KR101476258B1

KR101476258B1 - 위폐 감별용 자기센서

Info

Publication number: KR101476258B1
Application number: KR20130126799A
Authority: KR
Inventors: 정재훈
Original assignee: 기산전자 주식회사
Priority date: 2013-10-23
Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2014-12-24

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 위폐 감별용 자기저항셀은 하부전극 및 상부 전극 사이에 배치되며 자기를 감지하는 자기저항층을 포함한다. 상기 자기저항층은 높이 방향에 수직인 단면에서 단축 대비 장축의 비가 1:2를 유지하며, 상기 장축은 지폐의 감별 대상면과 45°의 각도로 배치된다.

Description

위폐 감별용 자기센서{MAGNETIC SENSOR HAVING THE SAME FOR DETECTING COUNTERFEIT MONEY}

본 발명은 위폐 감별용 자기센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 위폐 감별을 위해 구성되는 자기저항셀, 자기저항셀 어레이, 및 이를 구비하는 자기센서에 관한 것이다.

지폐 위조는 지폐 발행권자가 아닌 자가 일반인이 진짜 지폐라고 오인할 수 있을 정도의 가짜 지폐를 제조하는 것을 의미한다. 지폐 위조를 방지하기 위해 세계 각국에서는 진폐와 위조 지폐를 구별할 수 있도록 지폐에 위조, 변조 방지 요소를 넣어서 지폐를 발행한다.

이러한 위조, 변조 방지 요소로는 용지 제작과정에서 만들어지는 숨어있는 그림(은화)과 부분 노출 은선 등이 있으며, 이는 복사물에는 나타나지 않거나 진폐와 동일하게 재현되지 않기 때문에 이를 통해 위조, 변조 확인이 가능하다. 그리고 지폐를 보는 각도에 따라서 모양이 변하거나 색상이 변하는 형태의 지폐를 발행하는 나라도 있다. 또한 특수 잉크나 인쇄 방법을 이용하여 특정 부분을 만지면 볼록한 촉감을 느끼게 하거나, 복사시에는 원래대로 재현되지 않는 미세문자 등을 지폐에 넣어서 발행하는 나라도 있다.

그러나 전세계적으로 최근 10년 동안 발견되는 위조 지폐 수는 꾸준히 증가하고 있으며, 위조 지폐 제작 장비나 재료, 기술 등이 최첨단화됨에 따라 위조 지폐가 날이 갈수록 정교하고 진폐와 유사하게 제조되고 있다.

이러한 이유로 화폐에 포함된 위조, 변조 방지 요소만으로는 위조 지폐를 감별하기 어려워짐에 따라서 최근에는 위조 지폐를 감별하기 위한 별도의 장비를 제작하고 있다. 즉, 지폐에 인쇄된 잉크 등에 의한 자기적 특성 또는 컬러 특성을 분석함으로써, 위조 지폐의 여부를 감별하는 방법에 대한 기술이 제안되고 있다. 본 발명과 관련된 선행기술로는 한국 공개특허공보 제2010-0113904 호(2010.10.22.공개, 발명의 명칭 : 위폐 판별 방법, 장치 및 판별기)가 있다.

본 발명은 감별 대상 지폐에 인쇄된 잉크의 자기 성분을 정밀하게 검출할 수 있는 고감도의 자기센서의 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 위폐 감별용 자기저항셀은 하부전극 및 상부 전극 사이에 배치되며 자기를 감지하는 자기저항층을 포함한다. 상기 자기저항층은 높이 방향에 수직인 단면에서 단축 대비 장축의 비가 1:2를 유지하며, 상기 장축은 지폐의 감별 대상면과 45°의 각도로 배치된다.

일 실시 예에 있어서, 상기 자기저항층은 타원형 또는 다각형의 상기 단면 형상을 구비할 수 있다.

다른 실시 예에 있어서, 상기 자기저항층은 상기 하부전극 상에 배치되는 기둥 형태의 구조물일 수 있다.

또다른 실시 예에 있어서, 상기 하부 전극은 전류 인가용 제1 하부전극패턴 및 전압 측정용 제2 하부전극패턴을 구비하고, 상기 상부 전극은 전류 인가용 제1 상부전극패턴 및 전압 측정용 제2 상부전극패턴을 구비할 수 있다.

또다른 실시 예에 있어서, 상기 하부전극은 순차적으로 적층된 Ta층, NiFe층, IrMn층, CoFe층 및 Ru층을 포함하는 구조물을 이고, 상기 자기저항층은 순차적으로 적층된 CoFe층, Cu층, CoFe층 및 NiFe층을 포함하는 구조물이고, 상기 상부전극은 Au층을 포함하는 구조물일 수 있다.

또다른 실시 예에 있어서, 상기 하부전극은 순차적으로 적층된 Ta층, Ru층, Ta층, PtMn층, CoFe층 및 Ru층을 포함하는 구조물이고, 상기 자기저항층은 순차적으로 적층된 CoFe층, CoFeB층, MaO층, CoFeB층, Ta층을 포함하는 구조물이고, 상기 상부전극은 Au층을 포함하는 구조물일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 위폐 감별용 자기저항셀 어레이는 지폐의 감별 대상면을 따라 배열되는 복수의 자기저항셀을 포함한다. 상기 자기저항셀은 하부전극 및 상부 전극 사이에 배치되는 자기저항층을 포함한다. 상기 자기저항층은 높이 방향에 수직인 단면에서 단축 대비 장축의 비가 1:2를 유지하며, 상기 장축은 지폐의 감별 대상면과 45°의 각도로 배치된다.

