KR20090129482A

KR20090129482A - 무선 통신 및 무선 전송용 탄소 나노튜브

Info

Publication number: KR20090129482A
Application number: KR1020097021794A
Authority: KR
Inventors: 피터 제이 버크; 크리스토퍼 엠 루더글렌
Original assignee: 더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
Priority date: 2007-04-12
Filing date: 2008-04-11
Publication date: 2009-12-16
Also published as: WO2009002588A3; CN101796117A; US20100144296A1; WO2009002588A2

Abstract

진폭 변조(AM) 신호의 복조기로서 탄소 나노튜브(CNT)를 이용하는 방법 및 시스템이 여기서 개시된다. CNT의 비선형 전류-전압(I-V) 특성으로 인해, CNT는 CNT로 하여금 진폭 변조(AM) RF 신호의 복조기로서 기능하게 하는 인가된 RF 신호의 정류를 유도한다. 동작점이 I-V 곡선의 최대 부분에 집중되도록 CNT를 적절히 바이어싱함으로써, CNT의 복조 효과가 최대화될 수 있다. 본 발명은 가능한 나노스케일 무선 통신 시스템, 예컨대 나노스케일 라디오에 대해서 유용하다.

Description

무선 통신 및 무선 전송용 탄소 나노튜브{CARBON NANOTUBES FOR WIRELESS COMMUNICATION AND RADIO TRANSMISSION}

본 발명은 탄소 나노튜브에 관한 것으로서, 특히 진폭 변조(AM) 신호의 복조기로서 이용되는 탄소 나노튜브(CNT)에 관한 것이다.

고주파 전자 장치에서 구성요소로서 탄소 나노튜브(CNT)의 이용은 큰 이동도, 높은 상호 콘덕턴스, 및 긴 자유 경로와 같은 양호한 특성들로 인해 많은 주목을 받아왔다. 고주파 전계 효과 트랜지스터로서 CNT의 인기 있는 응용과는 별개로, CNT의 다른 성공적인 응용은 RF 검출기 및 믹서로서 이용하는 것을 포함한다. 나노튜브의 전기적 특성 및 매우 작은 크기로 인해 나노튜브는 나노스케일 장치의 실현을 위한 후보로서 유망하다.

진폭 변조(AM) 신호의 복조기로서 탄소 나노튜브(CNT)를 이용하는 시스템 및 방법이 여기서 기술된다. CNT의 비선형의 전류-전압(I-V) 특성으로 인해, CNT는 인가된 RF 신호의 정류를 유도하며 진폭 변조(AM) RF 신호의 복조기로서 CNT를 기능하게 할 수 있다. I-V 곡선의 최대 부분에 동작점의 중심이 위치하도록 CNT를 적절히 바이어스 인가함으로써, CNT의 복조 효과는 최대화될 수 있다. 본 발명은 가능한 나노스케일 무선 통신 시스템, 즉 나노스케일 라디오에 유용하다.

본 발명의 다른 시스템, 방법, 특징 및 이점에 대해서 당업자라면 다음의 도면을 참조한 상세한 설명으로부터 명확히 이해할 수 있을 것이다. 이러한 모든 부가 시스템, 방법, 특징 및 이점은 이러한 설명 내에 포함되고, 발명의 범위 내에 있으며, 첨부되는 청구범위에 의해서 보호된다고 의도하는 바이다. 또한 본 발명은 예증의 실시예들의 상세를 필요로 하는 것에 제한되는 것이 아니다.

도 1은 일례의 실시예에 따른 진폭 변조(AM) 복조기로서 CNT의 이용을 보여주는 테스트 설정을 도시하고 있다.

도 2a는 반도체 CNT의 소스-드레인 차동 컨덕턴스 대 게이트(기판) 전압의 도면이다.

도 2b는 CNT의 전류-전압(I_DS 대 V_DS) 곡선을 도시하고 있다.

도 3a는 바이어스 전압 V_B에 대한 복조된 전류 및 │d²I/dV²│의 비교를 도시함으로써 이 둘 사이의 양호한 매칭을 보여주고 있다.

