KR20070061815A - 상호연결 나노시스템 - Google Patents

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KR20070061815A
KR20070061815A KR1020077005740A KR20077005740A KR20070061815A KR 20070061815 A KR20070061815 A KR 20070061815A KR 1020077005740 A KR1020077005740 A KR 1020077005740A KR 20077005740 A KR20077005740 A KR 20077005740A KR 20070061815 A KR20070061815 A KR 20070061815A
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KR1020077005740A
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피터 제이 버크
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더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
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Abstract

본 발명은, 바람직하게는 단일벽 나노튜브(SWNT)로부터 형성된(이에 한정되지는 않음), 나노구조에 기초한 안테나로 제공되는 나노소자로의 또는 나노소자로부터의 통신에 관한 것이다. 다른 나노구조에 기초한 안테나에는 이중벽 나노튜브, 반도성 나노와이어, 금속 나노와이어 등이 포함된다. 나노구조에 기초한 안테나를 사용하면 나노소자에 물리적 통신 연결을 제공할 필요가 없으며, 동시에 나노소자 및 다른 나노소자 또는 외부 시스템(즉, 나노스케일보다 큰 시스템, 예컨대 CMOS, GaAs, 양극 공정 등과 같은 반도체 제조 공정으로부터 형성된 것, 사이의 통신이 가능하다.

Description

상호연결 나노시스템{INTERCONNECTED NANOSYSTEMS}
본 발명은 일반적으로 나노기술 분야, 더 특별히는 나노튜브, 나노와이어 및 기타 나노스케일의 구조물 및 소자의 상호연결에 관한 것이다.
실질적으로, 나노튜브 및/또는 나노와이어로 현대의 디지털 또는 아날로그 회로의 등가물을 제조하는데 필요한 모든 소자들이 표준 실험들에서 입증되었고, 기초 논리 회로들이 증명되었다. 여러 연구자들은 나노와이어/나노튜브 소자가 너비 당 트랜스컨덕턴스 또는 이동성과 같은 여러 면에 있어 CMOS보다 우수하다고 주장해오고 있다. 적절히 표현된 경우, 이 주장들은 사실이다. 그러나 소자가, 무어의 법칙을 나노기술의 영역으로 확장하는 방법을 제공할 리소그래피에 의한 공간 해상도 한계보다 작거나 또는 작아질 수 있다는 문제는 거론되지 않고 있다.
지금까지 개발된 나노튜브 및 나노와이어 소자는 리소그래피 기술로 제조된 전극으로 접속시켜 왔다. 이는 리소그래피의 기하학적 한계 때문에 대량 병렬 처리 통합 나노시스템에 사용할 수 있는 기술이 아니다. 각각의 나노와이어 및 나노튜브가 리소그래피 기술로 접속된다면, 나노와이어 및 나노튜브를 사용한 잠재적인 고밀도 회로소자는 실현되지 않을 것이다.
고장-방지 아키텍처 방식이 이 상호연결 문제를 해결하기 위해 최근에 제안 되었다. 예를 들면, N 리소그래피 기술로 제조된 와이어를 이용하여, 이진-트리 다중 방식을 사용하는 2N 나노와이어를 개별적으로 보내는 것이 가능하다. 나노와이어 사이의 간격이 리소그래피의 한계를 넘기때문에, 나노와이어 및 리소그래피로 제조된 와이어 사이의 전기 연결은 일정치 않으나, 원칙적으로 제조 공정 후에 측정할 수도 있다. 이 기술로, 제조된 각각의 칩은 나노-수준의 물리적 하드웨어 결함에 특유한, 자신만의 고유한 펌웨어를 가질 수 있을 것이다.
그러나, 통합된 나노시스템의 효율적인 실행 및 충분한 확장성을 허용하는, 보다 제조가능한 상호연결이 필요하다.
요약
하기에 개시된 것은 나노소자 및 나노시스템에 사용하는 무선 상호연결의 전형적인 구체예이다. 이 구체예들은 단지 예시이며 본 발명을 제한할 의도는 아니다.