일 실시 예에 있어서, 상기 하부전극은 상기 복수의 자기저항셀이 서로 공유하는 전류 인가용 제1 하부전극패턴 및 전압 측정용 제2 하부전극패턴을 구비하고, 상기 상부전극은 상기 복수의 자기저항셀 각각에 대하여 전류 인가용 제1 상부전극패턴 및 전압 측정용 제2 상부전극패턴을 구비할 수 있다.

또다른 실시 예에 있어서, 상기 자기저항셀은 상기 감별대상면의 일 측방향을 따라 0.2 mm 내지 3 mm 간격으로 배치될 수 있다.

본 발명의 또다른 측면에 따른 위폐 감별용 자기센서는 감별대상면의 일측방향을 따라 0.2mm 내지 3 mm 간격으로 자기저항셀이 배열되는 셀어레이를 포함한다. 상기 자기저항셀은 자기를 감지하는 자기저항층이 감별대상면과 평행한 기둥 형태의 구조물이고, 상기 자기저항층은 높이 방향에 수직인 단면에서 단축 대비 장축의 비가 1:2를 유지하며, 상기 장축은 지폐의 감별 대상면과 45°의 각도로 배치된다.

일 실시 예에 따르면, 상기 자기저항층과 상기 감별대상면 사이에 배치되어, 상기 지폐의 자기성분을 상기 자기저항층으로 집중시키는 플럭스 집중기(flux concentrator)를 더 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 자기저항층의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따르는 위폐 감별용 자기저항 소자를 개략적으로 나타내는 투시도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따르는 위폐 감별용 자기저항셀의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 자기저항층을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 자기저항층과 감지대상 지폐의 배치를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따르는 자기저항층과 감지대상 지폐의 배치를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 위폐 감별용 자기저항셀 어레이를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 8 내지 도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 위폐 감별용 자기저항셀의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 있어서 자기전도 특성을 평가하기 위한 자기저항층과 지폐의 배치를 나타내는 도면이다.
도 19는 자기저항층의 장축과 지폐의 감별 대상면이 이루는 각도를 예시적으로 도시하는 도면이다.
도 20 내지 도 22는 본 발명의 실시 예에 따르는 외부 인가 자기장에 따르는 자기저항비(MR ratio)의 변화를 측정한 그래프이다.

본 발명의 실시예의 기재에서 "제1" 및 "제2"와 같은 기재는 부재를 구분하기 위한 것이며, 부재 자체를 한정하거나 특정한 순서를 의미하는 것으로 사용된 것은 아니다. 또한, 어느 부재의 "상"에 위치하거나 “상부” 또는 ”하부”, “측면”에 위치한다는 기재는 상대적인 위치 관계를 의미하는 것이지 그 부재에 직접 접촉하거나 또는 사이 계면에 다른 부재가 더 도입되는 특정한 경우를 한정하는 것은 아니다. 또한, 어느 한 구성 요소가 다른 구성 요소에 “연결되어” 있다거나 “배치되어 있다”의 기재는, 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수 있으며, 또는, 중간에 다른 별도의 구성 요소들이 개재되어 연결 관계 또는 접속 관계를 구성할 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 실질적으로 동일한 구성 요소들을 의미할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 자기저항층의 구조를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 1의 (a)와 (b)를 참조하면, 상기 자기저항층은 자유층(1), 버퍼층(2) 및 고정층(3)을 구비한다. 고정층(3)은 내부의 자기 스핀이 고정된 층이며, 자유층(1)은 외부의 자기장에 영향을 받아 자기 스핀이 변화하는 층이다. 버퍼층(2)은 자유층(1)과 고정층(3) 사이의 완충층으로서, 자기저항층이 거대자기저항(GMR) 물질층인 경우 전기적 전도성을 가지며, 자기저항층이 터널자기저항(TMR) 물질층인 경우 전기적 절연성을 가질 수 있다.

도 1의 (a)에서와 같이, 자유층(1) 및 고정층(3)의 자기 스핀 방향이 다른 경우에는 자기저항층 내부의 전기 저항이 상대적으로 증가한다. 도 1의 (b)에서와 같이, 자유층(1) 및 고정층(3)의 자기 스핀 방향이 같은 경우는 자기저항층 내부의 전기 저항이 상대적으로 감소한다. 이와 같이, 외부 자기력에 따라 물질층 내부의 전기 저항이 변화하는 자기저항층의 특성을 이용함으로써, 외부 자기력을 감지하는 자기센서를 구현할 수 있게 된다.

