KR100427640B1 - 탄소미세구조를 이용한 ｒｌｃ 회로 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소미세구조를 이용한 RLC(Resistance Inductance Capacitance) 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무기 담체 위에 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD) 방법에 의하여 탄소미세구조를 형성시켜 이를 저항(resistance), 인덕턴스(inductance) 및 축전용량(capacitance) 소자로 사용하고, 더 나아가 RLC가 혼재되어 있는 초미세 회로(micro circuit)를 형성함으로써, 종래의 페라이트 코어(ferrite core) 및 코일(coil)을 사용한 유도질(inductor)과는 전혀 다른 새로운 형태의 유도질을 형성하고, 탄소/무기물질로 이루어져 있어 열과 충격에 매우 강하며, 기존의 칩 인덕터(chip inductor)와 달리 미세구조의 형성이 가능하다. 또한, 기존의 회로는 선으로 연결되는 저항-인덕턴스-축전용량의 1차원적 연결에 의한 2차원 형성인데 반해, 탄소미세구조는 물질 자체가 저항-인덕턴스-축전용량을 가지기 때문에 칩 형태의 RLC 회로를 형성할 수 있는 새로운 개념의 소자로서, 집적도를 높이고 크기를 줄이는 목적에 적합하여 이동통신, 반도체 회로 등에 널리 활용될 수 있는 RLC 회로에 관한 것이다.
Description
본 발명은 탄소미세구조를 이용한 RLC(Resistance Inductance Capacitance) 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무기 담체 위에 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD) 방법에 의하여 탄소미세구조를 형성시켜 이를 저항(resistance), 인덕턴스(inductance) 및 축전용량(capacitance) 소자로 사용하고, 더 나아가 RLC가 혼재되어 있는 초미세 회로(micro circuit)를 형성함으로써, 종래의 페라이트 코어(ferrite core) 및 코일(coil)을 사용한 유도질(inductor)과는 전혀 다른 새로운 형태의 유도질을 형성하고, 탄소/무기물질로 이루어져 있어 열과 충격에 매우 강하며, 기존의 칩 인덕터(chip inductor)과 달리 미세구조의 형성이 가능하다. 또한, 기존의 회로는 선으로 연결되는 저항-인덕턴스-축전용량의 1차원적 연결에 의한 2차원 형성인데 반해, 탄소미세구조는 물질 자체가 저항-인덕턴스-축전용량을 가지기 때문에 칩 형태의 RLC 회로를 형성할 수 있는 새로운 개념의 소자로서, 집적도를 높이고 크기를 줄이는 목적에 적합하여 이동통신, 반도체 회로 등에 널리 활용될 수 있는 RLC 회로에 관한 것이다.
RLC 회로를 구축함에 있어서 인덕턴스(inductance)와 축전용량(capacitance)을 구현하는 데는 많은 어려움이 있는 것으로 알려져 있다. 현재 이러한 RLC 회로를 구축하는 기술로는 집적회로에서 축전용량을 구현하고 있으며, 매우 불편하기는 하지만 역바이어스 p-n 접합구조(reverse-biased p-n junction) 또는 박막기술을 사용하는 전이용량(transition capacitance)를 이용한다.
그러나, 인덕턴스에 대하여는 실리콘 반도체 표면에서 구현하는 방법이 아직까지 전무하다. 인덕턴스라 함은 페라이트 코어(ferrite core)에 코일을 감아서 생기는 현상으로, 인덕턴스를 구현하는 기존의 기술로는 칩 인덕터(chip inductor)라 하여서 코일을 인위적으로 만들어 감는 방법이 공지되어 있다. 그런데, 이 방법은 최소한 mm 사이즈에서 제품이 만들어지므로, 전자 회로 및 부품의 크기를 줄이는데 문제가 있다. 따라서, 반도체 미세회로 설계시 인덕턴스의 사용을 가능한 피하고 있는 실정이며, 이에 대한 기술개발이 요청되고 있다.
오늘날의 회로 설계 기술은 저항과 축전용량 그리고 인덕턴스를 1차원적으로 배열하고 이를 선으로 연결하여 2차원적으로 배열하는 것이다. 이러한 RLC 회로를 3차원적으로 배치할 수 있으면 그 크기를 줄일 수 있으므로, 이를 위하여 현재는 인쇄회로기판(Printed Circuit Boards, PCB)를 적층시키는 방법을 사용하고 있다. 그런데, 인쇄회로기판(PCB)을 적층시키는 방법은 층사이에 인쇄기판(printed board)가 존재하므로 크기를 줄이고 집적도를 높이는데 한계가 있다.
