플렉시블 전자 제품을 위한 새로운 제조 기술

초박형의 유연한 컴퓨터 회로는 수년 동안 엔지니어링 목표였습니다. 그러나 기술적 장애물로 인해 고성능을 달성하는 데 필요한 소형화 정도가 방지되었습니다. 이제 Stanford University의 연구원들은 이전보다 몇 배 작은 길이인 100나노미터 미만의 유연하고 원자적으로 얇은 트랜지스터를 생성하는 제조 기술을 발명했습니다.

연구원들은 이러한 발전으로 소위 "플렉스트로닉스(flextronics)"가 현실에 더 가까워졌다고 말했습니다. 유연한 전자 장치는 인체에 ​​착용하거나 인체에 이식하여 수많은 건강 관련 작업을 수행할 수 있는 구부릴 수 있고 모양을 만들 수 있지만 에너지 효율적인 컴퓨터 회로를 약속합니다. 더욱이, 우리 생활의 거의 모든 장치가 통합되고 상호 연결되는 다가오는 "사물 인터넷"도 플렉스트로닉스의 혜택을 비슷하게 받을 것입니다.

플렉서블 전자 장치에 적합한 재료 중 2차원(2D) 반도체는 나노 규모에서도 우수한 기계적 및 전기적 특성으로 인해 가능성을 보여 기존 실리콘 또는 유기 재료보다 더 나은 후보가 되었습니다.

지금까지의 엔지니어링 과제는 이러한 거의 불가능에 가까운 얇은 장치를 형성하려면 유연한 플라스틱 기판에 대해 너무 열 집약적인 공정이 필요하다는 것이었습니다. 이러한 물질은 생산 과정에서 단순히 녹고 분해됩니다.

연구원에 따르면 솔루션은 유연하지 않은 기본 기판으로 시작하여 단계적으로 수행하는 것입니다. 그들은 유리로 코팅된 단단한 실리콘 슬래브 위에 작은 나노 패턴의 금 전극이 덧씌워진 2D 반도체 이황화 몰리브덴(MoS2)의 원자 박막을 형성했습니다. 이 단계는 기존의 실리콘 기판에서 수행되기 때문에 기존의 고급 패터닝 기술을 사용하여 나노크기의 트랜지스터 치수를 패터닝할 수 있으므로 유연한 플라스틱 기판에서는 불가능한 해상도를 달성할 수 있습니다.

화학 기상 증착(CVD)으로 알려진 이 적층 기술은 MoS2 필름을 한 번에 한 원자 층씩 성장시킵니다. 생성된 필름은 두께가 원자 3개에 불과하지만 작동하려면 온도가 850°C(1500°F 이상)에 도달해야 합니다. 이에 비해 얇은 플라스틱인 폴리이미드로 만들어진 유연한 기판은 약 360°C(680°F) 정도에서 형태를 잃고 더 높은 온도에서 완전히 분해됩니다.

먼저 단단한 실리콘에 이러한 중요한 부품을 패터닝하고 형성하고 냉각시키면 스탠포드 연구원들은 손상 없이 유연한 재료를 적용할 수 있습니다. 탈이온수에 담그면 전체 장치 스택이 벗겨지고 이제 유연한 폴리이미드로 완전히 옮겨집니다.

몇 가지 추가 제조 단계 후에 결과는 원자적으로 얇은 반도체로 이전에 생산된 것보다 몇 배 더 나은 성능을 낼 수 있는 유연한 트랜지스터입니다. 연구원들은 전체 회로를 구축한 다음 유연한 재료로 전송할 수 있지만 후속 레이어의 특정 복잡성으로 인해 전송 후 이러한 추가 단계가 더 쉬워진다고 말했습니다.

Eric Pop 교수는 “결국 전체 구조는 유연한 폴리이미드를 포함하여 두께가 5마이크론에 불과합니다. "사람 머리카락보다 약 10배 가늘어요."

유연한 재료에 나노 규모의 트랜지스터를 생산하는 기술적인 성과는 그 자체로 주목할 만하지만 연구원들은 이 장치를 "고성능"이라고 설명했습니다. 이 맥락에서 이는 저전압에서 작동하면서 높은 전류를 처리할 수 있음을 의미합니다. , 저전력 소비에 필요합니다.

Daus 박사는 "이 축소는 몇 가지 이점이 있습니다. "물론 주어진 풋프린트에 더 많은 트랜지스터를 장착할 수 있지만 더 적은 전력 소비로 고속으로 더 낮은 전압에서 더 높은 전류를 가질 수도 있습니다."

한편, 금 금속 접점은 사용 중에 트랜지스터에서 발생하는 열을 분산시키고 확산시킵니다. 열은 그렇지 않으면 유연한 폴리이미드를 위태롭게 할 수 있습니다.

프로토타입과 특허 출원이 완료되면서 Daus와 Pop은 장치를 개선하는 다음 과제로 넘어갔습니다. 그들은 이 기술의 광범위한 적용 가능성을 입증하기 위해 두 개의 원자적으로 얇은 반도체(MoSe2 및 WSe2)를 사용하여 유사한 트랜지스터를 구축했습니다.

한편 Daus는 무선 회로를 장치와 통합하여 미래의 변형이 외부 세계와 무선으로 통신할 수 있도록 하는 방법을 찾고 있다고 말했습니다. 이는 특히 인체에 이식되거나 다른 장치에 깊숙이 통합된 플렉스트로닉스의 실행 가능성을 향한 또 다른 큰 도약입니다. 사물 인터넷에 연결됩니다.

“이것은 유망한 생산 기술 그 이상입니다. 우리는 유연성, 밀도, 고성능 및 저전력을 동시에 달성했습니다.”라고 Pop이 말했습니다. "이 작업은 희망적으로 기술을 여러 수준에서 발전시킬 것입니다."