KR20090106169A - 인덕터 및 그 동작방법 - Google Patents

인덕터 및 그 동작방법 Download PDF

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Abstract

인덕터 및 그 동작방법에 관해 개시되어 있다. 개시된 본 발명의 인덕터는 인가되는 전기장에 따라 전기 저항이 달라지는 제1물질을 포함하는 인덕터용 도전선, 및 상기 도전선의 양단에 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2전극을 포함하는 인덕터를 제공한다.

Description

인덕터 및 그 동작방법{Inductor and method of operating the same}
본 발명은 전기 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인덕터 및 그 동작방법에 관한 것이다.
인덕터(Inductor)는 수동 소자(passive device)의 하나로서 대부분의 전자 회로 구성에 사용되는 중요한 소자이다. 특히, RF(radio frequency) 응용 회로에서 인덕터는 커패시터(capacitor)와 함께 거의 모든 필터(filter)를 구성하는데 사용되고 있다.
이와 같이 인덕터는 대부분의 전자 회로 구성에 사용되기 때문에, 전자 회로의 고집적화를 위해서는 인덕터의 소형화가 요구된다. 그러나 커패시터나 저항과 같은 다른 수동 소자에 비해 인덕터의 소형화 및 고성능화는 용이하지 않다.
구리(Cu) 인덕터의 경우, 선폭(line width)이 수㎛ 정도만 되어도 자기-인덕턴스(self-inductance)에 비해 인덕터 자체의 저항값이 상대적으로 매우 커져 품질 계수(Quality factor)가 작아지는 문제가 있다.
탄소나노튜브(carbon nanotube)(CNT)를 이용해서 인덕터를 제조하는 경우, CNT 합성 과정에서 균일성(uniformity) 및 재현성(reproductivity)을 확보하기 어 렵고, 합성된 CNT를 기판의 원하는 위치에 배열하기 어려운 문제 등 제조 공정상 문제가 있다. 따라서, CNT 인덕터를 실제 회로에 응용하기는 쉽지 않다.
한편, 연산 증폭기(operational amplifier)를 이용한 인덕터의 경우, 구조가 복잡하여 구현이 용이하지 않다는 문제가 있다.
본 발명은 수동 소자 중 하나인 인덕터 및 그 동작방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 인가되는 전기장에 따라 전기 저항이 달라지는 제1물질을 포함하는 인덕터용 도전선; 및 상기 도전선의 양단에 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2전극;을 포함하는 인덕터를 제공한다.
상기 제1물질은 그래핀(graphene)을 포함할 수 있다.
상기 도전선에 전기장을 인가하기 위한 제1수단이 더 구비될 수 있다.
상기 제1수단은 상기 도전선과 이격된 도전체일 수 있다.
상기 도전선과 상기 도전체 사이에 절연층이 더 구비될 수 있다.
상기 도전선은 곡류(meander) 타입, 소용돌이(spiral) 타입 및 고리(loop) 타입 중 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 인가되는 전기장에 따라 전기 저항이 달라지는 제1물질을 포함하는 인덕터용 도전선, 및 상기 도전선의 양단에 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2전극을 포함하는 인덕터의 동작방법에 있어서, 상기 도전선에 전류를 흘려주는 단계;를 포함하는 인덕터의 동작방법을 제공한다.
상기 제1물질은 그래핀(graphene)을 포함할 수 있다.
상기 도전선에 전기장을 인가하기 위한 제1수단이 더 구비될 수 있다.
상기 제1수단은 상기 도전선과 이격된 도전체일 수 있다.
상기 도전선과 상기 도전체 사이에 절연층이 더 구비될 수 있다.
상기 제1수단으로 상기 도전선에 전기장을 인가하면서 상기 도전선에 상기 전류를 흘려줄 수 있다.
상기 도전선은 곡류(meander) 타입, 소용돌이(spiral) 타입 및 고리(loop) 타입 중 하나일 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 인덕터 및 그 동작방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인덕터를 보여준다.
도 1을 참조하면, 절연층(10) 상에 인덕터용 도전선(C1)이 구비되어 있다. 도전선(C1)은 나노 스케일(nano scale)의 선폭을 가질 수 있다. 즉, 도전선(C1)은 수㎚ 내지 수백㎚ 정도의 폭을 가질 수 있다. 도전선(C1)은 곡류(meander) 타입일 수 있지만, 그 형태는 다양하게 변화될 수 있다. 본 실시예에서 도전선(C1)은 적어도 하나의 그래핀(graphene)을 포함하는 것이 바람직하다. 그래핀(graphene)에 대해서는 후에 보다 자세히 설명한다.
