KR100846634B1 - 자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 ㎓ 주파수영역에서의 대역저지필터 소자 - Google Patents

자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 ㎓ 주파수영역에서의 대역저지필터 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 ㎓ 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자에 관한 것으로서, 특히 더욱 상세하게는 코플라나 웨이브 가이드 및 마이크로 스트립 라인과 같은 신호 전송선 위에 자성박막의 크기를 조절하여 패턴닝함으로써, RF 주파수 대역의 주파수 차단 필터 및 대역저지 필터로서의 기능을 가질 수 있고, 자성박막을 전송선 위에 증착하여 패터닝함으로써, 신호전송선의 근접장 노이즈를 강자성 공명 흡수 원리에 의하여 노이즈를 흡수할 수 있고, 자성박막의 크기를 조절함으로써 주파수대역을 선택할 수 있는 RF 광대역 노이즈 서프레서의 역할을 하며, 신호 전송선 위에 자성 박막을 사용하는 경우 신호 전송선 자체가 갖는 신호의 전송 파장이 자성박막의 형태 및 종류에 따라 10~50% 정도 줄어들어 신호 전송선의 길이를 축소시킬 수 있으므로 종래의 경우보다 디바이스의 크기를 줄이면서 파장의 감쇠효과를 가지며, 코플라나 웨이브 가이드 및 마이크로 스트립 라인과 같은 신호 전송선 위에 자성박막을 올려놓으므로 네크워크 아날라이저를 통하여 자성박막의 전력 흡수를 측정하게 됨으로써, 자성박막의 강자성 공명 주파수 및 주파수변화에 따른 투자율을 측정할 수 있게 하는 자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 ㎓ 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자에 관한 것이다.
상기 본 발명인 자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 GHz 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자는 대역저지필터가 형성되는 유리기판과; 상기 유리기판 위에 증착되며, 상기 유리기판과 코플라나 전송선로(CPW)의 접착력을 증가시키기 위하여 RF 스퍼터링에 의해 1000Å과 100Å의 두께로 증착되어 형성된 Cu/Ti 씨앗층과; 상기 Cu/Ti 씨앗층 상에 형성되며, 양단이 각각 입출력부로서 제공되는 코플라나 신호선로와, 상기 신호선로 양측의 상기 Cu/Ti 씨앗층 상에 각각 형성 제1 및 제2 코플라나 접지선로를 포함하는 Cu 코플라나 전송선로와; 상기 코플라나 신호선로 위에 형성되며, 코플라나 신호선로와 자성박막 사이에 질소 분위기 하에서 400℃로 하소하여 형성한 폴리이미드(polyimide) 또는 실리콘 옥사이드가 코팅되는 절연체와; 상기 절연체 상에 형성되며, 코플라나 웨이브 가이드 또는 마이크로 스트립 라인인코플라나 신호선로가 형성된 부분과 대응되는 영역에 형성된 자성박막; 을 포함함을 특징으로 한다.
코플라나 전송선로, 강자성공명, 자성박막, 필터, 특성 임피던스, 산란계수, 마이크로파.

Description

자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 ㎓ 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자{The band-stop filter device in GHz frequency range using ferromagnetic resonance of the magnetic film}
도 1a와 도 1b는 각각 종래 방식에 따른 집적회로소자에 전파흡수체를 채용한 형태를 나타내는 사진.
도 2a 내지 도 2c는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 ㎓ 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자를 나타내는 측 단면도, 사시도 및 측정을 위한 평면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 CoNbZr 자성박막의 자화곡선 그래프.