도 3b는 I가 V_RF ²에 비례함을 나타내는 100 ㏀ 양단간의 동기 증폭기에 의해서 검출된 선형 변조 전류를 도시하고 있다(f=1 GHz, P=0 dBm, f_mod=13 Hz).

도 4는 변조 주파수에 대해서 측정된 복조 전류 진폭을 도시하고 있다(f=1 GHz, P_wr=-5 dBm, R=100 Ω, V_BB=2 V).

도 5a는 주파수＞2 GHz에서 기생 용량이 RF 신호를 단락하는 복조 신호 대 주파수를 도시하고 있다.

도 5b는 RF 등가 회로의 개략도이다.

도 6은 일례의 실시예에 따른 CNT 기반 라디오를 도시하고 있다.

이후 개시되는 추가 특징들 및 교시 내용 각각은 진폭 변조(AM) 라디오 신호의 탄소 나노튜브 복조기를 제공하기 위한 다른 특징들 및 교시 내용과 관련하여 혹은 별개로 이용될 수 있다. 별개로 혹은 조합하여 많은 추가 특징 및 교시 내용을 실시예가 이용하는 본 발명의 전형의 실시예에 대해서는 첨부 도면을 참조하여 보다 더 상세히 설명하기로 한다. 당업자라면 이러한 상세한 설명이 본 교시 내용의 양호한 형태들을 실시하기 위한 추가 상세를 단지 교시하는 것이며 발명의 범위를 제한하려는 의도가 아님을 이해할 것이다. 그러므로 이어지는 상세한 설명에서 개시된 특징들 및 단계들의 조합이 반드시 광범위하게 발명을 실시할 필요는 없으며, 단지 본 교시 내용의 전형의 실시예를 특별히 기술하기 위한 의도이다.

더욱이 전형의 실시예들의 각종 특징 및 종속항은 본 교시 내용의 추가적인 유용한 실시예들을 제공하기 위해 특별히 명시적으로 열거되지 않는 방식으로 결합 가능하다. 또한, 상세한 설명 및/또는 청구항들에서 개시된 모든 특징들은 원래의 개시 내용의 목적으로 뿐만 아니라 실시예들 및/또는 청구항들에서 특징들의 구성요소에 종속하지 않는 청구된 주제를 제한할 목적으로 서로 별개로 그리고 독립적으로 개시될 의도임을 명확히 주목해야 한다. 또한 엔티티(실체) 그룹의 표시 또는 모든 값의 범위가 원래의 개시 내용의 목적으로 뿐만 아니라 청구된 주제를 제한할 목적으로모든 가능한 중간 엔티티 또는 중간값을 개시하는 것임에 주목해야 한다.

여기서 제공된 실시예는 일반적으로 탄소 나노튜브(CNT)가 진폭 변조(AM) 신호의 복조기로서 이용되는 시스템 및 방법에 관한 것이다. CNT를 AM 복조기로서 이용하는 것을 보여주는 실험 결과는 이어서 Hi-Fi 오디오를 복조할 수 있는 일례의 CNT 기반 라디오가 제시된다. CNT 기반 AM 복조기는 무선 분야에서 나노 기술의 이용을 보여주고 있다.

실험은 100 KHz까지 변조 주파수로 CNT 기반의 AM 복조기를 보여주도록 행해졌다. 도 1은 실험용으로 이용된 테스트 설정의 개략을 보여주고 있다. 설정은 시험되는 CNT 장치(10)를 포함하였다. 반도체 CNT를 가진 총 4 개의 장치(10)가 테스트되었다.

