초박형 전자 필름은 더 가벼운 야간 투시경과 고급 안개 감지 기술을 약속합니다.

매사추세츠 공과대학, 매사추세츠주 케임브리지

새로 개발된 필름은 더 가볍고 휴대성이 뛰어나며 매우 정확한 원적외선(IR) 감지 장치를 가능하게 하며 야간 투시경 및 안개가 자욱한 조건에서의 자율 주행에 잠재적으로 응용될 수 있습니다. (이미지 :Adam Glanzman)

MIT 엔지니어들은 전자 재료의 초박형 "껍질"을 성장시키고 벗겨내는 기술을 개발했습니다. 이 방법은 초박형 웨어러블 센서, 유연한 트랜지스터 및 컴퓨팅 요소, 매우 민감하고 컴팩트한 이미징 장치와 같은 새로운 종류의 전자 장치를 위한 길을 열 수 있습니다.

시연으로 팀은 온도 변화에 반응하여 전류를 생성하는 열 감지 재료의 일종인 초전 재료의 얇은 막을 제작했습니다. 초전성 물질이 얇을수록 미묘한 열 변화를 더 잘 감지할 수 있습니다.

새로운 방법으로 연구팀은 두께가 10나노미터에 달하는 가장 얇은 초전막을 제작했으며 이 필름이 원적외선 스펙트럼 전반에 걸쳐 열과 방사선에 매우 민감하다는 것을 입증했습니다.

새로 개발된 필름은 더 가볍고 휴대성이 뛰어나며 매우 정확한 원적외선(IR) 감지 장치를 가능하게 하며 야간 투시경 및 안개가 자욱한 조건에서의 자율 주행에 잠재적으로 응용될 수 있습니다. 현재의 최첨단 원적외선 센서에는 부피가 큰 냉각 요소가 필요합니다. 대조적으로, 새로운 초전박막은 냉각이 필요하지 않으며 훨씬 작은 온도 변화에도 민감합니다. 연구원들은 필름을 더 가볍고 고정밀 야간 투시경에 통합하는 방법을 모색하고 있습니다.

MIT 재료과학 및 공학부(DMSE) 대학원생인 Xinyuan Zhang은 "이 필름은 무게와 비용을 크게 줄여 가볍고 휴대성이 뛰어나며 통합하기가 더 쉽습니다"라고 말했습니다. “예를 들어 안경에 직접 착용할 수도 있죠.”

열 감지 필름은 원적외선을 방출하는 천체 물리학 현상의 이미징뿐만 아니라 환경 및 생물학적 감지에도 응용될 수 있습니다.

게다가 새로운 리프트오프 기술은 초전성 재료를 넘어 일반화 가능하다. 연구진은 이 방법을 다른 초박형 고성능 반도체 필름 제조에 적용할 계획이다.

그들의 결과는 Nature 저널에 게재된 논문에 보고되었습니다. . 이 연구의 MIT 공동 저자는 Xinyuan Zhang, 이상호, 송민규, Lan Haihui, 서준민, 류정엘, Yanjie Shao, Xudong Zheng, Ne Myo Han, 기계 공학 및 재료 과학 및 공학 부교수인 김지환, 위스콘신 대학 엄창범 교수가 이끄는 연구원 및 기타 여러 기관의 저자입니다.

MIT의 Kim 그룹은 더 작고, 더 얇고, 더 유연한 전자 장치를 만드는 새로운 방법을 찾고 있습니다. 그들은 이러한 초박형 컴퓨팅 "스킨"이 스마트 콘택트 렌즈 및 착용 가능한 감지 직물부터 신축성 있는 태양 전지 및 구부릴 수 있는 디스플레이에 이르기까지 모든 것에 통합될 수 있다고 상상합니다. 이러한 장치를 실현하기 위해 Kim과 그의 동료들은 반도체 요소를 성장시키고, 벗기고, 적층하는 방법을 실험하여 초박형 다기능 전자 박막 막을 제작해 왔습니다.

김 교수가 개척한 방법 중 하나는 '원격 에피택시'입니다. 이는 초박형 그래핀 층을 사이에 두고 단결정 기판 위에 반도체 물질을 성장시키는 기술입니다. 기판의 결정 구조는 새로운 물질이 성장할 수 있는 발판 역할을 합니다. 그래핀은 테플론과 유사한 붙지 않는 층 역할을 하여 연구자들이 새 필름을 쉽게 벗겨내고 유연하고 적층된 전자 장치에 전사할 수 있도록 해줍니다. 새 필름을 벗겨낸 후 밑에 있는 기판을 재사용하여 추가 박막을 만들 수 있습니다.

