자기 조립 전자 소자 돌파구: 연구진 새로운 소자 제조 기술 시연

전자 및 센서 INSIDER

D-Met 공정으로 제작된 패턴이 MEMS용 구성 요소를 생성한다. (이미지: Julia Chang)

연구진이 전자 소자 자기 조립을 위한 새로운 기술을 시연했다. 이 개념 증명은 다이오드와 트랜지스터 제작에 사용되었으며, 기존 컴퓨터 칩 제조 기술에 의존하지 않고 더 복잡한 전자 소자를 자기 조립하는 길을 열었다.

"기존 칩 제조 기술은 많은 단계와 극도로 복잡한 기술에 의존하여 공정이 비용과 시간이 많이 듭니다."라고 논문의 교신 저자이자 노스캐롤라이나 주립대 재료공학 교수인 Martin Thuo는 말했다. "우리의 자기 조립 접근법은 훨씬 빠르고 저렴합니다. 또한 반도체 소재의 밴드갭을 조절하고 빛에 반응하는 소재를 만들 수 있음을 입증했습니다. 즉, 이 기술로 광전자 소자도 만들 수 있습니다."

"게다가 현재 제조 기술은 수율이 낮아 상대적으로 많은 불량 칩이 발생합니다. 우리의 접근법은 고수율로 어레이의 일관된 생산이 가능하고 폐기물이 적습니다."

Thuo는 이 새로운 자기 조립 기술을 지향성 금속-리간드(D-Met) 반응이라고 부른다. 액체 금속 입자로 시작한다. 개념 증명을 위해 연구진은 인듐, 비스무트, 주석 합금인 필드 메탈(Field's metal)을 사용했다. 액체 금속 입자를 금형 옆에 배치한다. 금형은 원하는 크기나 패턴으로 만들 수 있다. 그런 다음 용액을 액체 금속 위에 붓는다. 용액에는 탄소와 산소로 구성된 리간드(ligand) 분자가 들어 있다. 이 리간드들은 액체 금속 표면에서 이온을 추출하여 특정 기하학적 패턴으로 유지한다. 용액이 액체 금속 입자를 가로질러 흐르며 금형으로 빨려 들어간다.

용액이 금형으로 흐르면서 이온을 품은 리간드들이 스스로 더 복잡한 3차원 구조로 조립되기 시작한다. 한편 용액의 액체 부분이 증발하면서 복잡한 구조들이 점점 더 밀집된 어레이로 압축된다.

"금형이 없으면 이 구조들은 다소 혼란스러운 패턴을 형성합니다."라고 Thuo는 말했다. "하지만 용액이 금형에 의해 제약되므로 구조들은 예측 가능하고 대칭적인 어레이를 형성합니다."

구조가 원하는 크기에 도달하면 금형을 제거하고 어레이를 가열한다. 이 열은 리간드를 분해하여 탄소와 산소 원자를 방출한다. 금속 이온은 산소와 상호작용하여 반도체 금속 산화물을 형성하고, 탄소 원자는 그래핀 시트를 형성한다. 이 성분들은 반도체 금속 산화물 분자가 그래핀 시트로 감싸진 잘 정렬된 구조로 스스로 조립된다. 연구진은 이 기술로 나노스케일 및 마이크로스케일 트랜지스터와 다이오드를 만들었다.

"그래핀 시트는 반도체의 밴드갭을 조절하는 데 사용될 수 있어, 그래핀 품질에 따라 반도체를 더 반응성이 높거나 낮게 만들 수 있습니다."라고 논문 제1 저자이자 NC State 박사후 연구원인 Julia Chang은 말했다. 또한 개념 증명에 비스무트를 사용하여 광반응성 구조를 만들 수 있었다. 이를 통해 빛을 이용해 반도체 특성을 조작할 수 있다.

"D-Met 기술의 본질상 금형 크기만 허용하면 대규모로 이 소재들을 만들 수 있습니다."라고 Thuo는 말했다. "용액에 사용되는 액체 종류, 금형 치수, 용액 증발 속도를 조절하여 반도체 구조를 제어할 수도 있습니다."

"요약하자면, 기능성 전자 소자에 사용할 수 있는 고도로 구조화되고 조절 가능한 전자 소재를 자기 조립할 수 있음을 보였습니다."라고 Thuo는 말했다. "이 연구는 트랜지스터와 다이오드 생성을 입증했습니다. 다음 단계는 이 기술로 3차원 칩 같은 더 복잡한 소자를 만드는 것입니다."

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