MIT 연구진, 완전 3D 프린팅 능동 전자 소자 개발 돌파구 마련

전자 및 센서 INSIDER

이 소자들은 구리 도핑 폴리머의 얇은 3D 프린팅 트레이스로 만들어졌다. 교차하는 전도성 영역을 포함하여 연구자들이 스위치에 공급되는 전압을 제어하여 저항을 조절할 수 있게 한다. (이미지: 연구진 제공)

능동 전자 소자(전기 신호를 제어하는 구성 요소)는 일반적으로 정보를 수신, 저장, 처리하는 반도체 소자를 포함한다. 이러한 구성 요소는 클린룸에서 제작되어야 하며, 소수의 전문 제조 센터 외에서는 널리 이용할 수 없는 첨단 제조 기술이 필요하다.

코로나19 팬데믹 기간 동안 널리 보급된 반도체 제조 시설의 부족은 전 세계적인 전자 제품 부족 사태의 원인 중 하나였으며, 이는 소비자 비용 상승을 초래했고 경제 성장부터 국가 안보에 이르기까지 광범위한 영향을 미쳤다. 반도체 없이 완전한 능동 전자 소자를 3D 프린팅할 수 있는 능력은 전 세계 기업, 연구소, 가정에 전자 제조 기술을 보급할 수 있게 할 것이다.

이 아이디어는 아직 먼 미래의 일이지만, MIT 연구진은 반도체가 일반적으로 필요한 능동 전자 소자의 핵심 구성 요소인 리셋 가능한 퓨즈를 완전히 3D 프린팅으로 구현하는 데 중요한 진전을 이루었다.

연구진의 반도체 없는 소자는 표준 3D 프린팅 하드웨어와 저렴한 생분해성 소재를 사용하여 제작되었으며, 능동 전자 소자에서 처리 연산에 사용되는 반도체 기반 트랜지스터와 동일한 스위칭 기능을 수행할 수 있다.

아직 반도체 트랜지스터의 성능에는 미치지 못하지만, 3D 프린팅 소자는 전기 모터 속도 조절 같은 기본 제어 작업에 사용될 수 있다.

"이 기술은 실현 가능성이 높습니다. 실리콘 반도체와 경쟁할 수는 없지만, 우리의 목표는 기존 것을 대체하는 것이 아니라 3D 프린팅 기술을 미지의 영역으로 확장하는 것입니다. 한마디로 기술의 민주화입니다. 이를 통해 누구나 기존 제조 센터에서 멀리 떨어진 곳에서도 스마트 하드웨어를 만들 수 있게 될 것입니다."라고 MIT 마이크로시스템 기술 연구소(MTL)의 수석 연구원이자 이 소자를 설명하는 논문의 수석 저자인 Luis Fernando Velásquez-García는 말했다. 그는 전기공학 및 컴퓨터 과학 대학원생인 Jorge Cañada와 함께 논문을 작성했으며, 이 논문은 Virtual and Physical Prototyping에 게재되었다.

실리콘을 포함한 반도체는 특정 불순물을 첨가하여 전기적 특성을 조절할 수 있는 소재이다. 실리콘 소자는 설계 방식에 따라 전도성 및 절연 영역을 가질 수 있다. 이러한 특성은 현대 전자 소자의 기본 구성 요소인 트랜지스터 생산에 이상적이다. 그러나 연구진은 실리콘 기반 트랜지스터처럼 작동하는 반도체 없는 소자를 3D 프린팅하는 것을 목표로 하지 않았다.

이 프로젝트는 압출 프린팅으로 자기 코일을 제작하는 또 다른 프로젝트에서 파생되었다. 압출 프린팅은 프린터가 필라멘트를 녹여 노즐을 통해 소재를 분사하여 물체를 층별로 제작하는 공정이다. 그들은 사용하던 소재(구리 나노입자가 도핑된 폴리머 필라멘트)에서 흥미로운 현상을 발견했다. 많은 양의 전류를 소재에 통과시키면 저항이 크게 급증했다가 전류 흐름이 멈추면 원래 수준으로 돌아오는 것이다.

