글쓴이 최고관리자
등록일 13-10-28 13:21
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미국 조지아공대(Georgia Institute of Tech.) 교수이며 중국과학원 산하 베이징(北京) 나노 에너지 및 시스템 연구소 수석 과학자인 왕중린(王中林) 원사(院士)가 주도하는 연구팀은 최근 수직 성장하는 나노 압전(Piezoelectric) 재료 배열을 이용하여 대규모 발광 다이오드(Light-emitting diodes) 배열을 연구 개발하는데 성공하였을 뿐만 아니라 압전 광전자학 효과를 이용하여 최초로 외부 응력/응변으로 나노 압전 발광 다이오드 발광 강도(强度)를 개변시키는 과정을 실현하는데 성공하였다.
동시에 연구팀은 최초로 주동적인 자체 적응 타입의 높은 식별 비율을 보유하고 광전자 신호를 매개체로 하고 병렬 처리(Parallel Processing)를 실행할 수 있는 압력 센서 이미징 칩 시스템을 연구 개발하는데 성공하였다. 관련 연구성과를 정리한 연구팀의 과학연구 논문은 지난 8월 11일 온라인으로 `네이처 포토닉스(Nature Photonics)` 학술지에 발표되었다.
연구팀은 전기 신호 혹은 광전자 신호를 이용하여 높은 식별 비율을 보유한 촉각(50미크론보다 작은 인간의 피부감지 식별 비율)에 대한 시뮬레이션이 신형 로봇, 휴먼-컴퓨터 인터렉션 인터페이스(Human-computer interaction interface) 등 분야에서 중대한 의미를 가진다고 말한다. 기타 감지 장기(예를 들면 시각, 청각, 후각, 미각 등) 연구에 비해 촉각에 대한 바이오닉 연구는 크게 추진되지 않고 있는 수준에 있다.
기존의 압력 센서 기술은 대부분이 나노 재료의 평면 타입 전계 효과 트랜지스터 효과에 기반하고 있는데, 예를 들면 자체 조립의 나노 와이어, 유기 전계 효과 트랜지스터가 포함되고 있다. 하지만 이런 유형 연구의 식별 비율은 대부분이 mm 혹은 cm 수준일 뿐만 아니라 관련 장치의 픽셀(Pixel)이 작고, 픽셀 점이 적기 때문에 측정 방식은 매우 복잡한 교차 전극(cross bar electrodes)의 제한을 받고 있다. 데이터 채집도 하드웨어 스위치와 소프트웨어 스위치가 모두 매개 픽셀 점에 대해 `직렬` 스캔을 실행해야 하며 시간이 많이 걸리기 때문에 대면적, 높은 식별 비율의 응력 분포 고속 이미징을 실현하기 어려운 상황이다.
최근 왕중린 원사가 개척한 압전 전자학과 압전 광전자학은 과학기술계의 폭넓은 관심을 받고 있다. 압전 전자학과 압전 광전자학 효과는 왕중린 원사가 지난 2007년도와 2010년도에 세계 최초로 제시한 두 개 혁신 연구 분야에 속하며 마이크로 기계 센서, 장치 구동과 에너지 분야에 폭넓게 응용된다.
산화 아연, 질화 갈륨, 카드뮴 황화물 등 압전 반도체 재료에 대한 압전 전자학 효과는 압전 필드로 계면 혹은 접합 캐리어 수송 과정을 조정 혹은 제어하는 물리 효과를 의미한다. 압전 광전자학 효과는 압전 필드로 캐리어가 광전자 과정 중의 분리 혹은 결합의 물리 효과에 대한 조정을 의미한다. 압전(광) 전자학 효과를 이용하여 개발한 장치가 압전(광) 전자학 장치이다.
지난 2010년도부터 양칭(楊靑) 박사 등 연구인원들은 왕중린 원사의 지도 하에 압전 광전자 효과가 무기-무기 발광 다이오드 시스템(n-ZnO wire/p-GaN) 및 무기-유기 복합 발광 다이오 시스템(n-ZnO/PEDOT:PSS) 조정 역할에 대해 계통적인 연구를 실행하여 압전 다이오드가 외부 응력을 받을 때 압전 광전자학 효과는 발광 강도를 몇 배로 증가시킨다는 점을 발견하였다. 관련 연구 성과는 지난 2012년도와 2013년도 `나노 레터스(Nano Letters)` 학술지에 발표되었다.