테스트 장치(10)를 제조하기 위해 탄소 나노튜브는 고주파수에서 기생 용량의 위험적 영향을 최소화하기 위해 고 비저항(high resistivity) Si 웨이퍼(＞8000Ω cm )에서 합성되었다. 광학 리소그래피를 이용하여 웨이퍼 상에서 촉매 영역이 패턴화되었고 1 시간의 소니케이션(sonication) 후 100 mM FeCl 촉매의 수용성 용액이 10 초 동안 가해지고 DI 물로 린스되었다. 나노튜브는 Z. Yu, S. Li, P.J. Burke의 "밀리미터 길이의 직선 싱글 벽형 탄소 나노튜브의 정렬 어레이 합성(Synthesis of aligned arrays of millimeter long, straight single walled carbone nanotubes)"(Chem. Maste 2004년, 16(18) 3414-3416) 논문과 S. Li, Z. Yu, C. Rutherglen, P. J. Burke의 " 0.4 cm 길이의 싱글 벽형 탄소 나노튜브의 전 기적 특성(Electrical properties of 0.4 cm long single walled cabon nanotubes)"(Nano Lett. 2004, 4(10), 2003-2007) 논문에 상세히 기술된 CVD 성장 공정을 이용하여 합성되었다. 나노튜브 성장에 이어서, 50 ㎛의 갭 공간과 300 ㎛의 폭을 가진 나노튜브 상에서 Pd(20 nm)/Au(80 nm) 전극이 증발되었다. 갭을 브릿징하는 싱글 CNT를 가진 샘플들 만이 실험에서 이용되었다. 도 1에는 연구 하의 나노튜브(14)들 중 하나의 SEM 이미지(12)가 도시되고 있다. 고주파 측정을 수행하기 위해 도 1에 도시한 바와 같이 샘플 장치(10)를 연결하는 마이크로스트립 라인(22,24)과 SMA 커넥터(18,20)의 쌍으로 마이크로웨이브 마운트(15) 상에서 샘플 장치(10)가 결합되었다. 반도체 CNT를 가진 총 4 개의 장치(10)가 테스트되었고 이들 모두는 AM 복조기로서 기능할 수 있었다. 도 2a는 연구 하의 반도체 CNT의 컨덕터스 대 게이트 전압의 도면을 도시하고 있다.

복조기로서 나노튜브 용도의 특정 특징들을 결정하기 위해, 도 1에 도시한 테스트 설정이 이용되었다. 진폭 변조 기능이 있는 애질런트의 E4428 신호 발생기가 RF 소스 송신기(TX)(30)로서 기능하며 미니회로 0.1-6000 MHz 바이어스 티(35)를 통해 샘플 장치(10)로 공급되었다. 0.1-100 KHz의 정현 변조 주파수가 80% 변조 깊이로 RF 캐리어를 진폭 변조(AM)하기 위해 사용되었다. 감지 저항(40) 및 동기 증폭기(SR-810)(도 1에 도시 안됨)와 함께 CNT(10)는 이러한 설정에서 수신기(RX)로서 기능한다. 감지 저항(40) 양단 간의 전압 강하는 동기 증폭기에 입력된다. RF 캐리어로부터의 변조 신호의 추출은 변조 주파수로 동조되고 감지 증폭기(40) 양단간의 신호의 전압 강하를 측정하기 위해 사용되는 동기 증폭기 및 CNT에 의해서 수 행되었다.

CNT는 그의 비선형 전류-전압(I_DS 대 V_DS) 특성으로 인해 진폭 변조된 RF 신호를 복조할 수 있다. 이러한 비선형성은 1차로 다음, 즉

[수학식 1]

와 같이 표현 가능한 인가된 RF 전류의 일부분을 정류할 수 있음을 보여주고 있으며, 여기서 인가된 RF 신호의 전압은 V_RF, 2차 도함수는 CNT 자체의 비선형 전류-전압(I_DS 대 V_DS) 특성을 나타낸다. 복조된 신호는 이러한 관계를 매우 잘 따름을 발견하였다. 도 2b에 도시한 I-V 궤적의 수치적 2차 도함수의 절대치와 복조된 신호를 비교하면, 둘은

임을 지지하는 형태로 거의 동일함을 도 3a에서 알 수가 있다. 더욱이 검출된 출력 신호와 인가된 RF 전력(그 자체가 V_RF ²에 비례하는) 간의 비례 관계는 도 3b에 도시한 바와 같이 I_rectified∝V_RF ²임을 나타내는 비선형으로 측정되었다.