도 4a와 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 각각 CoNbZr 자성박막과 패턴닝된 CoNbZr 자성박막의 주파수 변화에 따른 투자율의 변화를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 자성박막이 집적화되지 않은 코플라나 전송선로와 자성 박막이 집적화된 코플라나 전송선로의 경우에 있어서 박막 두께에 따른 전송신호 감쇠 효과를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 자성박막의 두께에 따른 강자성 공명 주파수의 변화를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 코플라나 전송선로 위에 집적화된 자성박 막의 두께에 따른 전력 흡수 손실을 코플라나 전송선로와 비교하여 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 코플라나 전송선로(CPW)와 자성 박막이 집적화된 코플라나 전송선로의 특성임피던스를 비교하여 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 코플라나 전송선로와 코플라나 전송선로 위에 집적된 자성박막의 두께 변화에 따른 전송파장을 주파수의 함수로 나타낸 그래프.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10...유리기판 20...Cu/Ti 씨앗층
30...Cu 코플라나 전송선로 31...코플라나 신호선로
32...제1 및 제2 코플라나 접지선로
40...절연체 50...자성박막
본 발명은 자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 ㎓ 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자에 관한 것으로서, 특히 더욱 상세하게는 코플라나 웨이브 가이드 및 마이크로 스트립 라인과 같은 신호 전송선 위에 자성박막의 크기를 조절하여 패턴닝함으로써, RF 주파수 대역의 주파수 차단 필터 및 대역저지 필터로서의 기능을 가질 수 있고, 자성박막을 전송선 위에 증착하여 패터닝함으로써, 신호전송선의 근 접장 노이즈를 강자성 공명 흡수 원리에 의하여 노이즈를 흡수할 수 있고, 자성박막의 크기를 조절함으로써 주파수대역을 선택할 수 있는 RF 광대역 노이즈 서프레서의 역할을 하며, 신호 전송선 위에 자성 박막을 사용하는 경우 신호 전송선 자체가 갖는 신호의 전송 파장이 자성박막의 형태 및 종류에 따라 10~50% 정도 줄어들어 신호 전송선의 길이를 축소시킬 수 있으므로 종래의 경우보다 디바이스의 크기를 줄이면서 파장의 감쇠효과를 가지며, 코플라나 웨이브 가이드 및 마이크로 스트립 라인과 같은 신호 전송선 위에 자성박막을 올려놓으므로 네크워크 아날라이저를 통하여 자성박막의 전력 흡수를 측정하게 됨으로써, 자성박막의 강자성 공명 주파수 및 주파수변화에 따른 투자율을 측정할 수 있게 하는 자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 ㎓ 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자에 관한 것이다.
최근에, 다양화와 전문화에 따른 신속한 정보교환의 필요성에 의해 다양한 형태의 무선이동통신 시스템의 수요는 급속히 증가하는 추세에 있다. 이러한 무선이동통신 기술의 핵심이 고주파 반도체 소자이다. 일반적으로, "고주파 반도체 소자"라 함은, 통상 ㎓대 이상의 고주파수 대역 신호를 고속 처리할 수 있는 고주파시스템에 사용되는 고주파 소자 중 반도체공정을 이용하여 제작된 반도체소자를 의미한다.
종래에는 고주파 무선통신용 소자 또는 회로를 구현함에 있어서 수동소자나 단일 부품 등을 사용하였으나, 고주파에서의 신뢰성에 문제가 있어 반도체 기술을 이용한 소자의 사용이 증가하는 추세이다. 이와 더불어, 고주파 특성이 우수하고, 신호 크기에 따른 특성 변화가 적으며, RF단의 여러 소자들을 단일 칩으로 집적가 능한 정보 통신용 부품으로서 단일 고주파 집적회로(Monolithic Microwave IC, MMIC)의 개발이 급진전되고 있으며, 그 중요성이 나날이 증가하고 있다.
일반적으로, MMIC 부품은 무선이동통신과 휴대용 개인컴퓨터 등의 메인보드 등에 내장되는 비선형 반도체소자에서 필연적으로 발생하는 고주파 노이즈 방사를 억제하기 위한 대응방안이 요구된다. 종래의 방안으로는 시트형 또는 박형인 전파흡수체를 채용하여 왔다.
이러한 전파흡수체는 자성체 또는 유전체인 압분체를 유기고분자 지지재에 혼입시킨 복합재료로 이루어진 수 ㎜ 두께의 시트 또는 소자형태로서, 노이즈 발생원이 되는 비선형 반도체칩들과는 별개로 단일 부품으로 제조되어 IC칩들 주위에 장착되는 방식으로 사용된다. 도1a 및 도1b는 종래의 전파흡수체의 적용예를 나타낸다.
도 1a를 참조하면, 개인용 컴퓨터 메인보드에 장착된 I/O 제어 허브(controller hub)(1)가 도시되어 있다. 여기서, 다른 비선형 IC칩들과 같이 고조파 노이즈를 발생하며, 그 노이즈를 제거하기 위하여 칩 주위에 다수의 박형인 칩 형태의 전파흡수소자들(2)이 장착되어 있다.
도 1b는 플렉서블 시트형 전파흡수체(4)의 적용한 예를 나타낸다. 플렉서블 시트형 전파흡수체(4)는 IC칩(3)의 상부표면에 물리적으로만 밀착된 방식으로 사용된다.
