MIT 연구원, 완전 3D 프린팅 능동 전자 장치 분야에서 획기적인 성과 달성

전자 및 센서 내부자

이 장치는 구리 도핑 폴리머의 얇은 3D 프린팅 흔적으로 만들어졌습니다. 여기에는 연구원들이 스위치에 공급되는 전압을 제어하여 저항을 조절할 수 있는 교차 전도성 영역이 포함되어 있습니다. (이미지 :연구원 제공)

전기 신호를 제어할 수 있는 구성 요소인 능동 전자 장치에는 일반적으로 정보를 수신, 저장 및 처리하는 반도체 장치가 포함됩니다. 클린룸에서 제작되어야 하는 이러한 부품에는 일부 전문 제조 센터 외부에서는 널리 사용할 수 없는 고급 제조 기술이 필요합니다.

코로나19 팬데믹 기간 동안 광범위한 반도체 제조 시설의 부족은 전 세계적인 전자 제품 부족의 원인 중 하나였으며, 이는 소비자 비용을 증가시키고 경제 성장부터 국방에 이르기까지 모든 면에서 영향을 미쳤습니다. 반도체 없이 전체 활성 전자 장치를 3D 프린팅할 수 있는 능력을 통해 전 세계 기업, 연구실 및 가정에서 전자 제품을 제조할 수 있습니다.

이 아이디어는 아직 갈 길이 멀지만 MIT 연구원들은 일반적으로 반도체가 필요한 능동 전자 장치의 핵심 구성 요소인 완전 3D 프린팅 재설정 가능 퓨즈를 시연함으로써 그 방향으로 중요한 발걸음을 내디뎠습니다.

표준 3D 프린팅 하드웨어와 저렴한 생분해성 재료를 사용하여 제작한 연구원들의 반도체 없는 장치는 능동 전자 장치의 처리 작업에 사용되는 반도체 기반 트랜지스터와 동일한 스위칭 기능을 수행할 수 있습니다.

아직 반도체 트랜지스터의 성능을 달성하려면 아직 멀었지만 3D 프린팅 장치는 전기 모터의 속도 조절과 같은 기본적인 제어 작업에 사용될 수 있습니다.

MIT 마이크로시스템 기술 연구소(MTL)의 수석 연구 과학자이자 MIT 마이크로시스템 기술 연구소(MTL)의 수석 연구원인 루이스 페르난도 벨라스케스-가르시아(Luis Fernando Velásquez-García)는 "이 기술은 실질적인 능력을 갖고 있습니다. 우리는 반도체로서 실리콘과 경쟁할 수는 없지만 기존 기술을 반드시 대체하는 것이 아니라 3D 프린팅 기술을 미지의 영역으로 밀어붙이는 것이 아니라 3D 프린팅 기술을 미지의 영역으로 밀어붙이는 것입니다. 간단히 말해서 이것은 기술의 민주화에 관한 것입니다. 이를 통해 누구나 전통적인 제조 센터에서 멀리 떨어진 스마트 하드웨어를 만들 수 있게 될 것입니다"라고 말했습니다. 가상 및 물리적 프로토타이핑에 등장하는 장치입니다. 그는 전기 공학 및 컴퓨터 과학 대학원생인 수석 저자인 Jorge Cañada와 함께 논문에 합류했습니다.

실리콘을 포함한 반도체는 특정 불순물을 첨가하여 맞춤화할 수 있는 전기적 특성을 가진 재료입니다. 실리콘 장치는 엔지니어링 방법에 따라 전도성 영역과 절연 영역을 가질 수 있습니다. 이러한 특성으로 인해 실리콘은 현대 전자 제품의 기본 구성 요소인 트랜지스터 생산에 이상적입니다. 그러나 연구원들은 실리콘 기반 트랜지스터처럼 작동할 수 있는 반도체가 없는 장치를 3D 프린팅하지 않았습니다.

이 프로젝트는 프린터가 필라멘트를 녹이고 노즐을 통해 재료를 분출하여 층별로 물체를 제작하는 프로세스인 압출 인쇄를 사용하여 자기 코일을 제작하는 또 다른 프로젝트에서 발전했습니다. 그들은 그들이 사용하고 있는 물질, 즉 구리 나노입자로 도핑된 폴리머 필라멘트에서 흥미로운 현상을 발견했습니다. 물질에 많은 양의 전류를 흘려주면 저항이 크게 급증하지만 전류 흐름이 멈추면 곧바로 원래 수준으로 돌아옵니다.