복조 신호의 최대화는 CNT의 적절한 바이어싱을 통해서 달성 가능하다. 도 3a에서 명확한 바와 같이, 동작점이 I-V 곡선의 최대 비선형 부분에 중심이 위치하도록 CNT를 바이어싱함으로써 최대 복조를 얻을 수가 있다. 나노튜브의 고유의 대칭성으로 인해 이러한 두 동작점이 ±1 V에서 존재한다. 최대 전류 응답도는 125 ㎁/㎽로 측정되었고 백 게이트 전압과는 무관함을 발견하였다.

CNT 저항이 100 ㏀ 정도라고 하면, RF 관점에서 CNT와 전송선의 50 Ω 특성 임피던스 사이에 큰 임피던스 부정합이 존재함으로써, CNT 이탈 강한 마이크로웨이브 신호 반사가 될 것이다. 소스로부터 가용한 전력이 P_AVS=V_RF ²/8Z₀이고 수학식 1을 이용하여 CNT에서 RF 전압이 Z_CNT≫Z₀로 인해 V_RF이므로, CNT 복조기의 응답도에 대해서 I/P_AVS=2(d²I/dV²)를 얻는다. 이러한 분석용 회로는 도 5b에서 제시된다. 이는 CNT의 저항은 CNT의 2차 도함수가 동일하는 한 장치의 응답도와 무관함을 나타낸다. 2차 도함수에 대한 최대 측정치를 4 ㎂/㎽/V²로 취하면, 125 ㎂/㎽에 견줄 수 있는 400 n/㎽의 응답도에 도달한다.

100 ㎑까지 변조 신호 검출 시 장치의 효율성은 경험적 설정의 외인성 파라미터에 의해서 제한된다고 발견되며, CNT 자체로 인한 것은 아니다. 감지 저항과 결합하는 동출 케이블과 바이어스 티 내의 용량으로 인해, RC 저역 통과 필터가 수립됨으로써, 복조된 신호의 고 오디오 주파수에서 롤 오프를 산출한다. 이러한 영향을 최소화하기 위해 감지 저항과 바이어스 티의 캐패시터는 100 Ω 및 100 ㎊로 각각 감소된다. 롤 오프는 가청의 상부 범위 이상인 도 4에 도시한 바와 같이 40 ㎑에서 -3 dB 코너를 갖도록 측정된다. 바이어스 티의 인덕터로 인한 신호 손실은 100 ㎑에서 -1.5 dB로 측정되었는데, 이는 다른 감쇠원에 견주어 그다지 심각하지 않다. 예상한 바와 같이 고 캐리어 주파수(＞2 GHz)에서 기생 용량은 도 5a에 도시 한 바와 같이 수신 신호에서 강한 저하를 가져온다. 이것은 주로 사용된 비교적 큰 접촉 패드(300 ㎛ × 1000 ㎛)로 인한 것이다.

노이즈 측정은 1 ㎓의 캐리어 주파수 및 2.5 V의 바이어스 전압에서 동작하는 CNT 복조기 시스템에서 수행되었다. 동기 증폭기, 감지 저항 및 CNT로부터의 노이즈를 포함하는 시스템 전압-잡음 밀도는 1 ㎑의 오디오 주파수에서

40×10^-9(V/Hz^1/2)로 측정되었다. 100 ㏀의 장치 저항과 함께 125 nA/mW의 측정된 응답도 β₁을 이용함으로써 노이즈 등가 전력(NEP)은

을 이용하여 계산되어 3nW/Hz^1/2이다. 이것은 CNT 자체의 노이즈 등가 전력에 대한 상한이다.