도 1a에 나타난 전파흡수소자의 예에서 알 수 있는 바와 같이, 다수의 전파흡수소자를 장착하기 위해서 메인보드 주위의 많은 면적이 소요되므로 전체적인 회 로의 부피와 복잡성을 지나치게 증가하는 불이익한 측면이 있으며, 도 1b의 경우에는 회로의 부피나 복잡성을 야기하지는 않으나 효율적인 노이즈 제거 효과를 가지지 못하는 문제가 있다.
이와 같이, 종래의 전파흡수체를 이용한 노이즈 저감방안은 회로의 부피나 복잡성을 가중시켜 소형화를 어렵게 하거나, 실제 고주파에서 노이즈의 우수한 제거효과를 기대하기 어렵다는 문제가 있다.
그러므로 마이크로파 흡수 특성을 가진 자성박막을 전송선 위에 집적화하여 자성 박막 인덕터와 필터 및 전자파 잡음 대책용 소자에 응용하기 위해서는 전송선 위에 집적화된 자성 박막의 특성 임피던스 Zc(Characteristic Impedance)와 전력흡수율 및 주파수 제어가 매우 중요한 요소들이므로 본 발명과 같은 광대역 CPW 전송선과 네트워크 분석기를 이용한 주파수 주사 방식을 통하여 전송선 위에 집적화된 자성 박막의 특성 임피던스와 마이크로파 흡수 특성 그리고 강자성 공명에 의한 전력 흡수 주파수 제어를 할 수 있는 자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 ㎓ 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
이에 본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 코플라나 웨이브 가이드 및 마이크로 스트립 라인과 같은 신호 전송선 위에 자성박막의 크기를 조절하여 패턴닝함으로써, RF 주파수 대역의 주파수 차단 필터 및 대역저지 필터로서의 기능을 가질 수 있는 자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 GHz 주파 수 영역에서의 대역저지필터 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 자성박막을 전송선 위에 증착하여 패터닝함으로써, 신호전송선의 근접장 노이즈를 강자성 공명 흡수 원리에 의하여 노이즈를 흡수할 수 있는 자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 ㎓ 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자를 제공하는데 있다.
또 본 발명의 다른 목적은 자성박막의 크기를 조절함으로써 주파수대역을 선택할 수 있는 RF 광대역 노이즈 서프레서의 역할을 하는 자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 ㎓ 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자를 제공하는데 있다.
또 본 발명의 다른 목적은 신호 전송선 위에 자성 박막을 사용하는 경우 신호 전송선 자체가 갖는 신호의 전송 파장이 자성박막의 형태 및 종류에 따라 10~50% 정도 줄어들어 신호 전송선의 길이를 축소시킬 수 있으므로 종래의 경우보다 디바이스의 크기를 줄이면서 파장의 감쇠효과를 가지는 자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 ㎓ 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자를 제공하는데 있다.
또 본 발명의 다른 목적은 코플라나 웨이브 가이드 및 마이크로 스트립 라인과 같은 신호 전송선 위에 자성박막을 올려놓으므로 네크워크 아날라이저를 통하여 자성박막의 전력 흡수를 측정하게 됨으로써, 자성박막의 강자성 공명 주파수 및 주파수변화에 따른 투자율을 측정할 수 있게 하는 자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 ㎓ 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 GHz 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자는 대역저지필터가 형성되는 유리기판과; 상기 유리기판 위에 증착되며, 상기 유리기판과 코플라나 전송선로(CPW)의 접착력을 증가시키기 위하여 RF 스퍼터링에 의해 1000Å과 100Å의 두께로 증착되어 형성된 Cu/Ti 씨앗층과; 상기 Cu/Ti 씨앗층 상에 형성되며, 양단이 각각 입출력부로서 제공되는 코플라나 신호선로와, 상기 신호선로 양측의 상기 Cu/Ti 씨앗층 상에 각각 형성 제1 및 제2 코플라나 접지선로를 포함하는 Cu 코플라나 전송선로와; 상기 코플라나 신호선로 위에 형성되며, 코플라나 신호선로와 자성박막 사이에 질소 분위기 하에서 400℃로 하소하여 형성한 폴리이미드(polyimide) 또는 실리콘 옥사이드가 코팅되는 절연체와; 상기 절연체 상에 형성되며, 코플라나 웨이브 가이드 또는 마이크로 스트립 라인인코플라나 신호선로가 형성된 부분과 대응되는 영역에 형성된 자성박막; 을 포함함을 특징으로 한다.