본원에 개시된 소자, 시스템 및 방법은 나노소자 및 나노시스템에 사용하는 무선 상호연결을 제공한다. 더 구체적으로, 나노소자로의 또는 나노소자로부터의 통신은 바람직하게는 단일벽 나노튜브(SWNT)로부터 형성된(이에 한정되지는 않음), 나노구조에 기초한 안테나로 제공된다. 다른 나노구조에 기초한 안테나에는 이중벽 나노튜브, 반도성 나노와이어, 금속 나노 와이어 등이 포함된다. 나노구조에 기초한 안테나를 사용하면 나노소자로의 물리적 통신 연결을 제공할 필요가 없으며, 동시에 나노소자 및 다른 나노소자 또는 외부 시스템 사이의 통신이 가능하다.
한 구체예에서, 무선 상호연결 시스템에는 나노구조에 기초한 안테나가 연결되어 있는 나노소자 및 나노구조에 기초한 안테나를 사용하여 나노소자와 통신하도록 구성된 외부 시스템이 포함된다. 나노소자는 나노구조에 기초한 안테나를 통해 통신하도록 구성된다.
다른 구체예에서, 상호연결 나노시스템의 제조 방법에는 통신 도선(導線)을 갖는 나노소자를 형성하는 단계 및 나노구조에 기초한 안테나를 통신 도선에 연결하는 단계가 포함된다. 바람직하게는, 통신 도선에 나노구조에 기초한 안테나를 연결하는 단계는 도선 상에 탄소 나노튜브를 형성하는 것을 포함된다.
또 다른 구체예에서, 제1 소자로부터 정보를 무선으로 송신하고, 제2 소자에서 정보를 무선으로 수신함으로써 나노구조 소자와 통신하는 방법에서, 제1 및 제2 소자 중 하나 이상은 나노구조 소자이다.
또 다른 구체예에서, 상호연결된 시스템에는 제1 소자 및 제1 소자에 무선으로 연결된 제2 소자가 포함되며, 여기서 제1 및 제2 소자 중 하나는 나노소자이다.
또 다른 구체예에서, 상호연결된 시스템에는 제1 소자 및 제1 소자에 무선으로 연결된 제2 소자가 포함되며, 여기서 제1 및 제2 소자 중 하나는 나노구조에 기초한 안테나를 포함한다.
요소들의 조합 및 여러 신규한 상세한 실행 사항을 비롯한 상기 및 다른 바람직한 특징을, 첨부한 도면을 참조하여 더 구체적으로 개시하고 청구의 범위에서 지적하기로 하겠다. 특정 방법 및 장치는 제한으로서가 아닌, 오직 예시로서 나타내었음을 이해하게 될 것이다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 본원에 설명된 원리 및 특징은 다양하고 수많은 구체예에서 사용될 수 있다.
제조, 구조 및 작동을 비롯한 본 발명의 상세 사항을, 첨부 도면을 고찰하면 부분적으로 찾아볼 수 있으며, 첨부 도면에서 동일한 부품에 대하여는 동일한 참조 번호를 사용한다.
도 1은 나노구조 소자의 한 예시적 구체예의 개략도이다.
도 2는 상호연결 나노시스템의 한 예시적 구체예의 블록도이다.
도 3은 탄소 나노튜브 수신 안테나 및 쌍극 송신 안테나의 블록도이다.
도 4는 도 3에 도시된 탄소 나노튜브 수신 안테나의 전도성 측정을 도시하는 그래프이다.
도면은 실제 크기가 아니며, 유사한 구조 또는 작용을 갖는 요소들은 일반적으로 도면 전체를 통해 예시의 목적을 위해서 유사한 참조 숫자로 표시하였음을 인지하여야한다. 또한 도면은 오직 바람직한 구체예의 설명을 돕기 위한 의도임도 인지되어야한다.
하기에 개시된 추가의 특징 및 교시 내용 각각을 단독으로 또는 다른 특징 및 교시 내용과 함께 활용하여, 나노소자 및 나노시스템에 사용하는 무선 상호연결, 예컨대 나노구조에 기초한 안테나를 제공할 수 있다. 이들 다수의 추가의 특징 및 교시 내용을 모두 단독으로 및 조합하여 이용하는, 본 발명의 대표적인 실시예를 이제 첨부된 도면을 참조하여 더 상세히 개시하기로 하겠다. 이 상세한 설명은 단지 당업자에게 본 발명의 교시 내용의 바람직한 측면을 실시하기 위한 추가의 세부 사항을 교시하려는 의도이지, 본 발명의 범위를 제한할 의도는 아니다. 따라서, 하기의 상세한 설명에 개시된 특징 및 단계의 조합은, 최광의의 의미에서 본 발명을 실시하는데 필요치 않을 수 있고, 그 대신, 단지 본 발명의 교시 내용의 대표적인 실시예를 구체적으로 개시하고자 교시된 것이다.