상기 효과를 이용하면, CNT 기반 라디오 수신기에 대한 간단한 설계를 보여준다. 도 6은 일례의 실시예에 따른 CNT 라디오의 개략(112)과 CNT 라디오에 대한 테스트 설정(108)을 도시하고 있다. 테스트 설정에서 CNT는 마이크로웨이브 마운트에 결합된다. 여기서 탄소 나노튜브(110)는 수신기의 AM 복조기로서 중요한 역할을 한다. 복조의 송신기 부분은 신호 발생기(130)를 이용하여 Ipod에 의한 음악으로 외부적으로 진폭 변조(AM)되어 무선 방송을 위한 다이폴 TX 안테나(150)에 공급되는 1 GHz RF를 생성한다. 수신기 측에서 RX 안테나(152)는 1 GHz RF 신호를 픽업하여 그것을 바이어스 티(135)를 통해 정류되는 탄소 나노튜브(10) 상에 공급한다. TX와 RX 안테나(150,152) 사이의 간격은 약 1m로 제한되나 복조를 위해 CNT에 수신 신호를 송신하기 전에 수신 신호를 부스트하도록 간단히 표준 전단 전치 증폭기를 구비함으로써 개선될 수 있다. 1.5 V 배터리(160)를 사용하여 최대 복조를 위해 CNT(110)를 적절히 바이어스한다. 다음에 차동 전치 증폭기(162)는 감지 저항(140) 양단 간의 전압 강하를 증폭하고, Hi-Fi 오디오는 오디오 방송용 스피커(165)에 공급된다. CNT에 의해서 복조된 신호의 오디오 품질은 매우 클리어하여 직접 음악을 청취하는 사람의 귀로는 구별이 불가능하다. 비록 일례의 CNT 기반 라디오가 오디오로 신호 진폭 변조(AM)된 것으로 설명되었지만, CNT 기반 라디오는 또한 다른 데이터, 예컨대 디지탈 데이터로 변조된 신호 진폭에 대해서도 이용 가능하다.

장치 성능을 길이의 함수로서 최적화하는 방법을 예측하기 위해 나노튜브 I-V 곡선과 그의 선형성에 대한 양적인 상세한 이론을 필요로 할 것이다. 비록 수치적인 시뮬레이션 코드가 나노튜브 I-V 곡선을 예측할 수 있을지라도, 길이의 함수로서 CNT의 비선형성의 상세한 연구가 아직 수행되지 않았다. 이러한 연구의 부재로 우리는 비선형성을 최대화하기 위해 CNT 길이를 최적화하기 위한 일반적인 물리적 원리에 기반해서 예측할 수가 있다.

I-V에서의 비선형이 광자 산란 프로세스로부터 비롯되었다고 고려하면, 이러한 비선형 영향을 최대화함으로써 CNT 복조기의 응답도를 더욱 최적화할 수가 있다. 일반적으로 이것은 나노튜브의 길이를 최적의 값으로 감소함으로써 달성 가능하다. 저 전압 체계 혹은 고 전압 체계에 있는지 여부에 따라 지배적인 산란 메카니즘은 음향 광자 산란 또는 광학 광자 산란이 될 것이다. 이러한 영역들 각각의 한계에서 나노튜브 I_DS 대 V_DS의 기울기는 G=(4e²/h) × l_i(l_i + L)로 표현 가능하며, 여기서 L은 나노튜브의 길이이고, l_i는 고 바이어스 전압 체계에서의 광학 양자 산란을 위한 l_op ~ 15 nm 및 저 바이어스 체계에서의 음향 광자 산란을 위한 l_ap ~ 300 nm과 동일하다. 비선형성은 일반적으로 어느 정도 길이의 나노튜브를 고려함으로써 최대화될 수 있는, 하나의 우세한 산란 메카니즘에서 다른 메카니즘으로의 바이어스 전압 전이가 두 영역 사이의 I-V의 기울기에서 가장 큰 차이를 가져오는 경우를 입증한다. 예컨대 상기한 평균 자유 경로 길이를 일반적으로 정확하다고 고려하면, 기울기의 차이는 나노튜브 길이가 약 100 nm인 경우 최대화된다. 나노튜브 길이가 더욱 감소되면, 탄도성 전송이 지배하고 I-V의 비선형성이 다시 감소된다. 긴 나노튜브(＞10 ㎛)의 경우 다른 산란 프로세스가 분석을 더욱 복잡하게 하는 결함 유기 탄성 산란과 같이 중요하게 될 것이다. 접촉부에서 쇼트키 장벽과 같은 비선형의 I-V 특성에 대해서 통상적으로 역할을 하는 다른 메카니즘은 Pd 오옴성 접촉부의 이용으로 인한 무시할 수 있는 기여였다. 더욱이 금속 및 반도체 CNT 둘다는 이러한 행동을 디스플레이하기 때문에, 이러한 스케일링 인자는 두 경우에 적용될 수 있다. 이처럼 비록 관측된 비선형성이 다소 마일드할지라도 세심한 최적화를 통해서 현저하게 향상될 수가 있다.