이 특성을 통해 엔지니어는 일반적으로 실리콘 및 기타 반도체에만 관련된 스위치로 작동할 수 있는 트랜지스터를 만들 수 있습니다. 이진 데이터를 처리하기 위해 스위치를 켜고 끄는 트랜지스터는 계산을 수행하는 논리 게이트를 형성하는 데 사용됩니다.

연구진은 탄소, 탄소 나노튜브 및 그래핀으로 도핑된 폴리머를 테스트하면서 다른 3D 프린팅 필라멘트에서도 동일한 현상을 재현하려고 했습니다. 결국 그들은 재설정 가능한 퓨즈 역할을 할 수 있는 다른 인쇄 가능한 자료를 찾지 못했습니다.

그들은 재료에 있는 구리 입자가 전류에 의해 가열될 때 퍼져나가고, 이로 인해 재료가 냉각되고 구리 입자가 서로 가까워지면 저항이 다시 낮아지는 것으로 가정합니다. 그들은 또한 물질의 고분자 기반이 가열되면 결정질에서 비정질로 변했다가 냉각되면 결정질로 되돌아간다고 생각합니다. 이러한 현상을 고분자 정온도 계수라고 합니다.

"현재로서는 그것이 최선의 설명이지만, 왜 이 재료의 조합에서만 발생했는지 설명하지 않기 때문에 완전한 답은 아닙니다. 더 많은 연구가 필요하지만 이 현상이 실제라는 것은 의심의 여지가 없습니다."라고 그는 말했습니다.

팀은 이 현상을 활용하여 반도체 없는 논리 게이트를 형성하는 데 사용할 수 있는 단일 단계로 스위치를 인쇄했습니다. 이 장치는 구리 도핑 폴리머의 얇은 3D 프린팅 흔적으로 만들어졌습니다. 여기에는 연구자들이 스위치에 공급되는 전압을 제어하여 저항을 조절할 수 있는 교차 전도성 영역이 포함되어 있습니다.

이 장치는 실리콘 기반 트랜지스터만큼 성능이 좋지는 않지만 모터를 켜고 끄는 것과 같은 간단한 제어 및 처리 기능에 사용될 수 있습니다. 그들의 실험에 따르면 4,000주기의 스위칭 후에도 장치는 성능 저하의 징후를 보이지 않았습니다.

그러나 압출 인쇄의 물리학과 재료의 특성을 기반으로 연구원들이 스위치를 얼마나 작게 만들 수 있는지에는 한계가 있습니다. 수백 미크론 크기의 장치를 인쇄할 수 있지만 최첨단 전자 장치의 트랜지스터는 직경이 몇 나노미터에 불과합니다.

"현실은 최고의 칩이 필요하지 않은 엔지니어링 상황이 많다는 것입니다. 결국 여러분이 관심을 갖는 것은 장치가 작업을 수행할 수 있는지 여부뿐입니다. 이 기술은 그러한 제약을 충족할 수 있습니다."라고 그는 말했습니다.

그러나 반도체 제조와 달리 이들 기술은 생분해성 재료를 사용하므로 공정에서 에너지를 덜 사용하고 폐기물도 덜 발생합니다. 폴리머 필라멘트는 자성 미세 입자와 같은 다른 재료로 도핑될 수도 있어 추가 기능을 구현할 수 있습니다.

앞으로 연구원들은 이 기술을 사용하여 완전한 기능을 갖춘 전자 장치를 인쇄하기를 원합니다. 그들은 압출 3D 프린팅만을 사용하여 작동하는 자기 모터를 제작하기 위해 노력하고 있습니다. 또한 그들은 더 복잡한 회로를 구축하고 이러한 장치의 성능을 얼마나 향상시킬 수 있는지 확인하기 위해 프로세스를 미세 조정하기를 원합니다.

"이 논문은 압출된 고분자 전도성 물질을 사용하여 능동 전자 장치를 만들 수 있음을 보여줍니다. 이 기술을 통해 전자 장치를 3D 인쇄 구조로 만들 수 있습니다. 흥미로운 응용 분야는 우주선에 탑재된 메카트로닉스의 주문형 3D 인쇄입니다."라고 스탠포드 대학교 공과대학 명예 교수인 Roger Howe(Roger Howe)는 말했습니다. 그는 이 작업에 참여하지 않았습니다.

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