또한, 대표적인 실시예 및 종속 청구항의 다양한 특징은 본 발명의 교시 내용의 추가의 유용한 구체예를 제공하기 위해, 명확하고 명백하게 열거되지 않은 방식으로 조합할 수 있다. 또한, 본원의 명세서 및/또는 청구의 범위에 개시된 모든 특징은, 최초 명세서의 목적으로, 및 구체예 및/또는 청구항에서의 특징의 조합과 무관하게 청구 대상을 제한할 목적으로, 서로 별개로 및 독립적으로 개시될 의도임이 특별히 주목된다. 또한, 모든 수치 범위 또는 실체 군의 표시는, 최초 명세서의 목적으로, 및 청구 대상을 제한할 목적으로 모든 가능한 중간값 또는 중간 실체를 개시함도 특별히 주목된다.
본원에서 제공된 개시 내용은 2004년 8월 12일에 출원된 미국 가특허출원 60/601,230호에 관한 것이며, 상기 출원은 전체가 참고문헌으로서 본원에 인용되어 있다.
본원에 개시된 소자, 시스템 및 방법은 나노소자 및 나노시스템에 사용하는 무선 상호연결을 제공한다. 더 구체적으로, 나노소자로의 또는 나노소자로부터의 통신은 바람직하게는 단일벽 나노튜브(SWNT)로부터 형성된(이에 한정되지는 않음), 나노구조에 기초한 안테나로 제공된다. 다른 나노구조에 기초한 안테나에는 이중벽 나노튜브, 반도성 나노와이어, 금속 나노와이어 등이 포함된다. 나노구조에 기초한 안테나를 사용하면 나노소자에 물리적 통신 연결을 제공할 필요가 없으며, 동시에 나노소자 및 다른 나노소자 또는 외부 시스템(즉, 나노스케일보다 큰 시스템, 예컨대 CMOS, GaAs, 양극 공정 등과 같은 반도체 제조 공정으로부터 형성된 것, 사이의 통신이 가능하다.
나노구조에 기초한 안테나는 RFID 적용을 비롯한 다른 안테나 적용에도 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 일부 경우에서, 각각의 나노구조, 즉, 나노튜브 또는 나노와이어는 분리 안테나일 수 있다. 다른 경우에, 나노구조는 단지 안테나의 부분일 수 있다. 예를 들면, 나노튜브는 안테나의 역할을 하는 나노튜브에 기초한 복합 재료의 부품으로 사용할 수 있다.
도 1은 무선 통신이 가능한 나노소자(10)의 예시적인 구체예를 묘사한다. 나노소자(10)는 나노구조에 기초한 다중 안테나(16), 예컨대 나노튜브 안테나를 구비하며, 이들이 함께 나노소자(10)의 사면 각각으로부터 연장되는 안테나 어레이(11)를 형성한다. 바람직하게는, 어레이(11) 내부의 각각의 나노튜브 안테나(16)는 별개의 공명 진동수를 가지며, 그 공명 진동수에 해당하는 분리된 무선 주파수 채널을 통해 통신하도록 구성된다. 이런 식으로, 또 다른 소자 또는 외부 시스템으로부터 송신된 다중채널 통신 신호는 나노소자(10)에 의해 수신될 수 있다. 어레이(11) 내부의 각각의 나노튜브(16)는 분리된 채널 상에서 정보를 수신하기 때문에, 각각의 어레이(11)는 각각의 안테나(16)가 효과적으로 입/출력 단자의 역할을 하는 통신 포트로서 작동할 수 있다.