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상기 본 발명에 있어서, 상기 기판은 유리기판 또는 폴리머계열 기판인 것을 특징으로 한다.
상기 본 발명에 있어서, 상기 대역저지필터 소자를 이용한 0.1 내지 20GHz의 주파수에 따른 투자율은 측정하고자 하는 자성 박막의 크기에 따라 코플라나 전송선로나 마이크로 스트립라인의 크기를 조절하여 네트워크 분석기에 의해 측정된 산란계수(s-parameter)를 측정하여 얻을 수 있는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면과 함께 본 발명의 바람직한 실시예를 살펴보면 다음과 같은데, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명인 자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 ㎓ 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자를 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2a 내지 도 2c는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 ㎓ 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자를 나타내는 측 단면도, 사시도 및 측정을 위한 평면도이다.
상기 도 2a 내지 도 2c에 도시한 바와 같이, 자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 GHz 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자는 대역저지필터가 형성되는 유리기판(10)과; 상기 유리기판 위에 증착되며, 상기 유리기판과 코플라나 전송선로(CPW)의 접착력을 증가시키기 위하여 형성된 Cu/Ti 씨앗층(20)과; 상기 Cu/Ti 씨 앗층 상에 형성되며, 양단이 각각 입출력부로서 제공되는 코플라나 신호선로(31)와, 상기 신호선로 양측의 상기 Cu/Ti 씨앗층 상에 각각 형성 제1 및 제2 코플라나 접지선로(32)를 포함하는 Cu 코플라나 전송선로(30)와; 상기 코플라나 신호선로 위에 형성되며, 코플라나 신호선로와 자성막 사이에 코팅되는 절연체(40)와; 상기 절연체 상에 형성되며, 코플라나 신호선로가 형성된 부분과 대응되는 영역에 형성된 자성박막(50); 을 구비한다.
상기 ㎓ 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자를 제작하는 상세한 방법과 조건 등은 다음과 같다.
마이크로파 신호의 전송 특성을 측정하기 위하여 50Ω의 특성 임피던스를 갖는 코플라나 전송선로(CPW; Coplanar Waveguide)를 설계하여 7059 코닝 유리기판 위에 제작하였다. 상기 CPW 위에 집적화된 소자는 2 ㎜(l) x 50 ㎛(w) x 0.5, 1, 2 ㎛(t)의 자성박막(50) / 폴리이미드(40) 2 ㎛ / Cu 코플라나 전송선(30) / 씨앗층(Cu/Ti)(20) / 기판(10)의 구조로 감광제를 이용하여 건식 및 습식 식각 공정을 이용하여 제작하였다. 기판과 CPW의 접착력을 증가시키기 위하여 Cu/Ti 씨앗층은 RF 스퍼터링에 의해 1000 Å과 100 Å의 두께로 증착되었다. 도 2a는 코플라나 전송선로의 측 단면도를 나타내었으며, 도 2b는 CPW 위에 패턴닝된 자성박막을 이용한 소자의 사시도를 나타내었다. CPW는 사진식각법(photolithography)을 이용하여 감광제로 구조를 형성하였으며, 전해액 CuSO4, H2SO4 와 순수(DI: deionized water)를 혼합하여 전기도금법에 의해 3 ㎛ 두께의 Cu로 제작되었다. CPW와 자성막 사이 의 절연체로서 사용된 2 ㎛ 두께의 폴리이미드(polyimide)(40)는 스핀 코팅하여 질소 분위기 하에 400 ℃로 하소하였다. 상기 폴리이미드는 실리콘 옥사이드로 교체가 가능할 것이다. Co85Nb12Zr3 아모퍼스 자성박막(50)은 RF 마그네트론 스퍼터링에 의하여 폴리이미드 층위에 증착하였으며 사진식각 공정을 거쳐 Ar 가스를 이용한 이온 밀링(ion milling)에 의해 패턴을 형성하였다. 전극 위에 코팅된 폴리이미드는 CF4와 Ar 혼합가스를 이용한 반응성 이온 에칭(RIE; Reactive Ion Etching)에 의해 제거하였다. 자성박막의 패턴을 형성 한 후 자성 박막의 일축 자기 이방성 자기장(Hk)과 스핀 배열 방향을 조절하기 위하여 자성박막은 약 3 kG의 외부 자기장 하에 한 시간 동안 300 ℃로 열처리를 하였다. 또한 상기 기판(10)은 유리기판으로 되어 있으나, Si계열 웨이퍼, GaAs계열 웨이퍼, 폴리머계열 기판 중에서 어느 것을 사용하여도 무방할 것이다.