이에, 본 발명자들은 RLC 회로를 3차원적으로 직접 배열한다면 아주 새로운 회로를 설계할 수 있을 것으로 전망하고, 전자 및 전기 회로 구성에 필요한 저항-인덕턴스-축전용량을 형성하기 위하여 연구하였다. 그 결과, 탄소나노튜브를 포함하는 탄소미세구조를 무기물 담체 표면에 형성시키면, 그 자체에 저항-인덕턴스-축전용량의 단위 소자가 구축될 뿐 아니라, 미세구조 형성이 가능하여 직접도가 월등히 향상된 RL, RC 및 RLC 회로를 설계할 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명은 화학기상증착 방법으로 탄소미세구조를 형성하고, 이를 입체적으로 배치함으로써, RLC가 혼재되어 있는 새로운 개념의 초미세 회로(micro circuit)를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명(실시예 1 및 실시예 4)에 따라 제조한 RLC 회로에 각각 싱글펄스를 가한 후 발생하는 출력전압을 기록하여 나타낸 것이다.
본 발명은 무기물 표면에 탄소를 기상증착시켜 이루어진 탄소미세구조를 이용한 RLC(Resistance Inductance Capacitance) 회로를 특징으로 한다.
이렇게 증착되어 이루어진 탄소미세구조 표면에, 또다른 성질의 탄소미세구조를 2차원적으로 형성시키고, 다시 이러한 2차원적인 탄소미세구조 표면에 다층의 또다른 성질의 탄소미세구조를 3차원적으로 형성시키면 크기가 획기적으로 감소된 RLC 회로를 구성할 수 있다.
이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 무기 담체와 그 표면에 형성된 탄소미세구조로 이루어진 것으로, 자체내에 저항-인덕턴스-축전용량을 모두 갖춘 새로운 개념의 소자로서, 이를 사용하여 RLC 회로를 설계할 경우 집적도를 높이고 크기를 줄일 수 있어 이동통신, 반도체 회로 등에 널리 활용될 수 있는 RLC 회로에 관한 것이다.
본 발명에 따른 탄소미세구조를 이용한 RLC 회로를 더욱 구체화하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 탄소미세구조는 무기 담체를 반응기에 넣고 여기에 탄소원을 통과시키면서 가열하여 탄소를 기상증착키는 방법으로 얻을 수 있다. 이때, 기상증착은 열에 의한 방법과 플라즈마에 의한 방법 등에 의하여, 탄화수소를 불활성한 분위기나 수소 분위기에서 분해시켜서 수행한다.
상기 무기 담체는 알루미나와 실리카를 근간으로 하는 고온에서 안정한 물질로서 알루미나, 실리카, 알루미노실리케이트, 층상화합물, 제올라이트, 메조포러스물질, 그리고 YSZ(yttrium stabilized zirconia), 지르코니아, Fe2O3, Mn2O3,탄소 등 고온에서 안정한 물질이면 다양하게 사용할 수 있다. 이때, 각각 단독으로 사용될 수 있으며 필요에 따라 두 개 이상의 물질을 혼합하여 사용할 수도 있다. 이들 무기물 담체들은 그 제조 방법에 따라 금속 이온들을 함유할 수 있으며, 이들은 후 단계에서 생성되는 탄소미세구조에 영향을 미친다. 탄소의 기상증착은 무기물 표면의 산점(acid center)과 금속상에서 이루어지는데, 무기물 담체가 산점을 가지고 있으면 그 자체로서도 탄소증착을 시킬 수 있고, 필요에 따라 금속을 표면에 담지시킨다. 담지되는 금속의 종류는 대표적으로 Ni이며 Fe, Co, Cu, Mn, Cr, Mo, W 등의 금속들을 사용할 수 있다. 이때, 필요에 따라 두 개 이상의 금속을 혼합하여 사용할 수 있다. 그리고, 이러한 금속 외에 탄소를 담지시킬 수도 있다. 담지되는 금속의 양은 제한이 없으나 적을 수록 표면에 균일한 금속층을 형성시킬 수 있어서 바람직하다. 또한, 금속 양이 적어지면 금속의 종류와 무기 담체의 영향이 상승효과를 내게 된다. 반면, 금속량이 많아질 경우에는 무기물 담체의 종류에 의한 RLC 회로의 특성 변화가 적어지고 단지 금속 종류에 영향을 받게 된다. 즉, 무기 담체에 담지되는 금속의 양은 제한이 없고, RLC 회로의 특성 요구사항에 따라 사용량이 결정된다.