예를 들면, 이 구체예에서, 나노소자(10)는 소자 면 당 14개의 회로 입력(18)(각각 분리된 나노튜브 안테나(16)에 연결됨)을 갖는다. 각각의 나노구조에 기초한 안테나(16)가 각각의 공명 진동수를 통해 송신된 통신만을 수신하도록, 이들 입력(18) 각각의 입력 신호는 14개의 분리된 채널 상에서 다른 소자 또는 외부 시스템으로부터 송신된다. 이로써, 별개의 특유한 양의 정보가 각각의 나노구조에 기초한 안테나(16)를 통해서 각각의 독립적인 입력(18)으로 전송될 수 있다.
나노소자(10)는 수신, 송신 또는 양쪽 모두를 하도록 구성된, 임의의 수많은 나노튜브 안테나(16)를 가질 수 있다. 각각의 나노튜브 안테나(16)를 별개의 공명 진동수로 맞춘 구체예들에서, 분리 채널 상에서 데이터의 수신이 가능한 나노튜브 안테나(16)의 수는 오직 가용 대역폭에 의해 한정된다.
나노소자(10)는 임의의 나노스케일 소자, 또는 나노스케일의 부품을 갖는 소자일 수 있다. 나노소자(10)의 내부 구조(12)의 범위는 간단한 나노튜브 또는 나노전극에서부터 나노튜브, 나노와이어, 나노트랜지스터, 자체-조립 DNA 등을 갖는 더 복잡한 통합 나노시스템에 이를 수 있다. 또한, 용어 '나노스케일'은 본원의 시스템 및 방법을 제한할 의도는 아니며, 대신에 나노미터로 측정되는 임의의 장치, 구조, 소자, 물건 또는 물체의 참조를 용이하게할 의도이다. 당업자는 용어 나노스케일이, 크기가 1 나노미터 미만인 구조를 포함할 수 있으며 크기가 1000 나노미터 초과인 구조도 포함함을 용이하게 인지할 것이다.
나노구조에 기초한 안테나(16)는 안테나 역할을 하는 임의의 나노스케일 구조로부터 형성될 수 있다. 바람직한 구체예에서, 나노구조에 기초한 안테나(16)는 탄소 단일벽 나노튜브(SWNT)로부터 형성된다. 각각의 탄소 SWNT 안테나(16)는 그 길이를 조정하여 공명 진동수로 맞출 수 있다. 예를 들면, 1 센티미터의 탄소 SWNT 안테나(16)는 4 GHz의 공명 진동수를 갖는다.
바람직한 구체예에서, 탄소 SWNT 안테나는 본원에 참고문헌으로 인용된 공동 계류중인 _________호(대리인 정리 번호 703538.4093, 2005년 8월 5일 출원, "단일벽 탄소 나노튜브의 합성"으로 표제됨)에 더 상세히 개시된 바와 같이, 성장기 동안 제공되는 탄화수소원의 기체 흐름의 난류를 감소시키는 변화된 CVD 반응실을 포함하는 단일 용광로 시스템에서 형성 또는 성장된다. 감소된 난류는 초장 나노튜브 형성을 위한 증진된 환경을 만든다. 또한, 금속 하층을 포함하는 높아진 플랫폼을 기판 위에 증착시킨다. 이 높아진 플랫폼은 나노튜브가 낮은 난류 기체 흐름에서 기판으로부터 부유하여 자유로이 성장하는 것을 허용한다. 이는 기판에 의해 일어난 임의의 척력 임피던스를 감소시고 나노튜브가 센티미터 정도의 길이로 성장하는 것을 가능케한다.
도 2는 나노소자(102) 및 외부 시스템(103)을 포함하는, 상호연결 나노시스템(100)의 예시적인 구체예를 도시한다. 여기서, 각각의 나노소자는 함께 나노튜브 안테나 어레이(101)를 형성하는 다중 나노튜브 안테나(106)를 가진다. 바람직하게는, 어레이(101) 내부의 각각의 나노튜브 안테나(106)는 별개의 공명 진동수를 가지며, 그 공명 진동수에 해당하는 분리된 무선 주파수 채널을 통해 통신하도록 구성된다. 이런 식으로, 안테나(107)를 통해 외부 시스템(103)으로부터 송신된 다중채널 통신 신호는 나노소자(102)에 의해 수신될 수 있다. 어레이(101) 내부의 각각의 나노튜브(106)는 분리된 채널 상에서 정보를 수신하므로, 어레이(101)는 각각의 안테나(106)가 효과적으로 입/출력 단자의 역할을 하는 통신 포트로서 작동할 수 있다.