도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따르는 위폐 감별용 자기저항 소자를 개략적으로 나타내는 투시도이다. 도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따르는 위폐 감별용 자기저항셀의 회로도이다. 도 2를 참조하면, 위폐 감별용 자기저항 소자(100)는 2개의 위폐 감별용 자기저항셀을 구비한다. 제1 위폐 감별용 자기저항셀(10)은 하부 전극(120), 자기저항층(130a) 및 상부 전극(142a, 144a)를 구비한다. 제2 위폐 감별용 자기저항셀(20)은 하부 전극(120), 자기저항층(130b) 및 상부 전극(142b, 144b)를 구비한다. 하부 전극(120)는 제1 위폐 감별용 자기저항셀(10) 및 제2 위폐 감별용 자기저항셀(20)이 공유하도록 구성될 수 있다. 하부 전극(120)은 제1 하부전극 패드(122a) 및 제2 하부전극 패드(122b)와 연결될 수 있다. 자기저항층(130a, 130b)와 인접하여, 감지 대상인 지폐(200)가 배치될 수 있다.

도 3은 위폐 감별용 자기저항셀 회로의 일 예로서, 자기저항층(130a)과 연결된 회로를 개략적으로 도시하고 있다. 자기저항셀(10)은 자기저항층(130a)과 연결된 2개의 상부 전극(142a, 144a)와 2개의 하부전극 패드(122a, 122b)를 구비할 수 있다.

자기저항셀(10)의 구동 방법은 다음과 같다. 2개의 상부 전극(142a, 144a) 중 선택되는 어느 하나와 2개의 하부전극 패드(122a, 122b) 중 선택되는 어느 하나 사이에 전류를 인가하고, 2개의 상부 전극(142a, 144a) 중 나머지 하나와 2개의 하부전극 패드(122a, 122b) 중 나머지 하나 사이에 걸리는 전압을 측정한다. 감지 대상인 지폐(200)가 자기저항층(130a)에 인접하여 배치될 때 인쇄된 잉크의 자기 성분에 의해 자기저항층(130a)의 저항이 변화할 수 있다. 이에 따라, 상기 전기 회로를 따라 측정되는 전압이 변화할 수 있다. 이와 같이, 측정 전압의 변화를 통해 감지 대상인 지폐의 자기 성분을 검출할 수 있다.

비록, 본 실시 예에서는 하나의 자기저항층(130a)에 각각 2개의 상부 전극(142a, 144a) 및 2 개의 하부전극 패드(122a, 122b)가 구성되는 경우를 설명하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 도시되지 않은 다른 실시 예에서는, 하나의 자기 저항층(130a)에 1개의 상부 전극 및 1 개의 하부 전극 패드가 구성되고, 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 패드가 전류 인가와 전압 측정을 함께 수행할 수도 있다.

도 2를 다시 참조하면, 하부 전극(120)은 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 기판(110)은 자기저항셀(10, 20)을 지지하는 역할을 수행하는 조건을 만족하는 한 재질에 제한은 없다. 기판(110)은 일 예로서, 실리콘 기판, 실리콘 산화막 기판, 쿼츠 기판 등일 수 있다. 하부 전극(120)은 전도성 물질을 포함하며, 일 예로서, Ta, Ru, Ta, PtMn, CoFe, Ru 등의 금속을 포함할 수 있다. 하부 전극(120)은 상술한 금속을 포함하는 복층의 구조물일 수 있다. 하부 전극(120)은 자기저항층(130a, 130b)을 구성하는 고정층의 자기 스핀을 고정시키는 역할을 하는 물질층을 포함할 수 있다. 하부 전극(120)은 전기적으로 연결된 2 개의 하부전극 패드(122a, 122b)를 통해, 외부에 노출될 수 있다.

자기저항층(130a, 130b)는 하부 전극(120) 상에서 기둥 형태의 구조물로 배치될 수 있다. 자기저항층(130a, 130b)는 높이 방향인 Z 방향으로 연장되도록 배치될 수 있다. 자기저항층(130a, 130b)는 일 예로서, 타원형 또는 다각형의 단면 형상을 구비할 수 있다. 자기저항층(130a, 130b)는 보호층(150)에 의하여 덮여 외부와 차폐될 수 있다. 보호층(150)은 일 예로서, 실리콘 산화막과 같은 절연층일 수 있다.

도시되는 바와 같이, 감지대상인 지폐(200)가 자기저항층(130a, 130b)과 인접하여 배치될 수 있다. 감지대상인 지폐(200)는 자기저항층(130a, 130b)의 높이 방향인 Z 방향을 따라 배치되고, 이에 따라, 자기저항층(130a, 130b)은 지폐(200) 상에 대응되는 영역에 인쇄된 자기 잉크 성분을 감지할 수 있다.

상부 전극(142a, 144a)은 자기저항층(130a)와 전기적으로 연결되며, 상부 전극(142b, 144b)는 자기저항층(130b)과 전기적으로 연결된다. 상부 전극(142a, 144a, 142b, 144b)은 보호층(150) 상에 배치될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 자기저항층을 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 4를 참조하면, 자기저항층(130a, 130b)은 하부 전극(120) 상에서 높이 방향인 Z 방향을 따라 기둥 형태로 배치될 수 있다. 자기저항층(130a, 130b)이 Z 방향에 수직 방향으로 절단된 단면의 형상은, 장축(320) 및 단축(310)을 구비하는 타원형일 수 있다. 이때, 단축(310) 대비 장축(320)의 길이비가 대략 1:2를 유지할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 길이비가 1:2 보다 작거나 클 경우 자기저항비(MR ratio)가 상대적으로 낮은 값을 가지며, 길이비가 1:2를 유지하는 경우 자기저항비가 상대적으로 가장 큰 값을 가진다.