도전선(C1)의 양단에 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2전극(E1, E2)이 구비될 수 있다. 제1 및 제2 전극(E1, E2)은 절연층(10) 상에 도전선(C1)의 양단과 직접 접촉되도록 형성될 수 있다. 그러나, 경우에 따라서는, 제1 및 제2 전극(E1, E2)과 도전선(C1)의 양단은 도전성 플러그 및/또는 배선을 통해 간접적으로 연결될 수도 있다. 도전선(C1)에 전기장(electric field)을 인가하기 위한 수단으로서, 도전선(C1)과 이격된 도전체(conductor)(100)가 더 구비될 수 있다. 도전체(100)는 층(layer) 타입으로서, 절연층(10)을 사이에 두고 도전선(C1) 아래에 구비될 수 있다. 도전체(100)는 절연층(10)의 적어도 일측으로 확장된 구조를 가질 수 있고, 절연층(10)이 형성되지 않은 도전체(100) 상에 제3전극(E3)이 구비될 수 있다. 도전체(100)는 소정의 기판, 예컨대, 실리콘 기판의 일부일 수 있고, 도전성 불순물이 고농도로 도핑된 영역일 수 있다. 도전체(100)의 구조와 위치는 전술한 것에 한정되지 않고, 다양하게 변화될 수 있다. 예컨대, 도전체(100)는 도전선(C1) 위쪽에 배치될 수 있고, 금속으로 형성될 수 있으며, 다층 구조를 가질 수 있다.
이하에서는, 그래핀(graphene)에 대해서 보다 자세히 설명한다.
그래핀(graphene)은 탄소로 이루어진 단층 구조물이다. 그래핀(graphene)은 전기적 특성이 CNT와 유사하여, 이차원 탄도 이동(2-dimensional ballistic transport) 특성을 갖는다. 전하가 한 물질 내에서 이차원 탄도 이동한다는 것은 산란(scattering)에 의한 저항이 거의 없는 상태로 이동한다는 것을 의미한다. 그러므로 그래핀(graphene)은 서브-마이크론(sub-micron)의 작은 사이즈에서도 매우 작은 전기 저항을 가질 수 있다. 품질 계수(quality factor)는 리액턴스(reactance)를 전기 저항으로 나눈 것이므로, 그래핀(graphene)을 이용하면, 작은 사이즈에서도 높은 품질 계수(quality factor)를 갖는 인덕터를 구현할 수 있다.
또한 그래핀(graphene)은 CNT보다 용이하게 형성할 수 있다는 장점이 있다. 보다 자세히 설명하면, CNT는 제1기판에서 형성한 후 소자 제조용 제2기판으로 옮겨야 하지만, 그래핀(graphene)은 소자 제조용 기판 상에 직접 형성하여 사용할 수 있다. 즉, 소자 제조용 기판 상에 판상의 그래핀(graphene)을 형성한 후, 그것을 원하는 모양으로 패터닝하여 사용할 수 있다. 그래핀(graphene)은 산소 플라즈마(O2 plasma)로 쉽게 식각되므로, 일반적인 포토 리소그라피(photo lithography)나 전자빔 리소그라피(E-beam lithography)와 같은 탑-다운(top-down) 공정을 이용하여 원하는 모양을 갖는 미세한 그래핀(graphene) 패턴을 얻을 수 있다. 그러므로 그래핀(graphene)을 이용해서 인덕터를 제조하는 경우, 오정렬(mis-align)에 따른 문제를 방지 또는 최소화할 수 있고, 제품의 균일성(uniformity) 및 재현성(reproductivity)을 용이하게 확보할 수 있다.
부가해서, 그래핀(graphene)은 일반적인 반금속(semi-metal)의 특징을 가질 뿐 아니라, 외부에서 인가되는 전기장에 의해 전기 저항이 변화되는 독특한 특징을 갖는다. 따라서 그래핀(graphene)을 이용하면 품질 계수(quality factor)의 조정이 가능한 인덕터를 구현할 수 있다. 도 1에서 도전체(100)는 도전선(C1)에 전기장을 인가하기 위한 수단의 일례이다. 도전체(100)에 소정의 전압을 인가하여 도전체(100)로부터 도전선(C1)에 소정의 전기장을 인가한 상태에서, 제1 및 제2전극(E1, E2)를 통해 도전선(C1)에 전류를 흘려줄 수 있다. 도전체(100)에 인가하는 상기 전압의 세기에 따라, 도전체(100)로부터 도전선(C1)에 인가되는 상기 전기장 의 세기가 조절되고, 상기 전기장의 세기에 따라 도전선(C1)의 전기 저항이 변화되어, 인덕터의 품질 계수(quality factor)가 조절될 수 있다.
도 1의 도전선(C1)의 형태는 도 2 및 도 3과 같이 변화될 수 있다.
도 2에는 소용돌이(spiral) 타입의 도전선(C2)이 도시되어 있고, 도 3에는 단일 고리(single loop) 타입의 도전선(C3)이 도시되어 있다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 인덕터를 포함하는 등가회로 모델이고, 도 4b는 도 4a의 등가회로의 인덕터용 도전선에 인가되는 전기장의 세기에 따른 주파수 응답(frequency response) 특성을 보여주는 그래프이다.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 인덕터는 세 가지 성분, 즉, 인덕터 성분(L1)과 저항 성분(R1) 및 기생 커패시터 성분(Cp1)을 가질 수 있다. 인덕터 성분(L1)과 저항 성분(R1)은 직렬로 연결되어 있고, 기생 커패시터 성분(Cp1)은 인덕터 성분(L1)과 저항 성분(R1)으로 구성된 직렬회로에 병렬로 연결되어 있다. 도 4a에서 참조부호 V1 및 R2는 각각 전압 발생기(voltage generator) 및 부하 저항(load resistor)을 나타내고, G1 및 Vout은 각각 접지 및 출력 단자를 나타낸다.
