 11월 19일자 네이처(자연)에 게재된 이 연구 결과는 의료 진단, 광통신 시스템, 그리고 센싱 기술 분야에 응용될 수 있는 새로운 종류의 초고순도 근적외선 LED를 탄생시켰습니다. 케임브리지 대학교 캐번디시 연구소 연구팀은 나노 광전자 소재 및 소자 연구에 집중하고 있습니다.
연구팀은 유기 분자, 특히 9-안트라센카르복실산(9-아카)을 세륨 도핑된 희토류 나노입자(엘앤피)에 부착함으로써, 이 분자들이 소형 안테나 역할을 하여 전기 에너지를 이러한 비전도성 입자에 효과적으로 전달한다는 것을 발견했습니다. 이 혁신적인 방법을 통해 오랫동안 전자 부품과 호환되지 않았던 나노입자가 최초로 빛을 방출할 수 있게 되었습니다.
이 연구의 핵심은 세륨 도핑 나노입자(엘앤피)에 있습니다. LnNP는 특히 두 번째 근적외선 영역에서 매우 순수하고 안정적인 빛을 생성하는 것으로 알려진 물질로, 고밀도 생체 조직을 투과할 수 있습니다. 이러한 장점에도 불구하고, 전기 전도성이 낮아 LED와 같은 전자 부품에 오랫동안 사용되지 못했습니다.
연구팀은 유기 및 무기 성분을 결합한 하이브리드 소재를 개발하여 이 문제를 해결했습니다. 연구팀은 기능성 고정기를 포함하는 유기 염료를 LnNPs의 외부 표면에 부착했습니다. 제작된 LED에서 전하는 나노입자로 직접 전달되는 것이 아니라, 분자 안테나 역할을 하는 9-아카 분자로 유도됩니다.
일단 활성화되면, 이 분자들은 들뜬 삼중항 상태가 됩니다. 많은 광학 시스템에서 이 삼중항 상태는 일반적으로 dddhhdark stateddhhh로 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 연구진의 LnLED는 약 5V의 낮은 전압에서 작동하면서도 매우 좁은 스펙트럼 폭과 0.6%를 초과하는 최대 외부 양자 효율을 갖는 전계 발광을 생성할 수 있어, 양자점과 같은 경쟁 기술보다 훨씬 우수합니다.
이 발견은 미래 의료 기기에 대한 광범위한 잠재적 응용 분야를 열어줍니다. 소형, 주사형 또는 착용형 LnLED는 암과 같은 질병을 진단하고, 장기 기능을 실시간으로 모니터링하고, 광감응성 약물을 정확하게 방출하는 심부 조직 이미징에 사용될 수 있습니다. 방출되는 빛의 순도와 좁은 스펙트럼 폭은 더 빠르고 선명한 광통신 시스템을 가능하게 하여, 간섭을 줄이면서 더 효율적인 데이터 전송을 가능하게 할 수 있습니다.