압전 광전자학 효과에 기반하여 연구팀은 톱다운(Top-down) 마이크로 나노 가공기술과 보텀업(botteom-up) 나노 재료 합성을 결합하여 수직 성장의 단일 산화아연 나노 와이어 배열에 기반한 3차원 대규모 압전 발광 다이오드 배열 장치를 개발하였는데 매 개 산화아연 나노 와이어는 한 개의 발광 다이오드인 동시에 한 개의 픽셀 점에 속하는 것으로 나타났다.
이런 배열 중의 산화아연 나노 와이어의 지름은 1미크론 정도에 달하고, 와이어 중심 간의 거리는 4미크론에 달하는 동시에 픽셀 밀도는 6,350dpi에 달하고, 장치 식별 비율은 2.7미크론이며, 장치 사이즈는 1.5cm*2cm(현미경 CCD 시각 필드 제한을 받아 논문에서 설명한 샘플 구역은 20,000개를 초월한 픽셀 점을 포함하고 있음) 수준에 달하고 있는 것으로 나타났다. 기존의 동일 유형 연구에 비해 연구팀의 연구는 식별 비율이 2~3개 수량 등급이 높아 픽셀 수량 상에서 수 백배 향상되고 픽셀 밀도는 4~5개 수량 등급이 향상된 것으로 나타났다.
장치 표면이 외부 역량의 역할을 받을 때 압력을 받는 나노 와이어가 위치하여 있는 발광 다이오드 광 강도 비례는 압력을 받지 않은 나노 와이어가 위치하여 있는 광 강도에 비해 뚜렷이 강화될 뿐만 아니라 강화된 정도는 장치가 국지적으로 받은 외부 추가 응력과 정비례한다. 연구팀은 전체 장치의 발광 다이오드 배열의 발광 강도 변화에 대한 모니터링을 통해 장치 표면이 받는 역량 상황은 쉽게 판단할 수 있다는 연구 결론을 도출하였다.
연구팀은 광 신호(비(非) 전통적인 전자 신호)를 표면 특성 신호로 이용하고 CCD 카메라를 이용하여 취득한 발광 다이오드 배열 이미징을 벡터(Vector)로 이용함으로써 이런 장치로 하여금 광 전송, 디지털화 처리, 광 통신 등 분야에서 이상적인 응용 전망을 보유할 수 있게끔 하였다. 모든 발광 다이오드의 발광 강도는 CCD를 이용하여 `병렬` 기록을 실행하기 때문에 전통적인 `직렬` 데이터 기록에 비해 연구팀이 개발한 장치는 매우 신속한 응력 응답 및 기록 속도를 보유하고 있는 것으로 나타났다.
이번 연구의 중대한 과학 혁신 점은 최초로 단일 나노 와이어 배열에 기반한 나노 장치 양산, 특성 분석과 시스템 통합을 실현하였으며, 최초로 압전 광전자학 효과 및 대규모 센서 이미징 중에서의 응용을 실현하였을 뿐만 아니라 인간 피부 식별 비율보다 높은 상황 하에서 대형 사이즈 응력 응변 이미징 및 기록을 실현하였다는데 있다.
이번 연구의 응용 범위는 바이오 의료, 인공 지능, 휴먼-컴퓨터 인터렉션, 에너지와 통신 등 분야를 커버하고 있다. 연구팀은 패키징 및 재료 필러(Filler)를 통해 장치의 기계 강도를 강화시키고 장치의 작업 수명을 연장시켰다. 이번에 개발된 기술은 향후 멀티 차원의 압력 센서, 스마트화 자체 적응 터치 이미징과 구동 센서 기술로 발전되어 압전 전자학 장치로 하여금 센서, 자체 구동 시스템과 휴먼-컴퓨터 인터렉션 등 분야에서 폭넓게 응용될 수 있게끔 할 것으로 전망된다.