도 4b는 도 4a의 등가회로에서 인덕터의 전기 저항이 전기장에 의해 1㏀에서 19㏀까지 변화될 때, 해당 전기 저항에서 상기 등가회로의 주파수 응답(frequency response) 특성을 보여준다. 이때, 인덕터 성분(L1)의 인덕턴스는 1μH 정도이고, 기생 커패시터 성분(Cp1)의 정전용량은 1nF 정도로 가정하였다.
도 4b를 참조하면, 전기 저항이 낮아질수록 약 106 Hz 이하의 주파수에서 출 력 전압의 변화가 증가하였다. 이것은 인덕터의 전기 저항이 변화됨에 따라 인덕터의 품질 계수(quality factor)가 변화됨을 의미한다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 인덕터의 제조방법을 보여준다.
도 5a를 참조하면, 도전체(100) 상에 절연층(10)을 형성하고, 절연층(10) 상에 도전층(20)을 형성한다. 도전체(100)는 기판의 일부일 수 있고, 도전성 불순물이 고농도로 도핑된 영역일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양하게 변화될 수 있다. 도전층(20)은 적어도 하나의 그래핀(graphene)을 포함할 수 있다. 그래핀(graphene)은 성장(growth) 법 또는 박리(exfoliation) 법 등으로 형성할 수 있다. 예컨대, SiC 기판 상에 그래핀(graphene)을 성장시키거나, Si 기판 상에 버퍼층(buffer layer)을 형성한 후, 상기 버퍼층 상에 그래핀(graphene)을 성장시킬 수 있다. 상기 박리(exfoliation) 법의 경우, 단결정 그라파이트(single crystal graphite)를 사용할 수 있다. 보다 자세히 설명하면, 단결정 그라파이트(single crystal graphite)를 절연층(10)의 상면에 접합시키면, 절연층(10)과 단결정 그라파이트(single crystal graphite) 사이에 반데르발스의 힘(Van der Waals' force)이 작용하고, 이에 따라, 수 내지 수백의 그래핀(graphene)이 절연층(10) 상면에 부착될 수 있다. 도전층(20)의 형성 방법은 상기한 바에 한정되지 않고 다양하게 변화될 수 있다.
다음, 도전층(20)을 소정의 모양으로 패터닝한다. 이때, 도전층(20)은 일반적인 리소그라피(lithography) 방법으로 패터닝할 수 있다. 도전층(20)이 그래 핀(graphene)인 경우, 산소 플라즈마(O2 plasma)로 용이하게 식각할 수 있다. 또한 전자빔 리소그라피(E-beam lithography)와 같은 미세 패터닝 방법을 사용하면, 도전층(20)을 나노 스케일로 패터닝할 수 있다. 상기 패터닝 공정의 결과가 도 5b에 도시되어 있다. 도 5b에서 참조번호 C1은 패턴화된 도전층, 즉, 인덕터용 도전선을 나타낸다.
도전선(C1)이 형성되지 않은 절연층(10)의 일부를 제거하여, 도 5c에 도시된 바와 같이 도전체(100)의 일부를 노출시킨다. 절연층(10)의 일부를 제거하는 시점은 달라질 수 있고, 경우에 따라서는, 절연층(10)의 일부를 제거하지 않을 수도 있다.
도 5d를 참조하면, 도전선(C1)의 양단에 접촉된 제1 및 제2전극(E1, E2) 및 상기 노출된 도전체(100)의 상면에 접촉된 제3전극(E3)을 형성한다. 도시하지는 않았지만, 제1 내지 제3전극(E1∼E3)을 형성하기 전, 도전선(C1), 절연층(10) 및 도전체(100)의 노출된 상면 상에 층간절연층을 형성하고, 상기 층간절연층의 일부를 식각하여 도전선(C1)의 양단 및 도전체(100)를 노출시키는 콘택홀들을 만들 수 있다. 이 경우, 상기 콘택홀들을 채우는 도전성 플러그를 형성한 다음, 상기 층간절연층 상에 상기 도전성 플러그들과 각각 접촉되는 전극들을 형성할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 3의 인덕터의 구성요소 및 구조는 각각 다양화 및 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 구체적인 예로서, 도 1에서 도전체(100) 및 제3전극(E3)이 없는 구조도 가능하고, 도 1의 구조를 갖되 도전선(C1)의 물질로 그래핀(graphene) 대신에 그와 유사한 전기적 특징을 갖는 다른 물질을 사용할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인덕터의 사시도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 인덕터에 구비될 수 있는 인덕터용 도전선의 평면도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 인덕터를 포함하는 등가회로 모델이다.
도 4b는 도 4a의 등가회로의 인덕터용 도전선에 인가되는 전기장 세기에 따른 주파수 응답(frequency response) 특성을 보여주는 그래프이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 인덕터의 제조방법을 보여주는 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
10 : 절연층 20 : 도전층
100 : 도전체 C1∼C3 : 도전선
Cp1 : 기생 커패시터 성분 E1∼E3 : 전극
G1 : 접지 L1 : 인덕터 성분
R1 : 저항 성분 R2 : 부하(load) 저항
V1 : 전압 발생기 Vout : 출력 단자

