회전하고 꼬인 빛으로 차세대 전자 장치에 전력을 공급할 수 있다

연구자들은 유기 반도체 분야에서 수십 년 동안 해결되지 않았던 과제를 해결해 전자공학의 미래에 대한 새로운 가능성을 열었습니다.

케임브리지 대학과 에인트호번 공과대학이 이끄는 연구진은 전자를 나선형 패턴으로 움직이게 하는 유기 반도체를 만들어냈습니다. 이는 TV와 스마트폰 화면의 OLED 디스플레이 효율성을 향상시키거나 스핀트로닉스와 양자 컴퓨팅과 같은 차세대 컴퓨팅 기술에 동력을 공급할 수 있습니다.

그들이 개발한 반도체는 원형 편광광을 방출합니다. 즉, 이 빛은 전자의 '핸디드니스'에 대한 정보를 전달합니다. 실리콘과 같은 대부분의 무기 반도체의 내부 구조는 대칭적입니다. 즉, 전자는 선호하는 방향 없이 이동합니다.

그러나 자연에서 분자는 종종 키랄(좌우) 구조를 가지고 있습니다. 인간의 손처럼 키랄 분자는 서로의 거울상입니다. 키랄성은 DNA 형성과 같은 생물학적 과정에서 중요한 역할을 하지만 전자공학에서 활용하고 제어하기 어려운 현상입니다.

하지만 자연에서 영감을 얻은 분자 설계 기법을 사용하여 연구자들은 반도체 분자 스택을 밀어서 정렬된 우향 또는 좌향 나선형 기둥을 형성함으로써 키랄 반도체를 만들 수 있었습니다. 그들의 결과는 저널 Science에 보고되었습니다.

키랄 반도체의 유망한 응용 분야 중 하나는 디스플레이 기술입니다. 현재 디스플레이는 종종 화면이 빛을 걸러내는 방식으로 인해 상당한 양의 에너지를 낭비합니다. 연구자들이 개발한 키랄 반도체는 이러한 손실을 줄일 수 있는 방식으로 자연스럽게 빛을 방출하여 화면을 더 밝고 에너지 효율적으로 만듭니다.

"제가 유기 반도체로 작업을 시작했을 때 많은 사람이 그 잠재력을 의심했지만, 지금은 디스플레이 기술을 지배하고 있습니다." 연구를 공동으로 이끈 케임브리지 캐번디시 연구소의 리처드 프렌드 교수가 말했습니다.

"강성 무기 반도체와 달리 분자 재료는 놀라운 유연성을 제공하여 키랄 LED와 같이 완전히 새로운 구조를 설계할 수 있습니다. 직사각형 블록이 아니라 상상할 수 있는 모든 모양의 레고 세트를 다루는 것과 같습니다."

반도체는 나선형 스택으로 자체 조립되는 트리아자트럭센(TAT)이라는 소재를 기반으로 하며, 이를 통해 전자가 나사산처럼 구조를 따라 나선형으로 이동할 수 있습니다.

"청색 또는 자외선에 의해 자극되면 자체 조립된 TAT는 강한 원형 편광을 가진 밝은 녹색 빛을 방출합니다. 이는 지금까지 반도체에서 달성하기 어려웠던 효과입니다." 에인트호번 공과대학의 공동 1저자 마르코 프로이스가 말했습니다. "TAT의 구조는 전자가 효율적으로 움직일 수 있게 하면서 빛이 방출되는 방식에 영향을 미칩니다."

OLED 제조 기술을 수정하여 연구자들은 TAT를 작동하는 원형 편광 OLED(CP-OLED)에 성공적으로 통합했습니다. 이러한 장치는 기록적인 효율성, 밝기 및 편광 수준을 보여 동종 제품 중 최고가 되었습니다.

"우리는 스마트폰에서처럼 OLED를 만드는 표준 레시피를 근본적으로 재작업하여 안정적이고 비결정질 매트릭스 내에 키랄 구조를 가두었습니다." 케임브리지 캐번디시 연구소의 공동 1저자 리투파르노 초우두리는 말했습니다. "이것은 오랫동안 이 분야에서 다루지 못했던 원형 편광 LED를 만드는 실용적인 방법을 제공합니다."

이 연구는 Friend의 연구 그룹과 Eindhoven University of Technology의 Bert Meijer 교수 그룹 간의 수십 년간의 협업의 일부입니다. Meijer는 "이것은 키랄 반도체를 만드는 데 있어 진정한 돌파구입니다."라고 말했습니다. "분자 구조를 신중하게 설계함으로써 구조의 키랄성을 전자의 움직임과 결합시켰으며, 이는 이 수준에서 이전에는 한 번도 이루어진 적이 없습니다."

키랄 반도체는 현재 600억 달러 이상의 산업을 지원하는 유기 반도체 분야에서 한 걸음 더 나아간 것입니다. 디스플레이 외에도 이 개발은 양자 컴퓨팅과 스핀트로닉스에도 영향을 미칩니다. 스핀트로닉스는 전자의 스핀 또는 고유 각운동량을 사용하여 정보를 저장하고 처리하는 연구 분야로, 잠재적으로 더 빠르고 안전한 컴퓨팅 시스템으로 이어질 수 있습니다.

이 연구는 부분적으로 유럽 연합의 마리 퀴리 훈련 네트워크와 유럽 연구 위원회의 지원을 받았습니다. Richard Friend는 케임브리지 세인트 존스 칼리지의 펠로우입니다. Rituparno Chowdhury는 케임브리지 피츠윌리엄 칼리지의 회원입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250313151808.htm