그림. 높은 식별 비율을 보유한 광전자 병렬 응력 센서 칩 디자인 원리 (A) 3차원 압전 발광 다이오드 배열은 응력을 받기 전 (B) 3차원 압전 발광 다이오드 배열이 응력을 받은 후 관련 응력을 받은 나노 와이어 중에서 생성된 잠재적인 압전(그림 속의 컬러 나노 와이어)과 대응되는 LED 발광 강도가 강화됨
동시에 연구팀은 최초로 주동적인 자체 적응 타입의 높은 식별 비율을 보유하고 광전자 신호를 매개체로 하고 병렬 처리(Parallel Processing)를 실행할 수 있는 압력 센서 이미징 칩 시스템을 연구 개발하는데 성공하였다. 관련 연구성과를 정리한 연구팀의 과학연구 논문은 지난 8월 11일 온라인으로 `네이처 포토닉스(Nature Photonics)` 학술지에 발표되었다.
연구팀은 전기 신호 혹은 광전자 신호를 이용하여 높은 식별 비율을 보유한 촉각(50미크론보다 작은 인간의 피부감지 식별 비율)에 대한 시뮬레이션이 신형 로봇, 휴먼-컴퓨터 인터렉션 인터페이스(Human-computer interaction interface) 등 분야에서 중대한 의미를 가진다고 말한다. 기타 감지 장기(예를 들면 시각, 청각, 후각, 미각 등) 연구에 비해 촉각에 대한 바이오닉 연구는 크게 추진되지 않고 있는 수준에 있다.
기존의 압력 센서 기술은 대부분이 나노 재료의 평면 타입 전계 효과 트랜지스터 효과에 기반하고 있는데, 예를 들면 자체 조립의 나노 와이어, 유기 전계 효과 트랜지스터가 포함되고 있다. 하지만 이런 유형 연구의 식별 비율은 대부분이 mm 혹은 cm 수준일 뿐만 아니라 관련 장치의 픽셀(Pixel)이 작고, 픽셀 점이 적기 때문에 측정 방식은 매우 복잡한 교차 전극(cross bar electrodes)의 제한을 받고 있다. 데이터 채집도 하드웨어 스위치와 소프트웨어 스위치가 모두 매개 픽셀 점에 대해 `직렬` 스캔을 실행해야 하며 시간이 많이 걸리기 때문에 대면적, 높은 식별 비율의 응력 분포 고속 이미징을 실현하기 어려운 상황이다.
최근 왕중린 원사가 개척한 압전 전자학과 압전 광전자학은 과학기술계의 폭넓은 관심을 받고 있다. 압전 전자학과 압전 광전자학 효과는 왕중린 원사가 지난 2007년도와 2010년도에 세계 최초로 제시한 두 개 혁신 연구 분야에 속하며 마이크로 기계 센서, 장치 구동과 에너지 분야에 폭넓게 응용된다.
산화 아연, 질화 갈륨, 카드뮴 황화물 등 압전 반도체 재료에 대한 압전 전자학 효과는 압전 필드로 계면 혹은 접합 캐리어 수송 과정을 조정 혹은 제어하는 물리 효과를 의미한다. 압전 광전자학 효과는 압전 필드로 캐리어가 광전자 과정 중의 분리 혹은 결합의 물리 효과에 대한 조정을 의미한다. 압전(광) 전자학 효과를 이용하여 개발한 장치가 압전(광) 전자학 장치이다.
지난 2010년도부터 양칭(楊靑) 박사 등 연구인원들은 왕중린 원사의 지도 하에 압전 광전자 효과가 무기-무기 발광 다이오드 시스템(n-ZnO wire/p-GaN) 및 무기-유기 복합 발광 다이오 시스템(n-ZnO/PEDOT:PSS) 조정 역할에 대해 계통적인 연구를 실행하여 압전 다이오드가 외부 응력을 받을 때 압전 광전자학 효과는 발광 강도를 몇 배로 증가시킨다는 점을 발견하였다. 관련 연구 성과는 지난 2012년도와 2013년도 `나노 레터스(Nano Letters)` 학술지에 발표되었다.