주파수 변화에 따른 제작된 소자의 전자기적 특성을 측정하기 위하여 도 2c와 같이, GSG(Ground-Signal-Ground) 핀 형태의 웨이퍼 프로브(wafer probe)를 전송선로의 양단에 접촉시켜 HP8720 네트워크 분석기에 의해 0.1 ㎓에서 10 ㎓까지 측정하였다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 CoNbZr 자성박막의 자화곡선 그래프이고, 도 4a와 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 각각 CoNbZr 자성박막과 패턴닝된 CoNbZr 자성박막의 주파수 변화에 따른 투자율의 변화를 나타낸 그래프이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 자성박막이 집적화되지 않은 코플라나 전송선로와 자성 박막이 집적화된 코플라나 전송선로의 경우에 있어서 박막 두께에 따른 전송신호 감쇠 효과를 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 자성박막의 두께에 따른 강자성 공명 주파수의 변화를 나타낸 그래프이며, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 코플라나 전송선로 위에 집적화된 자성박막의 두께에 따른 전력 흡수 손실을 코플라나 전송선로와 비교하여 나타낸 그래프이다. 또한 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 코플라나 전송선로(CPW)와 자성 박막이 집적화된 코플라나 전송선로의 특성임피던스를 비교하여 나타낸 그래프이고, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 코플라나 전송선로와 코플라나 전송선로 위에 집적된 자성박막의 두께 변화에 따른 전송파장을 주파수의 함수로 나타낸 그래프이다.
자성 박막은 시료 진동형 자력계(VSM: Vibrating Sample Magnetometer)와 Ryowa회사의 PMM-9G1 투자율 측정기를 이용하여 자기적 특성을 조사하였다. 도 3에 도시한 바와 같이, 자성 박막의 포화자화(4πMs: Saturation Magnetization) 값은 약 10 kG이며, 자화곤란 방향의 보자력(Hc-hard)은 0.6 Oe이고, 이방성 자기장의 값은 약 10 Oe이다.
자성 박막의 고주파 투자율은 0.1 ㎓에서 9 ㎓까지 측정되었으며 도 4a에 도시한 바와 같이, 상대 투자율(μr = μ′- jμ″)의 실수부(μ′)과 허수부(μ″)의 변화를 주파수 증가에 따라 보여주고 있다. 측정된 결과에 의하면 CoNbZr 박막의 강자성 공명 주파수(ｆr)는 약 0.85 ㎓이었으며, 이는 강자성 공명 조건과 Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)의 강자성 공명에 관한 이론식으로 계산된 결과와 거의 일치 함을 알 수 있었다.
반자장 효과를 이용한 강자성 공명 조건에 대한 수식은 다음과 같이 표현된다.
Figure 112007008910694-pat00001
(1)
여기서, fr, γ , Hk, and 4πMs 는 각각 강자성 공명 주파수, 자기회전비, 이방성 자기장 그리고 포화자화 값을 나타낸다. 반자장 계수(demagnetizing factor) Nx, Ny,와 Nz는 자성 박막의 형상과 크기에 의해 결정된다.
도 4b는 패턴닝된 자성박막의 크기에 따른 반자장 효과를 고려하여 LLG 수식에 의해 계산된 따른 투자율의 변화를 주파수의 함수로 나타내었다. 자성 박막의 길이와 폭을 2 ㎜와 50 ㎛로 고정하고 자성 박막의 두께를 0.5 ㎛, 1.0 ㎛, 2.0 ㎛로 각각 증가시킴에 따라 투자율의 크기는 감소하였으나, 강자성 공명 주파수의 값은 2.9 ㎓, 4.0 ㎓, 5.5 ㎓로 증가하는 현상을 보였다. 이는 자성박막의 두께가 증가함에 따라 형상 이방성에 의한 반자장의 크기가 증가하기 때문이다.
