프린트된 전자제품의 속도를 높여주는 잉크
지붕을 흘러내리는 물처럼 현미경 능선을 따라 아래로 내려가는 잉크방울은 플렉시블 전자제품을 위하여 프린트된 트랜지스터의 속도를 높일 수 있다. 실리콘에 새겨진 것보다 프린팅 전자회로는 돈을 절약하게 되고, 플렉시블 전자기기를 위한 잠금 장치를 할 수 있다. 단순한 프린팅 전자제품의 매력에도 불구하고, 전통적인 방법들이 여전히 프린트된 전자제품을 정리할 필요가 있으며, 관련 정보들을 파헤쳐봐야 한다. 이러한 최종적인 조율이 없으면, 트랜지스터는 제대로 동작하지 않을 것이라고 Berkeley에 있는 California대학의 Huai-Yuan Tseng가 말했다. 그는 동료인 Vivek Subramanian와 함께 특별한 처리과정에 의지하지 않는 프린팅 트랜지스터의 더 정확한 방법을 개발해오고 있다.
* 잉크모양(Ink blobs)
문제는 잉크가 전계효과 트랜지스터의 세 전극을 너무 가까이 가지 못하도록 정확하게 분사할 수 없다는 것이다. 소스와 드레인은 같은 줄에 배열되고, 하나의 층에 프린트된다. 그러나 다른 층에 프린트되어지는 게이트는 나노절연체에 의하여 분리된다. 프린트된 트랜지스터에서 소스와 드레인은 수직으로 10um 또는 그 이상이 게이트와 중복될 수 있다. 이것은 게이트로부터의 전기장을 다른 전극과 연결시켜서, 성능에 악영향을 미치게 된다. “주요한 영향은 트랜지스터 속도를 감소시키는 것이다. 게이트, 소스 및 드레인 사이의 중복이 더 커질수록, 기생 커패시턴스가 더 커지게 된다. 따라서 이것은 트랜지스터의 속도를 더 느리게 만들어준다.” 라고 Tseng이 말했다.
* 미끄러운 능선(Slippery ridge)
은나노입자 잉크를 사용하여 게이트 전극을 프린트하는 새로운 방법이 시도되고 있다. 이것은 110nm 두께의 절연 플라스틱층을 가지고 코팅된다. 전극잉크 능선은 중복되는 절연체에서 담요 아래에 사람이 있는 것과 같은, 둥근 언덕을 만들게 된다. 이 한쌍은 둥근 언덕의 꼭대기에 하나의 잉크 덩어리를 분사하여 정확하게 소스와 드레인에 위치시킬 수 있다는 것을 보여주고 있다. 이 때, 게이트 능선의 각 면을 따라 흐르게 되고, 두 개의 분리된 선형터미널로서 바닥으로 향하게 된다.
무엇이 일어나고 있는지를 확신하기 위하여, 능선은 방수성 화학물로 코팅되어야 한다. 그리고 수분은 은나노입자 잉크에 표면장력을 증가시키기 위하여 첨가되어, 더 많은 구슬모양이 만들어지게 된다.
* 속도향상(Speed boost)
새로운 기술은 약 0.78um로 최종적인 트랜지스터의 중복을 줄였다. 이것은 이전의 모든 프린트된 기술보다 10배가 향상된 것이며, 프린팅 후에 세척하기 위하여 포토리스그래피를 사용하여 얻어진 수치와 유사한 것이다.
Cambridge대학의 물리학자인 Henning Sirringhaus는 미끄러지는 전자잉크를 주장한 최초의 사람이다. 이 아이디어는 소나기에서 물방울을 지켜보면서 얻게 되었다. 그때 그는 이것을 수석과학자로서 근무하던 Plastic Logic사에서 정제했었다. 그러나 그의 회사는 여전히 트랜지스터를 만들기 위하여 프린팅과 리소그래피를 같이 결합하여 사용하고 있었다. 소스와 드레인을 프린트하기 위하여 잉크 미끄러짐(ink-sliding)을 사용한 후에, 그들은 그것들 사이에 게이트 전극을 위치시키기 위하여 포토리소그래피를 사용했다.
