KR101945996B1 - 그래핀 기반의 스트립라인에 의해 형성되는 rf 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 그래핀 기반의 스트립라인에 의해 형성되는 RF 필터에 관한 발명이다.
본 발명은 일 실시예로 교류 전류가 인가되는 RF 필터에 있어서, RF Input 전극과 RF Output 전극이 형성된 유전체 소재의 기판 및 상기 기판 상에 그래핀(Graphene)이 패터닝(Patterning)된 그래핀 기반의 스트립라인(stripline)을 포함하는 RF 필터를 제공한다.
또한, 본 발명은 다른 실시예로 유전체 소재의 기판 상에 RF Input 전극, RF Output 전극을 배치하는 전극 배치 단계, 상기 기판 상에 RF Input 전극과 RF Input 전극을 잇는 수평 스트립라인과 수평 스트립라인과 직교하는 수직 스트립라인이 교대로 배치되며 커플링될 수 있도록 그래핀을 패터닝하는 패터닝 단계를 포함하며, 상기 패터닝 단계에서 수직 스트립 라인의 폭이 수평 스트립라인의 폭보다 더 넓게 패터닝하는 것을 특징으로 하는 RF 필터 제조 방법을 제공한다.
본 발명을 통하여, RF 필터의 소형화가 가능해짐으로써, 다양한 형상의 RF 통신 장비 설계가 가능해지며, 장비 전체의 소형화 및 경량화할 수 있다.

Description

그래핀 기반의 스트립라인에 의해 형성되는 RF 필터{A Radio frequency filter formed by a grapheme-based stripline}

본 발명은 주파수 필터에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 그래핀(Graphene)을 패터닝함으로써 그래핀 기반의 스트립라인을 형성하며, 상기 스트립라인이 커패시터, 인덕터 역할을 수행함으로써 종래에 비하여 소형화되었으면서도, 시스템 Order가 높아 노이즈 제거도 용이한 고성능 RF 필터에 관한 것이다.

무선통신 시스템, 이동통신 시스템 등에는 신호 수신기로 입력되는 다른 시스템의 신호를 제거하고 원하는 주파수 대역의 신호만을 수신하기 위해 LPF(Low Pass Filter), BPF(Band Pass Filter) 등의 RF filter를 사용하고 있으며, 이 때 사용되는 필터들은 대부분 LPF를 기반으로 작동한다.

LPF(Low Pass Filter)는 차단 주파수(fc)를 기준으로, 차단 주파수보다 진동수가 낮은 영역의 주파수 신호는 통과시키고, 차단 주파수보다 진동수가 높은 영역의 주파수는 감쇠시켜, 노이즈를 제거하는데 사용되는 필터이다.

기존의 LPF는 가공이 쉬운 도체인 금속으로 제작되며, 수신에 필요한 주파수 대역과 신호 수신 특성의 적합도에 따라 LPF의 용적이 결정된다.

또한, 기존의 LPF는 주로 금과 같은 금속 도선을 사용하기 때문에 불투명하고 소성 변형으로 인해 유연 소자로의 적용에 한계가 있으며, 나노미터 단위에서 형상을 정밀하게 제어하기 어려워 집적화, 초소형화에도 한계가 있다.

최근 초고속 무선통신 기술이 발전하고 상용화되면서, 많은 종류의 전자기기들에 RF 신호 송수신 시스템을 장착할 것이 요구되고 있다. 따라서 RF 소자의 소형화가 필수적이나, 소형화될 경우 잡음, 잡신호가 발생하는 비율이 높아지므로 필터의 성능 또한 높은 수준을 유지하여야 한다.

또한 최근 들어 Wearable device와 같은 유연 소자에 대한 요구 및 투명 디스플레이 등 투명 소자에 대한 요구가 늘어남에 따라서, 투명하고 유연하면서도 기존 필터에 비해 소형화가 가능한 고성능의 RF 필터에 대한 요구가 증대하고 있다.

소형화 가능한 RF 필터에 대한 요구가 증가함에 따라, 종래의 선행기술 (한국등록특허 KR 10-1274125)은 열적 특성과 전기적 특성이 모두 우수한 그래핀 층을 전기소자로 사용하기 위하여 포토리소그래피 공정을 활용하는 기술을 제공한다.

또 다른 선행기술(일본등록특허 JP 2016-133632)은 그래핀으로 패터닝된 광학소자에 대한 기술을 제공한다.

상기와 같이, 종래의 선행기술들은 RF 소자의 소형화를 위하여 열, 전기적 특성이 우수한 그래핀을 활용하는 방안을 제시하고 있으나, 실용화 단계에 이를 정도까지의 구체적인 기술을 제공하는 것은 아니다.

따라서, 그래핀 기반의 소형화된 RF 소자를 실용화하기 위해서는 기판에 그래핀을 패터닝하는 방법이나 그래핀의 산화를 방지하는 방안 등 구체적인 논의가 필요한 것이 현실이다.