그리고, 기상증착에 사용되는 탄소는 탄소수 1 ∼ 24의 탄화수소이다. 이때, 분해되는 탄화수소의 종류에 따라, 생성되는 탄소미세구조의 전기적 성질이 영향을 받는데, 주로 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 벤젠, 톨루엔 등의 탄화수소를 사용하고 기화시킬 수 있는 탄화수소면 사용할 수 있다. 그리고, 필요에 따라 둘 이상의 탄화수소를 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 생성되는 탄소미세구조를 다양한 원소를 사용하여 화학적으로 도핑(doping)시킬 수 있는데, 실리콘에 혼입제(dopant)로 사용되는 P, B, N, S, Al 또는 Ga 등을 함유하고 있는 탄화수소를 기상증착시키면, 탄소미세구조의 전기적 성질을 원하는 데로 변화시킬 수 있다. 이때, 필요에 따라 P, S, N, B, Al, Ga 등을 포함하는 화합물들을 한가지 이상 함께 주입할 수도 있다.
그리고, 생성되는 탄소미세구조의 전기적 성질은 기상증착되는 온도에 직접적으로 영향을 받는데, 300∼800 ℃의 영역에서는 비결정질의(amorphous) 탄소미세구조가 형성되며, 그 이상의 고온에서는 결정성이 높은 흑연(graphitic) 구조와 탄소나노튜브가 형성이 된다. 저온 증착된 탄소미세구조/무기물은 축전용량이 잘 형성되고 고온에서 형성된 탄소미세구조/무기물은 인덕턴스가 잘 형성된다. 특히, 고온에서 기상증착을 시도할 경우 담체의 종류에 따라 무기물의 재결정과 그 주변에 탄소가 배열되는 구조가 얻어진다. 이는 인덕턴스의 생성에 중요한 요인으로 기상증착온도를 적절히 조절함에 따라 탄소의 구조를 조절할 수 있고 따라서 RLC 회로의 특성을 조절할 수 있게 된다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는바, 다음의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
실시예 1 : 메탄을 탄소원으로 한 경우
감마 알루미나(gamma alumina)에 Ni를 물이나 유기 용매에 녹는 형태로 담지 시킨 후 900 ℃에서 하소시켰다. 그런 다음, 석영(quartz)으로 되어 있는 반응기 안에 감마 알루미나 비드(bead)(1/8 in ×1/8 in) 넣고 수소와 메탄을 1:1의 비율로 섞어 통과시켰다. 이때, 반응기는 히터를 이용하여 가열시키며, 1000 ℃에서 탄소를 기상증착시켰다. 6시간 기상 증착시킨 다음 전기적 성질을 측정하였다. 유도질의 특성을 보여주기 위하여 싱글 펄스(single pulse)를 가한 다음, 나오는 출력전압을 기록한 결과를 첨부도면 도 1에 나타내었다. 도 1에서 실시예 1은 기존의 페라이트 코일로 이루어진 유도질에서 발생하는 것과 같은 파형을 보여주고 있고, 이는 알루미나 하나의 비드(bead)가 유도질로서 작동하는 것을 보여준다.
실시예 2 ∼ 6 : 메탄을 탄소원으로 한 경우
상기 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 기상증착을 시도하여 탄소를 알루미나 위에 증착시키되, 다음 표 1에 나타낸 바와 같이 기상증착하는 시간을 다르게 하여 탄소/무기물의 비율을 조절하였다. 그리고, 각각의 경우 발생하는 저항, 인덕턴스, 축전용량을 RLC 미터와 임피던스 측정기(impedance analyzer)를 이용하여 10 MHz에서 측정하였다.
그 결과, 알루미나 위의 탄소양이 감소함에 따라 인덕턴스가 줄어들면서 축전용량이 증가함을 알 수 있었다. 탄소가 생성되는 초기에는 탄소들의 결정입자경계(grain boundary)들이 서로 연결되어 있지 않은 관계로 높은 저항값을 보여주며 이에 따라 축전용량이 높게 나타난다. 표 1에서, 실시예 3과 4는 반응시간이 1시간에서 2시간으로 길어질 때 저항값이 1/1000로 줄어드는 것을 보여주며, 동시에 축전용량이 감소하였다. 이러한 전환점에서 인덕턴스가 생성되며 기상증착 시간이 길어짐에 따라 급격히 증가하였다. 무기물 담체 표면에서 탄소양이 증가함에 따라 인덕턴스가 증가하는 것은, 표면상에서 기상증착되는 탄소가 인덕턴스의 생성에 직접적으로 관계가 있음을 보여준다.