몇몇 다른 실시 예에 있어서는, 상기 단면의 형상이 장축 및 단축을 구비하는 다각형의 형상일 수도 있다. 다만 이 경우에도, 단축 대비 장축의 길이비는 1:2를 유지한다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 자기저항층과 감지대상 지폐의 배치를 개략적으로 나타내는 평면도이다. 도 5는 도 2의 위폐 감별용 자기저항 소자(100)를 상부 방향에서 -Z 방향으로 내려다볼 때 자기저항층(130a, 130b)와 감지대상 지폐(200)의 배치를 나타내는 모식도일 수 있다.

도 5를 참조하면, 자기저항층(130a, 130b)의 장축(310)은 지폐(200)의 감별 대상면과 대략 45°의 각도로 배치될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 45°보다 작을 경우, 자기저항비는 크나, 외부 자기장의 변화에 따라 자기저항비가 충분히 선형적으로 변화하지 않는다. 상기 자기저항비가 충분히 선형적으로 변화하지 않는 경우, 자기센서로서의 적용이 힘들 수 있다. 45°보다 클 경우, 외부 자기장의 변화에 맞추어 자기저항비가 충분히 선형적으로 변화하나, 자기센서로 적용할 만큼의 자기저항비가 확보되지 않는다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 상술한 요소를 고려하여 장축(310)이 지폐(200)의 감별 대상면과 대략 45°의 각도로 배치될 때, 자기저항층(130a, 130b)이 상대적으로 우수한 감지 능력을 갖는 것으로 판단한다.

도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따르는 자기저항층과 감지대상 지폐의 배치를 개략적으로 나타내는 평면도이다. 도 6을 참조하면, 자기저항층(130a, 130b)과 지폐(200)의 감별 대상면 사이에 플럭스 집중기(flux concentrator)(610)를 배치할 수 있다. 플럭스 집중기(610)는 지폐(200)의 자기 잉크로부터 발생되는 자기력선(ML)을 자기저항층(130a, 130b)으로 집중시키는 역할을 수행할 수 있다. 플럭스 집중기(610)는 일 예로서, 강자성체의 재질을 포함할 수 있다. 플럭스 집중기(610)가 상기 자기 잉크의 자기력선(ML)을 집중시킴으로써, 자기저항층(130a, 130b)의 감지 능력은 보다 향상될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 위폐 감별용 자기저항셀 어레이를 개략적으로 나타내는 평면도이다. 위폐 감별용 자기저항 소자는 도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 자기저항셀을 구비하는 위폐 감별용 자기저항셀 어레이를 포함할 수 있다.

도 7에 도시된 자기저항셀 어레이(700)는 설명의 편의를 위해 X 방향을 따라 배열되는 제1 내지 제5 자기저항셀(10, 20, 30, 40, 50)을 구비하고 있는 것으로 한다. 이 경우, 자기저항셀(10, 20, 30, 40, 50)은 각각 제1 자기저항층(130a), 제2 자기저항층(130b), 제3 자기저항층(130c), 제4 자기저항층(130d), 및 제5 자기저항층(130e)를 구비한다. 각각의 자기저항층에 대하여는 2 개의 상부전극 및 2 개의 하부전극 패드를 구비한다.

일 예로서, 제1 자기저항셀(10)에 있어서, 제1 자기저항층(130a)과 연결되는 제1 상부 전극(142a) 및 제2 상부 전극(144a)를 구비하고, 제1 자기저항층(130a)과 연결되는 하부 전극(120), 제1 하부전극 패드(122a) 및 제2 하부전극 패드(122b)를 구비할 수 있다. 마찬가지로, 제2 자기저항층(130b) 내지 제5 자기저항층(130e)에 있어서도, 제1 자기저항셀(10)과 실질적으로 동일한 구성을 구비할 수 있다.

개별 자기저항셀(10, 20, 30, 40, 50)의 구성은 도 2 내지 도 5와 관련하여 상술한 자기저항셀의 구성과 실질적으로 동일하므로, 중복을 배제하기 위해 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

도 7을 다시 참조하면, 제1 자기저항층(130a), 제2 자기저항층(130b), 제3 자기저항층(130c), 제4 자기저항층(130d), 및 제5 자기저항층(130e)은 각각 d1, d2, d3, d4의 간격을 유지하며, 배치될 수 있다. 상기 d1, d2, d3, d4는 동일한 간격일 수 있으며, 일 예로서, 약 0.2 mm 내지 3 mm 의 간격일 수 있다. 상기 간격이 좁을수록, 자기저항셀 어레이의 자기감지 능력 및 해상도가 증가하며, 일 예로서, 약 1 mm 간격으로 자기저항층이 배열되는 경우, 25 dpi의 해상도를 가지는 자기 이미지를 생성하여 디지털 이미지 처리 기술에 의한 자기 성분의 이미지 처리가 가능한 위폐 감별용 자기센서를 구현할 수 있다. 이는 위폐 감별뿐만 아니라 지폐의 권종 인식에도 이용될 수 있음은 당연하다.

