나노기술 및 정책 정보

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스페인의 카스텔데펠스 연구소(ICFO-The Institute of Photonic Sciences) 연구팀이 소형화되고 CMOS 기술과 통합될 수 있고 식품 검사, 건강 또는 안전을 포함한 많은 응용 분야에 사용될 수 있는 단파 적외선에서 새로운 등급의 광대역 고체 발광체를 개발함. 적외선의 광대역 발광은 식품 품질 및 제품/공정 모니터링, 재활용, 환경 감지 및 모니터링, 자동차의 다중 스펙트럼 이미징, 안전 및 보안을 포함하는 광범위한 응용 분야에서 가장 중요한 것으로 입증되었음. IoT의 출현과 휴대용 장치(예 : 스마트 시계, 휴대폰 등)에 더 많은 기능을 추가하려는 요구가 증가함에 따라 건강 모니터링, 알레르기유발 항원검출 식품 품질 검사를 위한 온칩 분광계의 도입이 몇 가지 예임. 그러나 이러한 기능을 대량 생산 가전제품에 쉽게 통합하고 구현하려면 몇 가지 전제 조건을 충족해야함. 더 구체적으로 말하면, 광원은 저비용 및 대량 생산을 보장하기 위해 작고 효율적이며 이상적으로 CMOS 통합되어야함. 지금까지 앞서 언급한 애플리케이션에 활용하는 단파 적외선(1 – 2.5 µm 사이의 적외선 스펙트럼의 일부) 범위의 광대역 발광기는 실제로 백열 광원(예 : 흑체복사)을 기반으로 하는 이전 세기 기술임. 생산 비용은 낮지만 기능은 가열 원리를 기반으로 하기 때문에 이러한 소스의 소형화는 어렵기 때문에 결국 부피가 큰 형태가 됨. 또한 열 발산은 소형 휴대용 시스템에 통합할 때 주요 문제가 됨. 문제를 더욱 악화시키는 것은 이러한 소스가 제어할 수 없을 정도로 광대역이며 일반적으로 필요한 것보다 훨씬 더 넓은 스펙트럼을 통해 방출된다는 사실임. 즉, 생성된 빛의 대부분이 본질적으로 쓸모가 없기 때문에 매우 비효율적임. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 콜로이드 양자점(CQD) 박막 기술을 기반으로 한 새로운 종류의 광대역 고체 발광체를 개발한 것임.

이제 CQD는 저비용 솔루션, 쉬운 CMOS 통합 및 쉽게 조정할 수 있는 밴드 갭의 장점을 제공함. 이러한 특성을 활용하여 연구팀은 다양한 크기의 CQD 다중 스택을 설계하고 엔지니어링했으며, 이는 방출 QD의 크기에 따라 달라지는 스펙트럼으로 빛을 방출할 수 있음을 보여주었음. 층의 순서와 두께는 이러한 하향 변환 나노 인광체 유형의 박막의 광 변환 효율을 최대화하기 위해 최적화되었음. 스택은 유연한 플라스틱 기판 위에 구축된 다음 가시 범위에서 방출되는 LED 위에 접착되었음. 이 LED는 가시광선을 방출한 다음 CQD에 의해 흡수되고 원하는 스펙트럼을 가진 적외선으로 변환되며, 더 중요한 것은 25 %의 뛰어난 광자 변환 효율을 제공함. 그들은 CQD 크기의 적절한 모집단을 선택하여 방출 스펙트럼의 모양을 조정할 수 있음을 보여주었음. 이 특별한 경우를 위해 연구원들은 400nm의 FWHM으로 1100 – 1700nm 사이의 방출 범위를 커버하는 광대역 광원을 개발했음.

본 연구 성과는 ‘Advanced Materials’ ("Solid-State Thin-Film Broadband Short-Wave Infrared Light Emitters") 지에 게재됨