예를 들면, 이 구체예에서 각각의 나노소자(102)는 분리된 나노튜브 안테나 (106)에 각각 연결된 4개의 회로 입력(108)을 갖는다. 각각의 나노구조에 기초한 안테나(106)가 각각의 공명 진동수를 통해 송신된 통신만을 수신하도록, 이들 입력(108)의 각각의 입력 신호는 4개의 분리된 채널 상에서 통신 경로(104)를 통해 외부 시스템(103)으로부터 송신된다. 이로써, 정보의 별개의 특유한 양의 정보가 각각의 나노구조에 기초한 안테나(106)를 통해 외부 시스템(103)으로부터 각각의 독립적인 입력(108)으로 전송될 수 있다.
상호연결 나노시스템(100)은, 외부 시스템(103) 및 나노소자(102) 사이의 통신에만 한정되지는 않는다. 각각의 나노소자(102)는 통신 경로(104)를 통해 유사한 방식으로 다른 나노소자(102)와 통신할 수 있다.
각각의 나노소자(102)는 수신, 송신 또는 양쪽 모두를 하도록 구성된, 임의의 수많은 나노튜브 안테나(106)를 가질 수 있다. 각각의 나노튜브 안테나(106)를 별개의 공명 진동수로 맞춘 구체예들에서, 분리 채널 상에서 데이터를 수신하기 위해서 이용할 수 있는 나노튜브 안테나(106)의 수는, 통신 경로(104) 또는 각각의 독립적인 채널에서의 오직 가용 대역폭에 의해서만 한정된다. 그러나, 다른 기술을 사용하여 시스템(100)의 데이터 전송 용량, 예컨대 시간 또는 코드 신호 다중화 등을 증가시킬 수 있다.
안테나 실험: 도 3에 도시된 바와 같이, f=2.8 GHz에서 공명하는 불균형 쌍극 송신 안테나를, 200 마이크로미터의 전극 간격을 갖는 탄소 나노튜브 수신 안테나를 포함하는 샘플로부터 약 2 인치 떨어진 곳에 두었다. 상기 나노튜브 안테나는 상기에 개시된 방법에 따라서 형성하였다.
고정 위상 증폭기를 사용하는 나노튜브 수신 안테나의 실험에서, 나노튜브 전류는 ON 또는 OFF된 RF 방사장의 함수로서 및 자기장이 송신 안테나의 공명 진동수(fr=2.8 GHz)에서 적용되었는지 또는 아닌지(f=1 GHz) 측정하였다. 송신 안테나는 네트워크 분석기에 의해 +5dBm의 전력을 사용하여 CW 모드로 단일 주파수에서 구동시켰다.
도 4에 도시된, 측정된 데이터는 송신 안테나의 공명 진동수(f=2.8 GHz)에서 RF 방사를 수신 나노튜브 안테나에 적용할 경우, 나노튜브의 DC 컨덕턴스가 0.3 밀리지멘스 감소했음을 나타낸다. 송신 안테나를 그것의 공명으로부터 멀리 떨어진 주파수, 즉, f=1GHz에서 구동시킨 경우, 송신 안테나 효율이 낮기 때문에 CNT의 컨덕턴스 변화는 인지되지 않는다. 이 결과들은 샘플 상의 CNT가 수신 안테나로 작동함을 가리킨다.
상술한 명세서에서, 본 발명을 그의 특정 구체예를 참조하여 개시하였다. 그러나, 본 발명의 광의의 개념 및 범위를 일탈하지 않는 한 본 발명을 여러가지로 변형 및 변화시킬 수 있음은 분명할 것이다. 예를 들면, 한 구체예의 각각의 특징을 다른 구체예들에서 나타낸 다른 특징과 혼합 및 조화시킬 수 있다. 마찬가지로, 당업자에게 공지된 특징 및 방법을 필요에 따라 혼합할 수 있다. 추가적으로 및 명백히, 필요에 따라 특징을 첨가하거나 또는 뺄 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항 및 그와 동등한 것들을 고려하지 않고서는 한정되지 않는다.