자성박막이 집적화된 CPW 전송선로의 마이크로파 전력 흡수 특성과 특성 임피던스 Zc의 변화를 고찰하기 위하여 네트워크 분석기에 의해 산란계수(S-parameter: S11, S12, S21, S22)를 측정하였다. 이러한 산란계수는 전송선의 입력 전력과 반사전력에 의해 결정된다. 자성박막이 집적화되지 않은 CPW와 자성 박막이 집적화된 CPW의 경우에 있어서 박막 두께에 따른 전송신호 감쇠 효과(S21)를 측정하여 도 5에 나타내었다. 측정된 전송신호의 변화들을 유한 요소법(FEM: Finite Element Method)을 이용한 3차원 전자기장 해석용 전산모사 상용 프로그램(HFSS: High Frequency Structure Simulator)을 이용하여 얻은 출력 전송 신호(S21) 결과와 비교하였다. 유한 요소법에 의한 전자기장 해석을 위하여 LLG 이론식에 의해 계산된 자성박막 두께에 따른 투자율의 주파수 변화 결과(도 4a와 도 4b)를 적용하였다. 그 결과, 자성 박막이 집적화된 CPW와 자성박막이 적용되지 않은 CPW 모두 전송 신호 통과영역인 1 ㎓ 까지는 출력 전송신호의 감쇠현상이 크지 않음을 알 수 있었다. 그러나 1 ㎓ 이상의 영역에서 자성박막이 집적화되지 않은 CPW는 출력 전송 신호는 매우 작게 감쇠하는 현상을 유지하였으나 CPW 위에 자성박막이 증착, 패턴닝 된 경우, 특정한 주파수에서 전송 신호의 급격한 감쇠가 측정되었다. 자성박막의 두께가 0.5 ㎛, 1.0 ㎛, 2.0 ㎛로 증가함에 따라 최대 감쇠 현상이 검출되는 측정된 주파수와 전산모사에 의한 계산된 감쇠 주파수는 3.1 ㎓, 4.6 ㎓, 5.8 ㎓와 3.5 ㎓, 4.9 ㎓, 6.5 ㎓로 나타났다.
입력 신호가 특정 주파수 대역에서 감쇠 현상을 보이는 위의 결과들은 자성박막의 크기에 따른 형상 자기 이방성 변화에 의한 마이크로파 전력 흡수에 따른 강자성 공명 주파수(도 4b)와 거의 일치함을 알 수 있었다. 자성박막 두께의 증가에 따라 공명 주파수영역이 고주파 영역으로 이동되어 측정 및 계산되었는데 이러한 결과는 자성박막의 형상 자기 이방성에 따른 반자장 효과를 조절함으로써 마이 크로파 전력 흡수 주파수를 조절 할 수 있음을 알 수 있었다.
CPW 및 전자기장 전산모사 프로그램(HFSS) 그리고 반자장 효과를 이용한 강자성 공명 조건과 LLG의 강자성 공명 관한 이론식에 의한 자성박막의 두께에 따른 강자성 공명 주파수의 변화에 대한 비교를 도 6에 나타내었다.
마이크로파 입력 신호에 대한 전력 손실은 네트워크 분석기로 측정된 산란계수를 이용하여 다음과 같이 일반화 할 수 있다.
PLOSS / PIN=1-(|S11|2+|S21|2) (2)
여기서, PLOSS는 전송신호의 전력손실을 나타내며 PIN은 입력 전력을 나타낸다.
CPW 위에 집적화된 자성박막의 두께에 따른 전력 흡수 손실을 CPW와 비교하여 도 7에 나타내었다. 자성박막의 두께가 증가함으로써 출력 손실은 자성박막의 마이크로파 흡수로 인하여 특정한 주파수 영역에서 67 %에서 84 %까지 증가함을 알 수 있었다.
일반적으로, 전송 신호의 특성 임피던스와 위상변화는 전자 소자들의 신호품질을 우수하게 유지하기 위하여 최소화하여야 한다. 이러한 소자의 특성 임피던스는 아래와 같은 수식에 의해 표현할 수 있다.
Figure 112007008910694-pat00002
(3)
Figure 112007008910694-pat00003
(4)
측정된 산란계수의 값을 식 (3)에 대입하여 특성 임피던스 변화를 볼 수 있다. CPW와 자성 박막이 집적화된 CPW의 특성 임피던스를 비교하여 도 8에 나타내었다. 자성박막이 사용된 경우에 CPW 자체의 특성 임피던스 변화에 비하여 1 ㎓에서 박막의 두께에 따라 약 3 Ω에서 8 Ω까지 증가함을 보였다. 이는 식(4)에 의해서 알 수 있듯이 소자의 용량성 리액턴스의 변화에 비하여 유도성 리액턴스인 인덕턴스 성분의 변화가 상대적으로 증가하여 특성 임피던스는 증가한 것으로 판단된다.