김 교수는 원격 에피택시를 적용해 다양한 특성을 지닌 박막을 제작했다. 연구진은 반도체 요소의 다양한 조합을 시도하면서 PMN-PT라고 불리는 특정 초전 물질이 기판에서 분리되기 위해 중간층 보조 장치가 필요하지 않다는 사실을 발견했습니다. 단결정 기판에서 직접 PMN-PT를 성장시킴으로써 연구원들은 섬세한 격자가 찢어지거나 찢어지지 않고 성장한 필름을 제거할 수 있었습니다. Zhang은 “놀랍게도 잘 작동했습니다.”라고 말했습니다. “우리는 벗겨낸 필름이 원자적으로 매끄러움을 발견했습니다.”

새로운 연구에서 MIT와 UW Madison 연구원들은 공정을 면밀히 조사한 결과 재료의 쉽게 벗겨지는 특성의 핵심이 납이라는 사실을 발견했습니다. Rensselaer Polytechnic Institute의 동료들과 함께 연구팀은 화학적 구조의 일부로 초전 필름에 큰 "전자 친화력"을 갖는 납 원자의 규칙적인 배열이 포함되어 있음을 발견했습니다. 이는 납이 전자를 끌어당겨 전하 캐리어가 이동하여 기본 기판과 같은 다른 물질에 연결되는 것을 방지한다는 의미입니다. 납은 작은 달라붙지 않는 장치처럼 작용하여 재료 전체가 완벽하게 벗겨질 수 있도록 해줍니다.

연구팀은 각각 두께가 약 10나노미터인 PMN-PT의 여러 초박막 필름을 제작했습니다. 그들은 초전성 필름을 벗겨 작은 칩에 옮겨 각각 약 60제곱 미크론(약 0.006제곱센티미터) 크기의 초박형 열 감지 픽셀 100개 배열을 형성했습니다. 그들은 필름을 점점 더 작은 온도 변화에 노출시켰고 픽셀이 원적외선 스펙트럼 전반의 작은 변화에 매우 민감하다는 것을 발견했습니다.

이러한 장치는 현재 광검출기 재료를 기반으로 하며, 온도 변화로 인해 재료의 전자가 에너지로 점프하고 잠시 에너지 "밴드 갭"을 통과한 후 다시 바닥 상태로 돌아가는 광검출기 재료를 기반으로 합니다. 이 전자 점프는 온도 변화의 전기 신호 역할을 합니다. 그러나 이 신호는 환경 소음의 영향을 받을 수 있으므로 이러한 영향을 방지하기 위해 광검출기에는 기기를 액체 질소 온도까지 낮추는 냉각 장치도 포함되어야 합니다.

현재의 야간투시경과 조준경은 무겁고 부피가 큽니다. 그룹의 새로운 초전기 기반 접근 방식을 통해 NVD는 냉각 무게 없이 동일한 감도를 가질 수 있습니다.

연구원들은 이 필름이 현재의 야간 투시 장치 범위를 넘어서 민감하며 전체 적외선 스펙트럼에 걸쳐 파장에 반응할 수 있다는 것을 발견했습니다. 이는 다양한 적외선 영역이 필요한 다양한 응용 분야를 위해 필름이 작고 가벼운 휴대용 장치에 통합될 수 있음을 시사합니다. 예를 들어, 자율주행차 플랫폼에 통합되면 자동차는 완전한 어둠 속에서나 안개나 비가 오는 상황에서도 보행자와 차량을 '볼' 수 있게 됩니다.

이 필름은 실시간 및 현장 환경 모니터링을 위한 가스 센서에도 사용될 수 있어 오염 물질을 감지하는 데 도움이 됩니다. 전자제품에서는 반도체 칩의 열 변화를 모니터링하여 오작동하는 요소의 조기 징후를 포착할 수 있습니다.

연구팀은 새로운 이륙 방법이 납을 함유하지 않은 재료에 일반화될 수 있다고 말합니다. 이러한 경우 연구자들은 테플론과 유사한 납 원자를 기본 기판에 주입하여 유사한 박리 효과를 유도할 수 있다고 의심합니다. 현재 팀은 초전성 필름을 기능성 야간 투시 시스템에 통합하기 위해 적극적으로 노력하고 있습니다.

Zhang은 "우리는 실온에서 넓은 스펙트럼의 적외선 감도를 고려하여 초박형 필름을 고성능 야간 투시경으로 만들 수 있을 것으로 예상하고 있으며 냉각 시스템 없이 경량 설계가 가능합니다"라고 말했습니다. "이것을 야간 투시 시스템으로 바꾸려면 기능적 장치 어레이가 판독 회로와 통합되어야 합니다. 또한 실제 적용을 위해서는 다양한 환경 조건에서의 테스트가 필수적입니다."

자세한 내용은 Abby Abazorius에게 문의하세요. 이 이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호됩니다. 보려면 JavaScript를 활성화해야 합니다.