기존에 위폐 감별에 사용되는 자기센서로는 지폐에 함유된 자기 성분이 지폐상의 특정 영역에 존재하는지의 여부 및 존재하더라도 그 영역에서 소정의 기준이상 자기력을 갖고 있는지를 검출하여 해당 지폐가 위폐인지 여부를 감별하고 있다. 종래의 자기센서로는 1dpi의 해상도도 갖기가 어려워 지폐의 자기 성분을 시각적으로 이미지화한다는 것이 불가능했으므로, 자기 성분의 파형 분석을 이용한 자기 성분의 유무 검출 방식이 사용되어 왔다.

본 발명의 자기저항셀 어레이(700)는 복수의 자기저항층들을 위에서와 같이 0.2mm ~ 3mm 간격으로 배열하고 있으므로(실제적으로는 반도체 공정 기술에 따라 그 이하의 간격으로도 배열이 가능함), 지폐의 자기 잉크 분포에 따른 검출 신호를 디지털 이미지 처리가 가능한 수준의 해상도(약 10dpi 내지 100dpi 또는 그 이상)를 갖는 이미지(즉, 자기 잉크 분포에 대응하는 이미지)로 형성하여 진폐의 자기 잉크 분포에 대응하는 이미지와 비교 분석하는 방식으로 지폐의 진위를 판단함으로써 위조 지폐 검출 성능을 획기적으로 향상시킨다. 예컨대, 대부분의 국가에서 사용되는 지폐들의 장변의 길이가 대개 200mm보다 작다고 할 때, 본 발명의 자기저항층을 1mm 간격으로 배열한다고 하면 약 200개의 자기저항층으로 형성된 자기저항셀 라인 어레이(700)가 형성될 수 있다. 이 경우, 통과하는 지폐의 이동 속도에 따라 순차적으로 지폐의 한 라인씩 자기 잉크 성분을 검출하고 신호 처리함으로써 지폐의 자기 잉크 분포에 대응하는 이미지로 변환하면 약 25dpi 수준의 해상도를 갖게 되어 디지털 이미지 처리를 통한 권종 인식 및 위폐 감별이 가능해진다.

몇몇 다른 실시 예들에 있어서, 위폐 감별용 자기저항 소자를 구현함에 있어서, 위폐 감별용 자기저항셀 어레이는 복수의 자기저항층과 감지대상 지폐 사이에 플럭스 집중기를 구비할 수 있다. 상기 플럭스 집중기는 도 6과 관련하여 상술한 플럭스 집중기(610)와 실질적으로 동일한 구성을 가질 수 있다.

도 8 내지 도 17은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 위폐 감별용 자기저항셀의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 8을 참조하면, 기판(810) 상에 하부 전극막(820) 및 자기저항막(830)을 적층한다. 기판(810)은 일 예로서, 실리콘 기판일 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 하부 전극막(820)은 일 예로서, 순차적으로 적층된 Ta층, NiFe층, IrMn층, CoFe층 및 Ru층을 포함하는 구조물일 수 있다. 이때, 자기저항막(830)은 순차적으로 적층된 CoFe층, Cu층, CoFe층 및 NiFe층을 포함하는 구조물일 수 있다. 자기저항막(830)에서, 상기 CoFe층은 고정층일 수 있으며, 상기 Cu층은 버퍼층일 수 있으며, 상기 CoFe층 및 NiFe층은 자유층일 수 있다.

다른 실시 예에 따르면, 하부 전극막(820)은 일 예로서, 순차적으로 적층된 Ta층, Ru층, Ta층, PtMn층, CoFe층 및 Ru층을 포함하는 구조물일 수 있다. 이때, 자기저항막(830)은 순차적으로 적층된 CoFe층, CoFeB층, MaO층, CoFeB층, Ta층을 포함하는 구조물일 수 있다. 자기저항막(830)에서, 상기 CoFe층 및 CoFeB층은 고정층일 수 있으며, 상기 MgO층은 버퍼층일 수 있으며, 상기 CoFeB층 및 Ta층은 자유층일 수 있다.

하부 전극막(820) 및 자기저항막(830)은 스퍼터링 방법에 의하여 기판(810) 상에 형성될 수 있다.

도 9를 참조하면, 제1 포토레지스트 패턴(840)을 자기저항막(830) 상에 형성한다. 제1 포토레지스트 패턴(840)은 포토레지스트막의 도포, 노광마스크를 이용하는 패턴 노광 및 현상과정을 거쳐 형성될 수 있다.

도 10을 참조하면, 제1 포토레지스트 패턴(840)을 이용하여, 자기저항막(830) 및 하부 전극막(820)을 선택적으로 식각하여, 제1 자기저항패턴(832) 및 하부전극(822)을 형성한다. 상술한 식각은 습식 식각법 또는 건식 식각법을 적용할 수 있다. 보다 구체적인 실시 예에서, 상기 식각은 건식 식각법 중 이온빔 식각법에 의해 수행될 수 있다.