전송선 및 전자소자에 있어서 자성박막의 집적화로 인한 전송 신호의 위상 변화는 폭 넓은 주파수 영역에서 전송 파장을 짧아지게 만들 수 있다. 전송파장(γ)는 γ= α+jβ로 표현되며, 여기서, γ는 전송 상수(propagation constant), α는 감쇠 상수(attenuation constant), 그리고 β는 위상(phase = 2π/λ)이다. CPW와 CPW 위에 집적된 자성박막의 두께 변화에 따른 전송파장을 주파수의 함수로 도 9에 나타내었다. CPW 위에 패턴닝된 자성박막의 전송파장은 1 ㎓에서 두께 변화에 따라 상대적으로 크게 변화지 않았으나(약 17 ㎝) 자성 박막이 없는 CPW의 전송 파장(20.5 ㎝)에 비하여 약 17% 짧아진 것을 알 수 있었다. 자성 박막에 의하여 전송선의 전송파장이 짧아졌다는 것은 파장이 짧아진 만큼 전자소자의 크기를 줄일 수 있다는 것을 의미한다.
그러므로 본 발명에 따른 자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 ㎓ 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자는 비선형 능동소자를 포함한 고주파 집적회로가 형성된 영역을 갖는 유리 기판에서 상기 기판 중 다른 영역에 구현됨으로써 소형화된 ㎓ 주파수 영역에서의 대역저지필터가 일체화된 고주파 집적회로소자를 제공할 수 있다. 이때에, 코플라나 신호선로의 양단은 입, 출력단으로 제공되어 외부회로와 내부집적회로 사이에 연결되도록 구현될 수 있는 것이다.
또한 20 ㎓까지의 주파수에 따른 투자율은 측정하고자 하는 자성 박막의 크기에 따라 CPW나 마이크로 스트립라인의 크기를 조절하여 측정된 s-parameter를 이용하여 얻을 수 있는데, 이의 과정은 다음과 같다.
주파수 변화에 따른 투과 변수들은 s-parameter 측정 데이터로부터 직접 추출할 수 있다. 신호(signal) 투과는 고전적인 Telegrapher의 투과 라인 방정식의 해를 기초로 한다. S-papameter의 응답은 Z0 임피던스 시스템에서 γ와 Zc와 함께 일치되지 않은 투과 라인 길이( l)의 손실로부터 측정된다. 이는
Figure 112007008910694-pat00004
(1-1)
여기서,
Figure 112007008910694-pat00005
상기 위의 메트릭스(matrix)가 대칭적일 때, 두개의 독립적인 선형방정식을 포함한다. 이 S-parameter 메트릭스는 더 명확하고 서로 연결된 전파 상수 γ(ω)와 임피던스 Z(ω)를 통합한 ABCD parameters로 전환된다.
동등한 ABCD matrix는
Figure 112007008910694-pat00006
(2-1)
S-parameter와 ABCD matrix 사이의 관계는
Figure 112007008910694-pat00007
(3-1)
여기서
Figure 112007008910694-pat00008
방정식 (1-1) 내지 (3-1)는 산출되어 결합된다.
Figure 112007008910694-pat00009
(4-1)
여기서,
Figure 112007008910694-pat00010
(5-1)
Figure 112007008910694-pat00011
(6-1)
복소수의 변수들인 γ와 Z가 e-γl와
Figure 112007008910694-pat00012
로 추출되는 동안 S-parameter 네트워크 분석기의 주기적으로 도해된 상(-180도로부터 +180도로)의 출력은 값으로 전환된다.
γ와 Z가 결정되면, 표준의 투과 라인 관계는
Figure 112007008910694-pat00013
(7-1)
Figure 112007008910694-pat00014
(8-1)
Figure 112007008910694-pat00015
반자장 효과를 이용한 강자성 공명 조건에 대한 수식은 다음과 같이 표현된다.
Figure 112007008910694-pat00016
(9-1)
여기서, ｆr, γ , Hk, and 4πMs 는 각각 강자성 공명 주파수, 자기회전비, 이방성 자기장 그리고 포화자화 값을 나타낸다. 반자장 계수(demagnetizing factor) Nx, Ny,와 Nz는 자성 박막의 형상과 크기에 의해 결정된다.
일반적으로, 투과 라인 방법을 사용한 미지의 상대 투자율은
Figure 112007008910694-pat00017
로 표현된다. 투과 라인이 시편 재료에 부하되었을 때, 특성 임피던스(Zc)는 다음과 같다.