압전 광전자학 효과에 기반하여 연구팀은 톱다운(Top-down) 마이크로 나노 가공기술과 보텀업(botteom-up) 나노 재료 합성을 결합하여 수직 성장의 단일 산화아연 나노 와이어 배열에 기반한 3차원 대규모 압전 발광 다이오드 배열 장치를 개발하였는데 매 개 산화아연 나노 와이어는 한 개의 발광 다이오드인 동시에 한 개의 픽셀 점에 속하는 것으로 나타났다.
이런 배열 중의 산화아연 나노 와이어의 지름은 1미크론 정도에 달하고, 와이어 중심 간의 거리는 4미크론에 달하는 동시에 픽셀 밀도는 6,350dpi에 달하고, 장치 식별 비율은 2.7미크론이며, 장치 사이즈는 1.5cm*2cm(현미경 CCD 시각 필드 제한을 받아 논문에서 설명한 샘플 구역은 20,000개를 초월한 픽셀 점을 포함하고 있음) 수준에 달하고 있는 것으로 나타났다. 기존의 동일 유형 연구에 비해 연구팀의 연구는 식별 비율이 2~3개 수량 등급이 높아 픽셀 수량 상에서 수 백배 향상되고 픽셀 밀도는 4~5개 수량 등급이 향상된 것으로 나타났다.
장치 표면이 외부 역량의 역할을 받을 때 압력을 받는 나노 와이어가 위치하여 있는 발광 다이오드 광 강도 비례는 압력을 받지 않은 나노 와이어가 위치하여 있는 광 강도에 비해 뚜렷이 강화될 뿐만 아니라 강화된 정도는 장치가 국지적으로 받은 외부 추가 응력과 정비례한다. 연구팀은 전체 장치의 발광 다이오드 배열의 발광 강도 변화에 대한 모니터링을 통해 장치 표면이 받는 역량 상황은 쉽게 판단할 수 있다는 연구 결론을 도출하였다.
연구팀은 광 신호(비(非) 전통적인 전자 신호)를 표면 특성 신호로 이용하고 CCD 카메라를 이용하여 취득한 발광 다이오드 배열 이미징을 벡터(Vector)로 이용함으로써 이런 장치로 하여금 광 전송, 디지털화 처리, 광 통신 등 분야에서 이상적인 응용 전망을 보유할 수 있게끔 하였다. 모든 발광 다이오드의 발광 강도는 CCD를 이용하여 `병렬` 기록을 실행하기 때문에 전통적인 `직렬` 데이터 기록에 비해 연구팀이 개발한 장치는 매우 신속한 응력 응답 및 기록 속도를 보유하고 있는 것으로 나타났다.
이번 연구의 중대한 과학 혁신 점은 최초로 단일 나노 와이어 배열에 기반한 나노 장치 양산, 특성 분석과 시스템 통합을 실현하였으며, 최초로 압전 광전자학 효과 및 대규모 센서 이미징 중에서의 응용을 실현하였을 뿐만 아니라 인간 피부 식별 비율보다 높은 상황 하에서 대형 사이즈 응력 응변 이미징 및 기록을 실현하였다는데 있다.
이번 연구의 응용 범위는 바이오 의료, 인공 지능, 휴먼-컴퓨터 인터렉션, 에너지와 통신 등 분야를 커버하고 있다. 연구팀은 패키징 및 재료 필러(Filler)를 통해 장치의 기계 강도를 강화시키고 장치의 작업 수명을 연장시켰다. 이번에 개발된 기술은 향후 멀티 차원의 압력 센서, 스마트화 자체 적응 터치 이미징과 구동 센서 기술로 발전되어 압전 전자학 장치로 하여금 센서, 자체 구동 시스템과 휴먼-컴퓨터 인터렉션 등 분야에서 폭넓게 응용될 수 있게끔 할 것으로 전망된다.
그림. 높은 식별 비율을 보유한 광전자 병렬 응력 센서 칩 디자인 원리 (A) 3차원 압전 발광 다이오드 배열은 응력을 받기 전 (B) 3차원 압전 발광 다이오드 배열이 응력을 받은 후 관련 응력을 받은 나노 와이어 중에서 생성된 잠재적인 압전(그림 속의 컬러 나노 와이어)과 대응되는 LED 발광 강도가 강화됨
키워드 : 압전, 광전자학, 응력, 이미징, 칩 시스템