여기서, 실시예 4는 상기 실시예 1의 경우와 같이 싱글 펄스를 알루미나 비드에 가한 후 발생하는 출력전압을 기록하여 첨부도면 도 1에 나타내었다. 실시예 4는 전형적인 RC 회로의 형성을 보여주며, 이때도 아주 적은 량의 인덕턴스가 존재한다.
실시예 7 ∼ 10 : 프로판을 탄소원으로 한 경우
탄소원으로서 프로판을 사용한 것과, 하소온도, 기상증착하는 시간을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 기상증착시켰다. 그리고, 발생하는 저항, 인덕턴스, 축전용량을 측정하였다.
표 1을 보면, 실시예 10은 축전용량과 인덕턴스가 180°위상 차이가 발생함에 따라 서로 상쇄되고 있음을 알 수 있다.
실시예 11 ∼ 12 : 아닐린을 탄소원으로 한 경우
탄소원으로 아닐린을 사용한 것과, 기상증착하는 시간을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 기상증착시켰다.
실시예 13 : 2차원 회로의 구성
2차원 알루미나 표면상에 고분자 감광층을 이용하여 선폭 1mm의 회로를 구성한 후 그 위에 Ni 이온과 Fe 이온을 구별하여 도포하고, 이 표면상에 메탄을 탄소원으로 하여 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 기상증착시켰다. Ni 표면상에서는 멀티월(multi wall) 탄소나노튜브가 생성되었으며, Fe 표면상에서는 비결정질의 화이바(amorphous fiber)가 형성되었다.
실시예 14 : 3차원 회로의 구성
실시예 13에서 구축된 2차원 탄소 표면상에 고분자 감광층을 이용하여 선폭 1mm의 회로를 탄소 회로층과 직교하게 구성한 후 그 위에 Ni 이온과 Fe 이온을 구별하여 도포하고, 이 표면상에 메탄을 탄소원으로 하여 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 기상증착시켰다. 각각 두께는 기상증착 시간에 비례하였으며, 6시간 뒤 0.1 ∼ 0.3 ㎜ 두께의 탄소층을 얻었다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소미세구조를 이용한 RLC 회로는 기존의 페라이트 코일을 근간으로 하는 유도질 보다 획기적으로 작으면서도, 만족할 만큼의 인덕턴스를 형성시킬 수 있고, 더 나아가 RLC 초미세 칩 및 3차원 RLC 회로의 설계가 가능하여 이동통신 및 반도체 회로 등에 효과적으로 적용될 수 있다.
Claims (8)
- 무기물 표면에 탄소를 기상증착시켜 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소미세구조를 이용한 RLC(Resistance Inductance Capacitance) 회로.
- 제 1 항에 있어서, 상기 증착되어 이루어진 탄소미세구조 표면에, 또다른 성질의 탄소미세구조가 2차원적으로 형성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소미세구조를 이용한 RLC 회로.
- 제 2 항에 있어서, 상기 2차원적인 탄소미세구조 표면에, 다층의 또다른 성질의 탄소미세구조가 3차원적으로 형성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소미세구조를 이용한 RLC 회로.
- 제 1 항에 있어서, 상기 무기물은 산점(acid center)을 가지고 있거나, Ni, Fe, Co, Cu, Mn, Cr, Mo, W 및 탄소 중에서 선택된 원소를 표면에 하나 이상 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 탄소미세구조를 이용한 RLC 회로.
- 제 1 항에 있어서, 상기 무기물은 알루미나, 실리카, 알루미노실리케이트, 층상화합물, 제올라이트, 메조포러스 물질, 그리고 YSZ(yttrium stabilized zirconia), 지르코니아, Fe2O3및 Mn2O3중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 탄소미세구조를 이용한 RLC 회로.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기상증착에 사용되는 탄소는 탄소수 1∼24의 탄화수소로서, 기체로 전환가능한 것을 특징으로 하는 탄소미세구조를 이용한 RLC 회로.
- 제 6 항에 있어서, 상기 탄화수소에는 S, N, P, B, Al 및 Ga 중에서 선택된 원소가 하나 이상 함유된 것을 특징으로 하는 탄소미세구조를 이용한 RLC 회로.
- 제 6 항에 있어서, 상기 탄화수소 외에 추가로, S, N, P, B, Al 및 Ga 중에서 선택된 원소가 하나 이상 함유된 화합물을 사용하는 것을 특징으로 하는 탄소미세구조를 이용한 RLC 회로.
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