世界最小LEDの創造：ETH ZurichのナノLEDブレイクスルー

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有機ナノ発光ダイオードのピクセルアレイが、50,000ピクセル/インチの解像度でETHロゴを表示。（画像：Jiwoo Oh / ETH Zurich; Nature Photonics）

小型化は半導体業界の推進力です。1950年代以来のコンピューター性能の飛躍的向上は、シリコンチップ上により小さな構造を製造できるようになったことが主因です。ETH Zurichの化学エンジニアたちが、現在主にプレミアム携帯電話とTV画面で使用されている有機発光ダイオード（OLED）のサイズを、桁違いに縮小することに成功しました。彼らの研究は最近Nature Photonics誌に掲載されました。

「我々が開発した最微小OLEDピクセルの直径は100ナノメートル範囲で、これは現在の最先端より約50倍小さいです」と、ETH Chih-Jen Shih教授率いるナノ材料工学研究グループで活動する博士課程学生Jiwoo Ohは述べています。

Ohは、Tommaso Marcatoとともに新ナノOLED製造プロセスを開発しました。「わずか単一ステップで、最大ピクセル密度が以前の約2500倍になりました」と、Shihグループでポスドクとして活動するMarcatoは言います。

比較のため：2000年代まで、コンピュータープロセッサーの小型化ペースはムーアの法則に従い、電子要素密度が2年ごとに倍増していました。

100〜200ナノメートルサイズのピクセルが、目に近く装着するメガネなどで剃刀のようにシャープな画像を表示する超高解像度スクリーンの基盤となります。これを説明するため、Shihの研究チームはETH Zurichロゴを表示しました。ロゴは人間の細胞と同様のサイズの2800ナノOLEDで構成され、各ピクセルは約200ナノメートル。これまでに開発された最小ピクセルは100ナノメートル範囲に達します。

さらに、これら微小光源は、高解像度顕微鏡によるサブミクロメートル範囲への焦点合わせにも役立ちます。「ナノピクセルアレイを光源として、試料の最微小領域を照明できます。個々の画像をコンピューターで組み立てれば、極めて詳細な画像が得られます」とShih教授は言います。またナノピクセルを、個々の神経細胞からの信号を検出する潜在的微小センサーと見なしています。

これら微小寸法は、以前は完全に手の届かなかった研究と技術の可能性を開きます。Marcatoによると：「同じ色の2つの光波が、半波長より近い距離で収束すると——いわゆる回折限界——それらは互いに独立して振動しなくなり、相互作用し始めます。」可視光の場合、この限界は色により約200〜400ナノメートル——ETH研究者たちが開発したナノOLEDはこの距離で配置可能です。

初期実験で、Shihチームはこのような相互作用を用いて、放出光の方向を標的的に操作することに成功しました。チップ上の全方向に光を放出する代わりに、OLEDは非常に特定の角度でのみ光を放出します。「将来、ナノOLEDマトリックスからの光を一方向に束ね、強力なミニレーザー構築に活用できるでしょう」とMarcatoは期待します。

偏光——単一平面で振動する光——も、相互作用によって生成可能で、研究者たちがすでに実証しています。今日これは医学で、健康組織と癌組織の区別などに利用されています。

現代の無線とレーダー技術は、これらの相互作用の潜在性を示唆します。ミリメートルからキロメートルの波長を使用し、すでに長い間これらの相互作用を活用してきます。いわゆるフェーズドアレイ配列により、アンテナや送信信号を精密に整列・集束できます。光学スペクトルでは、こうした技術がデータネットワークとコンピューターの情報伝達をさらに加速するなど、さまざまなことに役立つ可能性があります。

相互作用する波の基本原理は、鏡のように滑らかな湖に2つの石を隣接して投げ込むことで適切に説明できます。円形水波が出会う場所で、波峰と波谷の幾何学的パターンが生まれます。同様に、知的に配置されたナノOLEDは、隣接ピクセルからの光が相互に強め合ったり打ち消し合ったりする光学波効果を生み出せます。

これまでのOLED製造では、発光分子がシリコンチップ上に後から蒸着されていました。これは比較的厚い金属マスクを使用し、それに応じて大きなピクセルを生成していました。しかしOhが説明するように、小型化への動きは今、特殊なセラミック材料によって可能になっています：「窒化ケイ素は、わずか数平方ミリメートルの表面でたわまない、非常に薄くかつ強靭な膜を形成できます。」

結果として、研究者たちはナノOLEDピクセル配置用テンプレートを、約3000倍薄く製造できました。「我々の手法は、コンピューターチップ製造に使用される標準リソグラフィプロセスに直接統合できる利点もあります」とOhは言います。

新ナノ発光ダイオードは、2024年にスイス国立科学財団（SNSF）からShihに授与されたConsolidator Grantの文脈で開発されました。研究者たちは現在、手法の最適化に取り組んでいます。ピクセルのさらなる小型化に加え、制御にも焦点を当てています。

「OLEDを個別に制御できるよう接続することを目指しています」とShihは言います。「これは、光ピクセル間の相互作用の全ポテンシャルを活用するために必要です。他のことのほか、精密制御可能なナノピクセルが、光波を電子的に操向・集束できるフェーズドアレイ光学の新規応用への扉を開く可能性があります。」

1990年代、フェーズドアレイ光学が2次元スクリーンからホログラフィック投影を可能にすると仮定されました。しかしShihはすでに一歩先を考えています：将来、相互作用するOLEDグループがメタピクセルに束ねられ、空間に精密に配置されるかもしれません。「これにより、視聴者の周りに3D画像を実現できるでしょう」と化学者は未来を見据えて言います。

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