This dissertation presents a nanowire array radio utilizing mechanical resonance fabricated from a vertically aligned nanowire array using only UV lithography and pyrolysis process which are well developed in industrial field for a long time. Recently, a NEMS concept of a nanoradio was introduced, which uses a carbon nanotube (CNT) as a field emitter and exploits mechanical resonance for radio operation. However, a CNT in a nanoradio has many drawbacks in terms of manipulation and positioning after a bottom-up synthesis process, which makes it unsuitable for additional applications.
In this dissertation, a nanoantenna from a vertically aligned nanowire array fabricated by a top-down method based on a modified UV lithography process is presented, which makes manipulation and positioning possible intrinsically for additional applications. By exploiting the field emission phenomenon, the nanowire array functions as a nanoantenna with a demodulator without any electrical circuitry.
In fabrication process, the fabrication method of high aspect ratio SU-8 nanowire array is proposed which has the advantage of controlling their position and shape due to a conventional lithography in comparison to the buttom up method. Pyrolyzed carbon nanowire is fabricated by photolithography and photoresist thermal decomposition at high temperatures in inert atmosphere. After that, ITO is evaporated by e-beam evaporator for use as a durable field emitter with a low turn-on voltage. ITO has good transparence characteristics in the visible region of the electromagnetic spectrum while maintaining high electrical conductivity, thermal stability, and oxidation resistance. In field emission experiment, vertically aligned ITO-coated nanowire array was applied to field emitter arrays (FEAs) and the characteristics of the FEAs are investigated.
In nanoantenna experiment, the received EM wave is tuned and demodulated successfully by the resonance of the nanowire. The nanowire array works as an antenna, a tuner, and a demodulator simultaneously without any electrical circuitry for a radio.
본 논문에서는 고종횡비 ITO 나노선 어레이를 이용한 나노기계안테나에 관하여 기술하였다. 이 안테나는 기존의 공정에서 개발되어 안정된 사진 식각 공정 및 열분해공정을 거쳐 나온 나노선 위에 ITO를 코팅하여 만들며 나노선 어레이의 필드에미션 특성과 고유공진을 이용하여 동작하게 된다. 최근 CNT를 이용한 나노라디오 발표되어 많은 관심을 끌고 있고 이것은 CNT 어레이의 필드에미션 특성과 고유 공진을 이용하여 동작한다. 하지만 CNT를 필드에미터로 쓰기 위해서는 CNT의 정확한 위치와 크기, 그리고 수직 성장이 필요한데 bottom-up 방식으로 성장시킨 CNT로서는 이것에 한계가 있고, 따라서 추후의 응용단계에서 사용에 많은 문제점을 갖고 있다. 본 논문에서는 top-down 방식의 공정을 채택하여 위의 문제를 해결하였다. 사진 식각 공정에서는 UV 광량 조절 및 회절 현상을 이용하여 SU-8 나노선을 제작하고 열분해공정을 이용하여 탄소나노선을 제작한다. 이때, 나노선이 수축을 하여 더욱 미세한 나노선을 제작할 수 있다. 이후 낮은 턴 온 전압과 필드에미션 환경에 잘 견디기 위해 ITO를 코팅하게 된다. 실험에 의해 측정된 턴 온 전계강도는 2.0 V/μm이며 β는 3,078이다. 필드에미션 특성과 고유 공진을 이용하여 나노기계안테나는 전기회로 없이 복조기능을 수행한다. 실험에 의해서 외부에서 전달된 전자기파가 고유공진을 이용하여 복조됨을 확인하였다. 나노선은 전기회로 없이 안테나, 튜너, 복조기의 역할을 동시에 수행하였다. 그리하여 송신된 신호와 수신된 신호가 동일함을 파형분석기와 실제로 귀로 들음으로써 확인하였다. 제안된 나노기계안테나는 향후 초미세통신 시스템의 여러 응용분야에 활용될 것으로 기대된다.