Claims (26)

1 이상의 나노구조에 기초한 안테나가 연결되어 있는 나노소자를 구비하는 무선 상호연결 시스템으로서, 여기서 나노소자는 나노구조에 기초한 안테나를 통해 통신하도록 구성된 것인 시스템.
제1항에 있어서, 나노구조에 기초한 안테나를 사용하여 나노소자와 통신하도록 구성된 외부 시스템을 더 포함하는 것인 시스템.
1 이상의 통신 도선을 갖는 나노소자를 형성하는 단계; 및
나노구조에 기초한 안테나를 그 통신 도선에 연결하는 단계
를 포함하는, 상호연결 나노시스템의 제조 방법.
제3항에 있어서, 나노구조에 기초한 안테나를 통신 도선에 연결하는 단계가, 그 도선 상에 탄소 나노튜브를 형성하는 단계를 포함하는 것인 방법.
제1 소자로부터 정보를 무선으로 송신하는 단계, 및
제2 소자에서 정보를 무선으로 수신하는 단계
를 포함하는 나노구조 소자와 통신하는 방법으로서, 여기서 제1 및 제2 소자 중 1 이상은 나노구조 소자인 방법.
제5항에 있어서, 나노구조 소자가 통신 도선 및 그 통신 도선에 연결된 나노구조에 기초한 안테나를 포함하는 것인 방법.
제6항에 있어서, 나노구조에 기초한 안테나가 탄소 나노튜브인 방법.
제1 소자, 및
제1 소자에 무선으로 연결된 제2 소자
를 구비하는 상호연결 시스템으로서, 여기서 제1 및 제2 소자 중 하나는 나노소자인 시스템.
제8항에 있어서, 1 이상의 나노구조에 기초한 안테나가 연결되어 있는 나노소자가 나노구조에 기초한 안테나를 통해 통신하도록 구성된 것인 시스템.
제9항에 있어서, 나노구조에 기초한 안테나가 탄소 단일벽 나노튜브인 시스템.
제9항에 있어서, 나노구조에 기초한 안테나가 탄소 이중벽 나노튜브인 시스템.
제9항에 있어서, 나노구조에 기초한 안테나가 반도체 나노와이어인 시스템.
제9항에 있어서, 나노구조에 기초한 안테나가 금속 나노와이어인 시스템.
제8항에 있어서, 나노소자가 다수의 통신 포트 및 그 다수의 통신 포트에 연결된 나노구조에 기초한 안테나 어레이(array)를 포함하는 것인 시스템.
제14항에 있어서, 나노구조에 기초한 안테나 어레이가 탄소 단일벽 나노튜브의 어레이를 포함하는 것인 시스템.
제14항에 있어서, 나노구조에 기초한 안테나 어레이가 탄소 이중벽 나노튜브의 어레이를 포함하는 것인 시스템.
제14항에 있어서, 나노구조에 기초한 안테나 어레이가 반도체 나노와이어의 어레이를 포함하는 것인 시스템.
제14항에 있어서, 나노구조에 기초한 안테나 어레이가 금속 나노와이어의 어레이를 포함하는 것인 시스템.
제1 소자, 및
제1 소자에 무선으로 연결된 제2 소자
를 포함하는 상호연결 시스템으로서, 여기서 제2 소자는 제2 소자에 연결된 나노구조에 기초한 안테나를 포함하는 것인 시스템.
제19항에 있어서, 제2 소자가 나노구조에 기초한 안테나를 통해 통신하도록 구성된 것인 시스템.
제19항에 있어서, 나노구조에 기초한 안테나가 나노구조 요소를 포함하는 복합 재료로부터 형성되는 것인 시스템.
제21항에 있어서, 나노구조 요소가 나노튜브인 시스템.
제19항에 있어서, 나노구조에 기초한 안테나가 탄소 단일벽 나노튜브인 시스템.
제19항에 있어서, 나노구조에 기초한 안테나가 탄소 이중벽 나노튜브인 시스템.
제19항에 있어서, 나노구조에 기초한 안테나가 반도체 나노와이어인 시스템.
제19항에 있어서, 나노구조에 기초한 안테나가 금속 나노와이어인 시스템.
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