Claims (13)

  1. 인가되는 전기장에 따라 전기 저항이 달라지는 제1물질을 포함하는 인덕터용 도전선; 및
    상기 도전선의 양단에 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2전극;을 포함하는 인덕터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1물질은 그래핀(graphene)을 포함하는 인덕터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 도전선에 전기장을 인가하기 위한 제1수단을 더 포함하는 인덕터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1수단은 상기 도전선과 이격된 도전체인 인덕터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 도전선과 상기 도전체 사이에 절연층을 더 포함하는 인덕터.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 도전선은 곡류(meander) 타입, 소용돌이(spiral) 타입 및 고리(loop) 타입 중 하나인 인덕터.
  7. 인가되는 전기장에 따라 전기 저항이 달라지는 제1물질을 포함하는 인덕터용 도전선, 및 상기 도전선의 양단에 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2전극을 포함하는 인덕터의 동작방법에 있어서,
    상기 도전선에 전류를 흘려주는 단계;를 포함하는 인덕터의 동작방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1물질은 그래핀(graphene)을 포함하는 인덕터의 동작방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 도전선에 전기장을 인가하기 위한 제1수단을 더 포함하는 인덕터의 동작방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1수단은 상기 도전선과 이격된 도전체인 인덕터의 동작방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 도전선과 상기 도전체 사이에 절연층을 더 포함하는 인덕터의 동작방 법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1수단으로 상기 도전선에 전기장을 인가하면서 상기 도전선에 상기 전류를 흘려주는 인덕터의 동작방법.
  13. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 도전선은 곡류(meander) 타입, 소용돌이(spiral) 타입 및 고리(loop) 타입 중 하나인 인덕터의 동작방법.
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