이 특성은 엔지니어가 일반적으로 실리콘 및 기타 반도체와만 연관 짓던 스위치 역할을 하는 트랜지스터를 만들 수 있게 한다. 트랜지스터는 켜짐/꺼짐을 전환하여 이진 데이터를 처리하며, 논리 게이트를 형성하여 연산을 수행한다.

연구진은 탄소, 탄소 나노튜브, 그래핀으로 도핑된 다른 3D 프린팅 필라멬으로 동일한 현상을 재현하려 시도했다. 결국 리셋 가능한 퓨즈로 기능할 수 있는 다른 프린팅 가능 소재를 찾지 못했다.

그들은 전류에 의해 가열될 때 구리 입자가 퍼져서 저항이 급증하고, 소재가 식으면서 구리 입자가 다시 가까워져 저항이 떨어진다고 가정한다. 또한 소재의 폴리머 베이스가 가열 시 결정질에서 비정질로 변했다가 냉각 시 다시 결정질로 돌아가는 현상, 즉 폴리머 양의 온도 계수 현상도 원인일 것으로 생각한다.

"현재로선 이것이 최선의 설명이지만, 완전한 답은 아닙니다. 왜 이 소재 조합에서만 일어나는지 설명하지 못하기 때문입니다. 더 많은 연구가 필요하지만, 이 현상이 실제한다는 것은 의심할 여지가 없습니다."라고 그는 말했다.

연구팀은 이 현상을 활용해 반도체 없는 논리 게이트를 형성하는 스위치를 단일 단계로 프린팅했다. 소자는 구리 도핑 폴리머의 얇은 3D 프린팅 트레이스로 만들어지며, 교차하는 전도성 영역을 포함하여 연구자들이 스위치에 공급되는 전압을 제어하여 저항을 조절할 수 있게 한다.

실리콘 기반 트랜지스터만큼 성능이 좋지는 않지만, 모터 켜기/끄기 같은 단순한 제어 및 처리 기능에는 사용될 수 있다. 실험 결과 4,000회의 스위칭 사이클 후에도 소열화 징후가 없었다.

하지만 압출 프린팅의 물리학과 소재 특성 기반으로 스위치를 얼마나 작게 만들 수 있는지에는 한계가 있다. 수백 마이크론 크기의 소자는 프린팅할 수 있지만, 최첨단 전자 소자의 트랜지스터는 불과 몇 나노미터 직경이다.

"현실은 많은 엔지니어링 상황에서 최고의 칩이 필요하지 않다는 것입니다. 결국 중요한 것은 디바이스가 작업을 수행할 수 있는지입니다. 이 기술은 그런 제약을 충족할 수 있습니다."라고 그는 말했다.

그러나 반도체 제조와 달리 그들의 기술은 생분해성 소재를 사용하며, 공정 에너지가 적게 들고 폐기물이 적다. 폴리머 필라멘트는 자성 마이크로입자 등 다른 소재로도 도핑 가능하여 추가 기능을 구현할 수 있다.

미래에는 이 기술을 이용해 완전한 기능의 전자 소자를 프린팅하고자 한다. 압출 3D 프린팅만으로 작동하는 자기 모터 제작을 목표로 하고 있다. 또한 더 복잡한 회로를 구축하고 이 소자들의 성능이 어디까지 향상될 수 있는지 확인하기 위해 공정을 개선하고 싶다.

"이 논문은 압출된 폴리머 전도성 소재를 사용하여 능동 전자 소자를 만들 수 있음을 입증했습니다. 이 기술은 전자 소자를 3D 프린팅 구조물에 내장할 수 있게 합니다. 흥미로운 응용 분야는 우주선 내 주문형 메카트로닉스 3D 프린팅입니다."라고 이 연구에 참여하지 않은 스탠퍼드 대학의 명예 교수 Roger Howe는 말했다.

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