도 11을 참조하면, 제1 자기저항패턴(832) 상에 제2 포토레지스트 패턴(850)을 형성한다. 제2 포토레지스트 패턴(850)은 자기저항층이 형성될 위치에 배치될 수 있다. 제2 포토레지스트 패턴(850)은 포토레지스트막의 도포, 노광마스크를 이용하는 패턴 노광 및 현상과정을 거쳐 형성될 수 있다.

도 12를 참조하면, 제2 포토레지스트 패턴(850)을 이용하여, 제1 자기저항패턴(832)를 선택적으로 식각하여, 제1 자기저항층(834a) 및 제2 자기저항층(834b)를 형성한다. 상술한 식각은 습식 식각법 또는 건식 식각법을 적용할 수 있다. 보다 구체적인 실시 예에서, 상기 식각은 건식 식각법 중 이온빔 식각법에 의해 수행될 수 있다.

도 13을 참조하면, 제1 자기저항층(834a), 제2 자기저항층(834b) 및 하부 전극(822)의 일부분 상에 제3 포토레지스트 패턴(860)을 형성한다. 상기 하부 전극(822)의 일부분은 후속 공정에서 하부전극 패턴이 형성될 위치에 해당된다. 제3 포토레지스트 패턴(860)은 포토레지스트막의 도포, 노광마스크를 이용하는 패턴 노광 및 현상과정을 거쳐 형성될 수 있다.

도 14를 참조하면, 제3 포토레지스트 패턴(860)이 형성된 기판(810) 상에 보호막(870)을 도포한다. 보호막(870)은 일 예로서, 절연층일 수 있다. 구체적인 일 예로서, 보호막(870)은 실리콘산화막일 수 있다.

도 15를 참조하면, 제3 포토레지스트 패턴(860)을 리프트-오프(lift-off)하여 제거함으로써, 보호막(870) 내부에 제1 콘택 패턴(872) 및 제2 콘택 패턴(874)를 형성한다. 제1 콘택 패턴(872)은 하부 전극(822)를 노출시킬 수 있으며, 제2 콘택 패턴(874)는 제1 자기저항층(834a) 및 제2 자기저항층(834b)를 노출시킬 수 있다.

도 16을 참조하면, 제1 콘택 패턴(872) 및 제2 콘택 패턴(874)가 형성된 기판(810) 상에 상부 전극막(880)을 형성한다. 상부 전극막(880)은 일 예로서, Au, Pt, Ru, Ir 등과 같은 귀금속일 수 있다. 상부 전극막(880)은 일 예로서, 스퍼터링 방법에 의해 형성될 수 있다.

도 17을 참조하면, 상부 전극막(880)을 패터닝하여, 제1 자기저항층(834a)과 연결되는 제1 상부 전극(884a) 및 제2 상부 전극(886a)을 형성할 수 있으며, 또한, 하부 전극(822)와 연결되는 제1 하부전극 패드(882a) 및 제2 하부전극 패드(882b)를 형성할 수 있다. 마찬가지로, 상기 패터닝을 통해, 제2 자기저항층(834b)와 연결되는 제1 상부 전극(884b) 및 제2 상부 전극(886b)을 형성할 수 있으며, 또한, 하부 전극(822)와 연결되는 제1 하부전극 패드(882a) 및 제2 하부전극 패드(882b)를 형성할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명하는 자기저항 소자의 실시예를 설명하기로 한다.

실시예

실리콘 기판 상에, MgO를 터널 장벽층으로 가지는 터널자기저항(TMR) 소자를 형성하였다. 구체적으로, 도 8 내지 도 17과 관련하여 상술한 제조 공정을 따랐으며, 최종 구조는 다음과 같다. 하부 전극으로서, 상기 실리콘 기판 상에 Ta층 50Å, Ru층 700Å, Ta층 30Å, PtMn층 150Å, CoFe층 22Å 및 Ru층 8Å을 순차적으로 형성하였다. 자기저항층으로서, CoFe층 5Å, CoFeB층 15Å, MaO층 17Å 내지 20Å, CoFeB층 20Å, Ta층 50Å, Ru층 100Å을 순차적으로 형성하였다. 상부 전극으로서, Au 층을 충분히 형성하였다.

자기저항층의 타원형의 단면에서의 단축 대비 장축의 길이비가 각각 1:1.5, 1:2, 1:3, 1:5 인 시편을 각각 제조하였으며, 순서대로 실시예1, 실시예2, 실시예3, 실시예 4로 지칭하도록 한다.

실험예

실시예 1 내지 실시예 4에 대하여, 단위 셀의 자기전도 특성을 평가하였다. 도 18은 본 발명의 실시예에 있어서 자기전도 특성을 평가하기 위한 자기저항층과 지폐의 배치를 나타내는 도면이다. 도 18의 (a)는 자기저항층의 단면의 장축(310)이 지폐(200)의 감별 대상면과 평행한 경우를 나타내고 있으며, 이하에서는 이 경우를 제1 모드라고 지칭한다. 도 18의 (b)는 자기저항층의 단면의 단축(320)이 지폐(200)의 감별 대상면과 평행한 경우를 나타내고 있으며, 이하에서는 이 경우를 제2 모드라고 지칭한다.