본 발명이 각종 수정 및 대안의 형태가 가능하며 본 발명의 특정 실시예들이 도면에서 도시되고 본 명세서에서 상세히 기술되었다. 그러나 본 발명은 특정 형태 또는 개시된 방법에 제한되지 않음에도 불구하고 본 발명은 청구항의 사상 및 범위내에 속하는 모든 수정, 등가물 및 대안예를 망라한다.

그러므로 우리는 라디오 수신기에서 진폭 변조(AM) 신호를 복조하기 위해 탄소 나노튜브의 이용을 성공적으로 입증하고 분석했다. 나노튜브 복조기는 라디오 수신기의 중요한 구성요소(복조기)가 나노튜브를 이용하여 나노스케일로 실현될 수 있어 진실로 나노스케일 무선 통신 시스템의 실현에 중요한 단계를 제공함을 입증하고 있다.

Claims

진폭 변조(AM) 신호를 복조하기 위한 방법으로,

복조 신호를 발생하기 위해 상기 AM 신호를 탄소 나노튜브에 인가하고,

상기 복조 신호를 증폭하는 것을 포함하는 진폭 변조 신호 복조 방법.
제1항에 있어서, 상기 증폭된 복조 신호를 스피커에 공급하는 것을 더 포함하는 것인 진폭 변조 신호 복조 방법.
제1항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브를 전압 바이어스하는 것을 더 포함하는 것인 진폭 변조 신호 복조 방법.
제3항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브는 상기 탄소 나노튜브의 전류-전압(I-V) 곡선의 최대 비선형 부분에 집중되는 바이어스 전압으로 바이어스되는 것인 진폭 변조 신호 복조 방법.
제1항에 있어서, 상기 진폭 변조는 100 KHz까지의 주파수 범위 내에 있는 것인 진폭 변조 신호 복조 방법.
진폭 변조(AM) 라디오 수신기로서,

안테나와,

상기 안테나와 결합하며 탄소 나노튜브를 포함하는 AM 복조기와,

상기 AM 복조기에 결합된 증폭기

를 포함하는 진폭 변조 라디오 수신기.
제6항에 있어서, 상기 탄소 나노튜브를 바이어스하는 바이어스 전압원을 더 포함하는 것인 진폭 변조 라디오 수신기.
제7항에 있어서, 상기 바이어스 전압원은 상기 탄소 나노튜브의 전류-전압(I-V) 곡선의 최대 비선형 부분에 집중되는 바이어스 전압으로 상기 탄소 나노튜브를 바이어스하는 것인 진폭 변조 라디오 수신기.
제6항에 있어서, 상기 증폭기의 출력에 결합된 스피커를 더 포함하는 것인 진폭 변조 라디오 수신기.
제6항에 있어서, 복조 신호를 감지하기 위해 상기 탄소 나노튜브에 결합된 감지 저항을 더 포함하며, 상기 증폭기는 상기 감지 저항 양단 간 전압 강하를 증폭하도록 구성되는 것인 진폭 변조 라디오 수신기.