거미에서 영감을 받은 디자인으로 더 나은 광검출기 개발

Purdue University의 혁신가들은 생물 의학 이미징을 위한 더 나은 3D 광검출기를 개발하기 위해 거미에서 힌트를 얻고 있습니다.

거미줄의 반복되는 아키텍처 패턴에서 영감을 받아 팀은 곤충 및 갑각류와 같은 절지동물의 겹눈 비전 시스템과 같이 입사광의 방향과 강도를 동시에 감지하는 탄력 있는 돔 모양의 광검출기 어레이를 시연했습니다. .

이치환 퍼듀대학교 의생명공학 및 기계공학 조교수는 "우리는 어떤 3D 곡선 표면과도 매끄럽게 인터페이스할 수 있는 변형 가능하고 신뢰할 수 있는 전자 제품의 개발을 위해 거미줄의 독특한 프랙탈 디자인을 사용했습니다."라고 말했습니다.

이러한 3D 광전자 아키텍처는 더 넓은 시야, 더 넓은 시야각, 더 높은 동작 감도가 필요한 광검출 시스템에 특히 유용합니다.

이 연구는 온라인 저널 Advanced Materials 에 게재되었습니다. .

스파이더 웹이 필요한 이유

거미줄은 폭풍 속에서도 다양한 기계적 하중에 대해 우수한 기계적 적응성과 손상 내성을 제공하는 것으로 잘 알려져 있습니다.

Lee와 그의 팀의 프랙탈 웹 디자인의 독특한 구조적 특성은 다양한 외부 하중을 효과적으로 견디어 장치를 보호합니다.

자연 건축에서 영감을 받은 Lee와 그의 팀의 광학 배열은 나선 치수와 방사형 치수의 유효 비율에 따라 나사산 전체에 외부 유도 응력을 분산시킵니다.

반구형 광검출기 어레이는 유기 염료 감응 물질인 그래핀 하이브리드 복합재를 포함합니다. 이 장치는 먼저 마이크로스케일의 평면 실리콘 웨이퍼에서 제작된 다음 결정론적 방식으로 곡률이 다른 투명한 반구형 돔으로 전송됩니다.

"웹"은 스트레칭 시 힘을 더 잘 분산시키기 위해 더 큰 확장성을 제공합니다. 또한 디자인은 전체 웹 아키텍처의 전반적인 강도와 기능을 유지하면서 스레드의 작은 절단을 허용합니다.

기술 요약으로 요약된 Q&A 편집 아래에서 이 교수는 거미 구조가 어떻게 새로운 종류의 변형 가능한 전자 장치로 이어질 수 있는지 설명합니다.

기술 개요 :광전자 아키텍처가 웹과 같은 디자인을 갖는 것이 중요한 이유는 무엇입니까?

교수. 이치환: 곡선 표면에 배치된 광전자 재료 및 장치는 절지동물의 겹눈 비전 시스템과 유사한 수차 없이 넓은 시야를 가능하게 하는 질적으로 확장된 기능 수준을 제공합니다. 이러한 3D 광전자 아키텍처는 넓은 시야와 광각 반사 방지가 필요한 광검출 시스템에 특히 매력적입니다. 복합 눈 모방 시스템을 설계하기 위해 가장 유망한 절차는 조심스럽게 정렬된 방식으로 곡면 또는 반구면에 감광성 픽셀을 직접 인쇄하는 것입니다.

기술 요약 :이러한 유형의 디자인에서 가장 흥미로운 응용 프로그램 또는 가능성은 무엇입니까?

교수. 리: 이러한 노력은 다양한 3D 형태의 광검출기를 실현하기 위한 길을 열었지만 이 분야의 발전은 광전자 장치 및 구성 요소를 마이크로스케일로 비평면 표면에 조립하고 광검출기 어레이의 모양을 고정된 반구형 곡률과 일치시키는 복잡성으로 인해 방해를 받습니다.

이 문제를 해결하기 위해 우리는 환경의 다양한 기계적 하중에 효율적으로 저항할 수 있는 자연에서 발견되는 거미줄의 구조적 아키텍처 또는 프랙탈 디자인을 사용했습니다. 모든 규모에서 반복되는 패턴을 나타내는 프랙탈 웹 디자인은 다음과 같은 고유한 기능을 제공합니다. (2) 스트레칭 시 힘을 더 잘 분산시키기 위해 더 큰 확장성을 제공합니다. (3) 전체 웹 아키텍처의 전반적인 강도와 기능을 유지하면서 스레드의 작은 절단을 허용합니다.

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기술 개요 :어레이가 얼마나 잘 작동합니까?

교수. 리: 당사의 3D 광검출기는 새로운 유기 염료 감응 그래핀 하이브리드 복합 재료를 유연하고 효과적인 광활성 구성 요소로 사용하여 입사광의 방향과 강도를 모두 감지하는 고급 광전자 기능뿐만 아니라 다른 유사한 제품에 비해 우수한 광 반응성을 제공합니다. .

그 결과 생성된 3D 광전자 아키텍처는 넓은 시야와 광각 반사 방지를 필요로 하는 광검출 시스템에 특히 매력적이며, 이는 많은 생물 의학 및 군사 이미징 목적에 유용할 것입니다.

기술 개요 :연구의 다음 단계는 무엇입니까?

교수. 리: 우리의 작업은 프랙탈 웹 디자인을 시스템 수준의 반구형 전자 장치 및 센서와 통합할 수 있는 플랫폼 기술을 확립하여 다양한 기계적 부하(거미줄처럼)에 대한 몇 가지 우수한 기계적 적응성과 손상 내성을 제공합니다. 이 작업에서 제시한 조립 기술은 3D 아키텍처에서 2D 변형 가능한 전자 장치를 배포할 수 있도록 하며, 이는 3D 전자 및 광전자 장치 분야를 더 잘 발전시킬 수 있는 새로운 기회를 예고할 수 있습니다. 미국 특허는 OTC를 통해 출원 중이며 파트너를 찾고 있으며 기술 라이선스도 찾고 있습니다.

이 작업은 퍼듀 ECE의 무하마드 아쉬라프 알람 교수와 공동으로 국립과학재단(NSF, CMMI-1928784)과 공군 연구소(AFRL, S-114-054-002)의 지원을 받습니다. . 이 작업은 Advanced Materials 에 게시되었습니다. .

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