실시예 2의 시편에 대하여는 자기저항층의 장축이 지폐의 감별 대상면과 이루는 각도를 변경하면서 자기전도 특성을 평가하였다. 도 19는 자기저항층의 장축과 지폐의 감별 대상면이 이루는 각도를 예시적으로 도시하는 도면이다. 도 19에 도시되는 바와 같이, 실시예 2의 자기저항층의 장축(310)이 지폐(200)의 감별면과 이루는 각도(α)가 30°, 45°및 60°인 경우에 대하여 자기전도 특성을 평가하였다.

고찰

아래 표 1은 실시예 1 내지 실시예 4에 대하여 상기 제1 모드 및 상기 제2 모드에서 측정된 자기저항비를 나타내는 실험값이다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3	실시예 4
자기저항비(%) (제1 모드)	13%	35%	18%	10%
자기저항비(%) (제2 모드)	4%	12%	5%	3.5%

표 1을 참조하면, 제1 모드 및 제2 모드 모두에 있어서, 단축 대비 장축의 길이비가 1:2인 타원형 단면을 가지는 실시예 2의 자기저항비가 가장 높음을 확인할 수 있다.

도 20 내지 도 22는 본 발명의 실시 예에 따르는 외부 인가 자기장에 따르는 자기저항비(MR ratio)의 변화를 측정한 그래프이다. 실시예 2의 시편을 이용하여 측정하였으며, 도 20 내지 도 22는 자기저항층의 장축(310)이 지폐(200)의 감별면과 이루는 각도(α)가 각각 30°, 45°및 60°인 경우의 측정값이다. (b) 그래프는 (a) 그래프 중 외부 인가 자기장이 O Oe 부근을 확대한 그래프이다.

그래프를 참조하면, 각도(α)가 30°인 경우, 자기저항비가 약 33%로서, 가장 높았다. 하지만, 도 20의 (b)에서와 같이, 외부 인가 자기장이 O Oe 에서 미세한 증가할 때, 자기저항비가 급격히 증가하는 모습을 보이고 있다. 이는 그래프의 기울기를 통해 확인할 수 있다. 이와 같이, 각도(α)가 30°인 경우, 외부 인가 자기장의 미소 변화에 따른 차이를 저항변화치로서 충분히 확인하기 어려우므로, 자기센서에의 적용을 어렵게 할 수 있다. 각도(α)가 60°인 경우, 도 22의 (b)에서와 같이, 외부 인가 자기장의 미세 증가할 때, 자기저항비가 상대적으로 완만하게 증가하는 모습을 보이고 있다. 즉, 자기저항비가 외부 인가 자기장의 변화에 따라 충분히 선형적으로 변화함을 알 수 있다. 하지만, 도 22의 (a)에서와 같이, 자기센서에 적용할 만큼 충분한 자기저항비가 확보되지 않는다. 각도(α)가 45°인 경우, 각도(α)가 30°및 각도(α)가 60°을 절충할 수 있는 측정 결과를 보여주고 있으며, 이는 상대적으로 가장 우수한 감지능력을 갖는 것으로 판단할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 개시의 실시 형태들을 도면들을 예시하며 설명하지만, 이는 본 개시에서 제시하고자 하는 바를 설명하기 위한 것이며, 반드시 제시된 형상 및 구조에 정확하게 일치된 상태를 한정하고자 한 것은 아니다. 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 개시의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 개시에 개시된 실시예들을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: 자유층, 2: 버퍼층, 3: 고정층,
10, 20, 30, 40, 50: 제1 내지 제5 자기저항셀,
100: 위폐 감별용 자기저항소자, 110: 기판,
120: 하부 전극, 122a: 제1 하부전극 패드, 122b: 제2 하부전극 패드,
130a, 130b, 130c, 130d, 130e: 제1 내지 제5 자기저항셀,
142a, 144a, 142b, 144b, 142c, 144c, 142d, 144d, 142e, 144e: 상부 전극,
150: 보호층, 200: 감지대상 지폐
310: 장축, 320: 단축,
610: 플럭스 집중기, 700: 자기저항셀 어레이,
810: 기판, 820: 하부전극막, 822: 하부전극,
830: 자기저항막, 832: 제1 자기저항패턴,
834a: 제1 자기저항층, 834b: 제2 자기저항층,
840: 제1 포토레지스트 패턴, 850: 제2 포토레지스트 패턴,
860: 제3 포토레지스트 패턴, 870: 보호막,
872: 제1 콘택 패턴, 874: 제2 콘택 패턴,
880: 상부 전극막, 882a: 제1 하부전극 패드, 882b: 제2 하부전극 패드,
884a, 884b: 제1 상부전극, 886a, 886b: 제2 상부전극,