Figure 112007008910694-pat00018
(10-1)
부하되지 않은 영역에서, 자유 공간에서의 전파 상수는
Figure 112007008910694-pat00019
이고, 부하되는 영역에서, 전파 상수는 일반적으로 복소수화되고, γ에 의해서 표시된다. 여기서
Figure 112007008910694-pat00020
(11-1)
양 측에서 부하되고 부하되지 않은 것 사이의 평면 경계에서, 반사계수 R과 ­R은 각각 복소수화 되어 있다. 여기서
Figure 112007008910694-pat00021
(12-1)
식 (10-1)을 사용하여, 방정식 (11)과 (12)는 원하는 변수들을 산출하여 동시에 구할 수 있다.
Figure 112007008910694-pat00022
(13-1)
따라서 알고 있는γ와 R로부터 μr을 계산한다. 상기 투자율 값은 입력과 출력 단자로부터 측정한 S11와 S21의 값으로부터 알 수 있다.
끝으로, S-parameter를 다음과 같은 [T] matrix로부터 추출한다.
Figure 112007008910694-pat00023
(14-1)
Figure 112007008910694-pat00024
(15-1)
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 GHz 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 본 발명은 코플라나 웨이브 가이드 및 마이크로 스트립 라인과 같은 신호 전송선 위에 자성박막의 크기를 조절하여 패턴닝함으로써, RF 주파수 대역의 주파수 차단 필터 및 대역저지 필터로서의 기능을 가질 수 있다.
둘째, 본 발명은 자성박막을 전송선 위에 증착하여 패터닝함으로써, 신호전송선의 근접장 노이즈를 강자성 공명 흡수 원리에 의하여 노이즈를 흡수할 수 있다.
셋째, 본 발명은 자성박막의 크기를 조절함으로써 주파수대역을 선택할 수 있는 RF 광대역 노이즈 서프레서의 역할을 한다.
넷째, 본 발명은 신호 전송선 위에 자성 박막을 사용하는 경우 신호 전송선 자체가 갖는 신호의 전송 파장이 자성박막의 형태 및 종류에 따라 10~50% 정도 줄어들어 신호 전송선의 길이를 축소시킬 수 있으므로 종래의 경우보다 디바이스의 크기를 줄이면서 파장의 감쇠효과를 나타낸다.
다섯째, 본 발명은 코플라나 웨이브 가이드 및 마이크로 스트립 라인과 같은 신호 전송선 위에 자성박막을 올려놓으므로 네크워크 아날라이저를 통하여 자성박막의 전력 흡수를 측정하게 됨으로써, 자성박막의 강자성 공명 주파수 및 주파수변화에 따른 투자율을 측정할 수 있게 한다.

Claims (7)

  1. 자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 GHz 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자에 있어서,
    대역저지필터가 형성되는 유리기판과;
    상기 유리기판 위에 증착되며, 상기 유리기판과 코플라나 전송선로(CPW)의 접착력을 증가시키기 위하여 RF 스퍼터링에 의해 1000Å과 100Å의 두께로 증착되어 형성된 Cu/Ti 씨앗층과;
    상기 Cu/Ti 씨앗층 상에 형성되며, 양단이 각각 입출력부로서 제공되는 코플라나 신호선로와, 상기 신호선로 양측의 상기 Cu/Ti 씨앗층 상에 각각 형성 제1 및 제2 코플라나 접지선로를 포함하는 Cu 코플라나 전송선로와;
    상기 코플라나 신호선로 위에 형성되며, 코플라나 신호선로와 자성박막 사이에 질소 분위기 하에서 400℃로 하소하여 형성한 폴리이미드(polyimide) 또는 실리콘 옥사이드가 코팅되는 절연체와;
    상기 절연체 상에 형성되며, 코플라나 웨이브 가이드 또는 마이크로 스트립 라인인코플라나 신호선로가 형성된 부분과 대응되는 영역에 형성된 자성박막; 을 포함함을 특징으로 하는 자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 GHz 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은 유리기판 또는 폴리머계열 기판인 것을 특징으로 하는 자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 GHz 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 대역저지필터 소자를 이용한 0.1 내지 20GHz의 주파수에 따른 투자율은 측정하고자 하는 자성 박막의 크기에 따라 코플라나 전송선로나 마이크로 스트립라인의 크기를 조절하여 네트워크 분석기에 의해 측정된 산란계수(s-parameter)를 측정하여 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 자성박막의 강자성 공명 현상을 이용한 GHz 주파수 영역에서의 대역저지필터 소자.
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