“Tseng과 Subramanian의 연구는 프린트된 유기전계 효과 트랜지스터의 기생 커패시턴스를 감소시키기 위한 흥미로운 방법이다.” 라고 그가 말했다. 그러나 그는 이러한 문제를 해결하는 것은 다른 곳에서 트랜지스터의 속도를 병목 시키는 문제점을 발생시키게 된다고 지적했다. 소스와 드레인 간의 전체거리는 게이트 전극의 크기에 의하여 결정되며, 제한요소가 된다.
“프린팅 자체만으로는 20~50미크론 이하로 줄이는 것은 어렵다.” 라고 그가 말했다.
Tseng은 이 연구를 지난주 Baltimore에서 열린 국제전자기기회의(International Electron Device Meeting)에서 발표했다.
Sliding ink could boost speed of printed electronics
by Colin Barras
Ink drops sliding down a microscopic ridge, like water running off a roof, can boost the speed of printed transistors for flexible electronics
Printing electronic circuits rather than carving them from silicon saves money and unlocks the door to flexible electronic gadgets. Despite the allure of simply printing electronics, traditional methods are still needed to tidy up printed electronics and bring them up to scratch.
Without this final tuning transistors tend to perform poorly, says Huai-Yuan Tseng at the University of California, Berkeley, who with colleague Vivek Subramanianhas developed a more accurate way of printing transistors, without resorting to extra processing. Tseng says their method is the first to abandon traditional etching altogether.
Ink blobs
The problem is that ink cannot be squirted accurately enough to prevent the three electrodes in a field-effect transistor from being too close together. The source and drain are arranged in a line and printed on one layer while the third, the gate, is printed on a different layer, separated by a nanoscale insulator (see diagram).
In printed transistors the source and drain can vertically overlap the gate by 10 micrometres or more, allowing electric fields from the gate electrode to couple with the other electrodes and impair performance.
"The major impact is reducing the transistor speed," says Tseng. "The larger the overlap between gate and the source and drain, the larger the parasitic capacitance, and hence the slower the transistors are."
Slippery ridge
The new approach begins by printing the gate electrode using silver nanoparticle ink, then coating it with a 110-nanometre-thick layer of insulating plastic. The electrode ink ridge creates a hump in the overlying insulator, like a person under a blanket.
The pair have shown that they can position the source and drain more accurately by squirting a single large dollop of ink onto the top of the bump, then letting it slide down each side of the gate ridge and come to rest at the bottom as two separate linear terminals.
To make sure that happens, the ridge has to be coated with a non-stick compound, and water added to the silver nanoparticle ink to increase its surface tension and make it more likely to bead.
Speed boost
The new technique cut the overlap in the final transistor to just 0.78 micrometres, a 10-fold improvement on the previous all-printed techniques and comparable to the figures obtained by using photolithography to clean up after printing.
Henning Sirringhaus, a physicist at the University of Cambridge was the first to suggest sliding electronic ink, an idea he got from watching water droplets in the shower. He then refined it at the company Plastic Logic, where he is chief scientist. But his company still uses a combination of printing and lithography to make their transistors. After using ink-sliding to print the source and drain, they use photolithography to place the third, gate electrode accurately between them.
"[Tseng and Subramanian's method] is an interesting [way] to reduce the parasitic capacitance of a printed organic field effect transistor," he says. However, he points out that addressing that issue shifts a transistor's speed bottleneck elsewhere. The overall distance between the source and drain, determined by the size of the gate electrode, becomes the limiting factor.
"It is hard to reduce that to less than 20 to 50 microns", by printing alone, he says.
Tseng presented the work at the International Electron Device Meetingin Baltimore last week.
Source : KISTI, newscientist
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