Claims

하부전극 및 상부 전극 사이에 배치되며 자기를 감지하는 자기저항층을 포함하고,
상기 자기저항층은 높이 방향에 수직인 단면에서 단축 대비 장축의 비가 1:2를 유지하며,
상기 장축은 지폐의 감별 대상면과 45°의 각도로 배치되는
위폐 감별용 자기저항셀.
제1 항에 있어서,
상기 자기저항층은 타원형 또는 다각형의 상기 단면 형상을 구비하는
위폐 감별용 자기저항셀.
제1 항에 있어서,
상기 자기저항층은 상기 하부전극 상에 배치되는 기둥 형태의 구조물인
위폐 감별용 자기저항셀.
제1 항에 있어서,
상기 하부 전극은 전류 인가용 제1 하부전극패턴 및 전압 측정용 제2 하부전극패턴을 구비하고,
상기 상부 전극은 전류 인가용 제1 상부전극패턴 및 전압 측정용 제2 상부전극패턴을 구비하는
위폐 감별용 자기저항셀.
제1 항에 있어서,
상기 하부전극은 순차적으로 적층된 Ta층, NiFe층, IrMn층, CoFe층 및 Ru층을 포함하는 구조물이고,
상기 자기저항층은 순차적으로 적층된 CoFe층, Cu층, CoFe층 및 NiFe층을 포함하는 구조물이고,
상기 상부전극은 Au층을 포함하는 구조물인
위폐 감별용 자기저항셀.
제1 항에 있어서,
상기 하부전극은 순차적으로 적층된 Ta층, Ru층, Ta층, PtMn층, CoFe층 및 Ru층을 포함하는 구조물이고,
상기 자기저항층은 순차적으로 적층된 CoFe층, CoFeB층, MaO층, CoFeB층, Ta층을 포함하는 구조물이고,
상기 상부전극은 Au층을 포함하는 구조물인
위폐 감별용 자기저항셀.
지폐의 감별 대상면을 따라 배열되는 복수의 자기저항셀을 포함하되,
상기 자기저항셀은 하부전극 및 상부 전극 사이에 배치되는 자기저항층을 포함하고,
상기 자기저항층은 높이 방향에 수직인 단면에서 단축 대비 장축의 비가 1:2를 유지하며, 상기 장축은 지폐의 감별 대상면과 45°의 각도로 배치되는
위폐 감별용 자기저항셀 어레이.
제7 항에 있어서,
상기 하부전극은 상기 복수의 자기저항셀이 서로 공유하는 전류 인가용 제1 하부전극패턴 및 전압 측정용 제2 하부전극패턴을 구비하고,
상기 상부전극은 상기 복수의 자기저항셀 각각에 대하여 전류 인가용 제1 상부전극패턴 및 전압 측정용 제2 상부전극패턴을 구비하는
위폐 감별용 자기저항셀 어레이.
제7 항에 있어서,
상기 자기저항층은 타원형 또는 다각형의 상기 단면 형상을 구비하는
위폐 감별용 자기저항셀 어레이.
제7 항에 있어서,
상기 자기저항층은 상기 하부전극 상에 배치되는 기둥 형태의 구조물인
위폐 감별용 자기저항셀 어레이.
제7 항에 있어서,
상기 자기저항층은 이웃하는 다른 자기저항층과 상기 감별대상면의 일 측방향을 따라 0.2 mm 내지 3 mm 간격으로 배치되는
위폐 감별용 자기저항셀 어레이.
지폐의 감별대상면의 일측방향을 따라 0.2mm 내지 3mm 간격으로 배열되는 자기저항층을 포함하는 복수의 자기저항셀 어레이를 구비하고,
상기 복수의 자기저항셀 어레이에 의해 상기 지폐의 자기 성분을 검출하여 상기 지폐의 자기 성분 분포에 대응하는 이미지를 형성하되, 상기 이미지는 10dpi 내지 100dpi의 해상도를 갖도록 형성하고,
상기 자기저항층은 높이 방향에 수직인 단면에서 단축 대비 장축의 비가 1:2를 유지하며, 상기 장축은 지폐의 감별 대상면과 45°의 각도로 배치되는
위폐 감별용 자기센서.
지폐의 감별대상면의 일측방향을 따라 0.2mm 내지 3mm 간격으로 배열되는 자기저항층을 구비하는 복수의 자기저항셀을 구비하고,
상기 자기저항층은 감별대상면과 평행한 기둥 형태의 구조물이고,
상기 자기저항층은 높이 방향에 수직인 단면에서 단축 대비 장축의 비가 1:2를 유지하며, 상기 장축은 지폐의 감별 대상면과 45°의 각도로 배치되는
위폐 감별용 자기센서.
제13 항에 있어서,
상기 자기저항층은 타원형 또는 다각형의 상기 단면 형상을 구비하는
위폐 감별용 자기센서.
제13 항에 있어서,
상기 자기저항층과 상기 감별대상면 사이에 배치되어, 상기 지폐의 자기성분을 상기 자기저항층으로 집중시키는 플럭스 집중기(flux concentrator)를 더 포함하는
위폐 감별용 자기센서.
제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항의 구성을 구비하는 위폐 감별용 자기저항셀 또는 제7 항 내지 제11 항 중 어느 한 항의 구성을 구비하는 자기저항셀어레이를 포함하고,
상기 자기저항층과 상기 감별대상면 사이에 배치되어, 상기 지폐의 자기성분을 상기 자기저항층으로 집중시키는 플럭스 집중기(flux concentrator)를 포함하는
위폐 감별용 자기센서.