탄소 나노튜브는 유연한 전자 제품의 한계를 뛰어 넘습니다

지난 수십 년 동안 단단한 실리콘 웨이퍼로 만들어진 트랜지스터의 공격적인 스케일링은 개인용 전자 제품과 슈퍼컴퓨터의 성능을 꾸준히 향상시켜 왔습니다. 실시간 분석 및 사물 인터넷(IoT)과 같은 새로운 애플리케이션의 경우 에지에서 진정한 계산을 가능하게 하기 위해 유연하거나 비전통적인 기판에 만들어진 고성능 논리 회로 및 센서가 필요합니다. 이들은 탄소 나노튜브(CNT)와 같은 유연한 나노물질이 저비용, 저전력, 대면적 제조 또는 롤투롤 생산과 같은 경질 실리콘에 비해 많은 매력적인 이점을 제공할 수 있는 성장 영역의 몇 가지 예입니다. CNT는 높은 이동도로 인해 플렉서블 전자 장치의 우수한 후보로 널리 간주되어 왔지만 실제 응용 프로그램은 실리콘 웨이퍼와 같은 단단한 기판 위에 구축된 플렉서블 CNT 박막 트랜지스터(TFT)의 성능이 낮기 때문에 제한되었습니다. 또는 유리). 예를 들어, 유연한 CNT 집적 회로는 일반적으로 1마이크로초 이상의 논리 게이트 지연으로 저속 작동을 나타냅니다. 그러나 이러한 상황은 IBM Research의 새로운 발전으로 바뀔 수 있습니다.

유연한 CNT 10나노초 미만의 스테이지 지연이 있는 CMOS 집적 회로. 사진:폴리이미드 기판에 만들어진 유연한 5단계 CMOS 링 발진기. (Nature Electronics에 게시된 "sub-10ns 단계 지연이 있는 탄소 나노튜브를 기반으로 하는 유연한 CMOS 집적 회로"의 그림 1b 및 4a)

최근 저널 기사에서 Nature Electronics에 게재된 10ns 미만 단계 지연을 갖는 탄소 나노튜브 기반 Flexible CMOS 집적 회로 , 우리는 고성능 CNT TFT와 보완 집적 회로가 유연한 기판에 제조될 수 있음을 보여줍니다. IBM의 탄소 전자공학에 대한 수십 년 간의 연구를 바탕으로 우리는 반도체 CNT의 순도 및 밀도, 상보 논리를 위한 신뢰할 수 있는 n형 도핑 기술을 포함하여 고성능 플렉서블 CNT 전자 장치 제조에서 몇 가지 주요 과제를 해결했습니다. 유연한 기판에 대한 공정 수율 및 변동. 전반적으로 제작된 유연한 CNT TFT는 높은 전류 밀도(>17mA/mm), 큰 전류 ON/OFF 비율(>10 ⁶ ), 작은 임계값 이하 기울기(<200mV/dec), 높은 이동성(~50cm ² /Vs) 및 뛰어난 유연성 - 손가락으로 감쌀 때 유연한 TFT는 성능 저하 없이 계속 작동할 수 있습니다.

모든 부품을 함께 통합한 다음 우리는 한 단계 더 나아가 모든 로직 기술의 표준 벤치마크 회로인 고속 CMOS 링 발진기를 시연했습니다. 기능적인 5단계 CMOS 링 발진기는 단 5.7나노초까지 단계 지연을 나타내어 이전 탄소 나노튜브 작업에 비해 거의 1000배 향상되었습니다. 또한 CNT, 유기 폴리머, 산화물 반도체 및 나노 결정을 포함한 모든 나노 물질로 만든 가장 빠른 유연한 링 발진기를 나타냅니다. 여기에서 우수한 성능과 통합 수준의 데모는 IoT, 에지 컴퓨팅, 플렉서블 디스플레이 및 센서와 같은 미래 애플리케이션에 CNT를 사용할 수 있는 가능성을 강조합니다. 전자 제품.

통합된 유연성 CNT TFT의 능동 매트릭스가 있는 압력 센서. 사진:유연한 CNT 압력 센서의 현재 매핑은 "CNT" 스탬프 모양과 유사합니다. (Nano Letters에 게재된 "전자 피부용 탄소 나노튜브 활성 매트릭스를 사용한 대면적 고성능 플렉시블 압력 센서"의 그림 4b)

이러한 응용의 예는 최근 Nano Letters에 게재된 전자 피부용 탄소 나노튜브 활성 매트릭스를 포함하는 대면적 고성능 플렉시블 압력 센서라는 또 다른 저널 기사에 나와 있습니다. . 이 작업에서 통합된 유연한 압력 센서는 인간 피부의 촉각 압력 감지 기능을 모방하기 위해 16×16 CNT TFT의 능동 매트릭스로 시연됩니다. 완전 통합형 플렉시블 압력 센서는 3V의 작은 전압 범위 내에서 작동할 수 있으며 4mm의 높은 공간 분해능, 사람의 피부보다 빠른 응답(<30ms), 두 평면 모두에서 복잡한 물체를 감지하는 탁월한 정확도를 특징으로 하는 탁월한 성능을 보여줍니다. 그리고 곡면. 우리의 작업이 미래에 고성능 전자 피부를 스마트 로봇 공학 및 보철 솔루션에 통합할 수 있는 길을 열 수 있기를 바랍니다.

저자 소개

Jianshi Tang은 로스앤젤레스 캘리포니아 대학교에서 전기 공학 박사 학위를 취득했으며, 그곳에서 반도체 나노와이어, 위상 절연체 및 자기 나노구조와 같은 다양한 저차원 나노물질의 장치 및 물리학을 연구했습니다. 그 후 2015년 IBM Thomas J. Watson Research Center에 박사후 연구원으로 입사하여 이후 연구원으로 승진하여 나노소재 및 나노전자공학을 반도체 산업에 적용할 수 있는 실용적인 기술로 개발하는 꿈을 더욱 추구했습니다. . 현재 IBM에서 그의 작업은 고성능 탄소 나노튜브 전자 제품을 개발하고 에너지 효율적인 뉴로모픽 컴퓨팅을 달성하기 위한 다양한 하드웨어 접근 방식을 탐구하는 것과 관련이 있습니다.