한국등록특허(등록번호 : KR 10-1274125) “투명 전도성 패턴 층의 형성방법 및 투명 전도성 패턴 층이 포함된 구조체의 제조 방법” 일본등록특허(등록번호 : JP 9403112) “광학소자”

종래에 주파스 필터의 시스템 Order가 높아질수록 필터링 성능은 향상되나 장비의 용적이 늘어나 전압 손실이 심해진다는 문제가 있었다.

이에 따라, 본 발명은 그래핀을 활용한 저역대 주파수 필터를 제공함으로써, 상기 필터는 적은 공간을 차지하면서도 큰 시스템 Order를 가질 수 있어 전압 손실 및 용적을 최소화할 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 일 실시예로 교류 전류가 인가되는 RF 필터에 있어서, RF Input 전극과 RF Output 전극이 형성된 유전체 소재의 기판, 상기 기판 상에 그래핀(Graphene)이 패터닝(Patterning)된 그래핀 기반의 스트립라인(stripline) 및 상기 스트립라인과 상기 기판 사이에 배치되어, 상기 스트립라인이 프리스탠딩(Quasi-free standing)상태를 유지하도록 하는 제1 봉지부를 포함하는 RF 필터를 제공한다.

이 때, 상기 스트립라인은 RF Input 전극과 RF Output 전극을 잇는 수평 스트립라인과 상기 수평 스트립라인과 직교하는 수직 스트립라인이 교대로 배치되어 커플링(Coupling)되고,

상기 수직 스트립라인의 폭이 상기 수평 스트립라인의 폭보다 넓게 패터닝됨으로써, 상기 수평 스트립라인은 인덕턴스(Inductance) 역할을, 상기 수직 스트립라인은 커패시턴스(Capacitance) 역할을 할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수직 스트립라인의 양 끝단에 그라운드(Ground) 전극이 배치되어,

외부 신호 간섭을 최소화할 수 있다.

아울러, 본 발명은 상기 수직 스트립라인과 상기 수평 스트립라인이 패터닝되는 폭을 조절함으로써, 필터의 공진 주파수를 조절할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스트립라인이 상단에 배치되는 제2 봉지부를 더 포함하고, 상기 제2 봉지부는 상기 스트립라인을 형성하는 그래핀이 공기와 접촉하여 산화되는 것을 방지할 수 있는 것을 특징으로 한다.

삭제

이 때, 상기 제1 봉지부와 상기 제2 봉지부는 보론 나이트라이드(h-BN)로 형성될 수 있다.

본 발명은 다른 실시예로 (a) 유전체 소재의 기판 상에 RF Input 전극, RF Output 전극을 배치하는 전극 배치 단계,

(b) 상기 기판 상에 RF Input 전극과 RF Output 전극을 잇는 수평 스트립라인과 수평 스트립라인과 직교하는 수직 스트립라인이 교대로 배치되어 커플링될 수 있도록, 그래핀을 기판 상에 패터닝(Patterning)하는 패터닝 단계를 포함하며,

상기 (b) 패터닝 단계에서 수직 스트립 라인의 폭이 수평 스트립라인의 폭보다 더 넓게 패터닝하는 것을 특징으로 하는 RF 필터 제조 방법을 제공한다.

이 때, 상기 (b) 패터닝 단계는 CVD(Chemical vapor deposition) 기법을 활용하여,

기판 상에 그래핀을 형성한 후, 상기 스트립라인 주변 영역을 산소 플라즈마 에칭(Oxygen plasma ethching)함으로써, 기 설계된 그래핀 기반의 스트립 라인을 형성할 수 있다.

또한, (c) 상기 스트립라인의 상단과 하단에 보론 나이트라이드(h-BN)으로 형성된 제1 봉지부와 제2 봉지부를 형성하는 인캡슐레이션(Encapsulation) 단계를 더 포함하고,

상기 제1 봉지부는 스트립라인과 기판 사이에 배치되며, 상기 제2 봉지부는 스트립라인의 상단에 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 그래핀 기반의 스트립라인으로 형성된 주파수 필터는 그래핀 CVD 내지 Oxygen Plasma 기법 활용으로 대면적 생산이 가능하며, 종래에 비하여 소형화되면서도, 우수한 성능과 폭넓은 활용도를 가져 투명 디스플레이, 웨어러블 디바이스 등 다양한 분야에서 자유롭게 활용될 수 있다.

아울러, RF 회로의 핵심 소자인 저역대 주파수 필터의 소형화가 가능해짐으로써 다양한 형상의 RF 통신 장비 설계가 가능해지며, 장비 전체의 소형화 및 경량화가 가능하다.

도 1은 RF 필터 중 LPF(Low pass filter)의 회로도에 관한 도면이다.
도 2는 본 발명의 그래핀 기반의 스트립라인에 의해 형성되는 RF 필터에 관한 사시도이다.
도 3은 그래핀 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 그래핀의 Band energy structure 및 RF 신호 전달 과정을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 그래핀 기반의 스트립라인의 폭에 따라 변화하는 커패시턴스(Capacitance) 및 인덕턴스(Inductance)를 비교한 도면이다.
도 6은 본 발명의 보론 나이라이트 보호막이 배치된 스트립라인에 관한 도면이다. 특히 도 6 (a)는 상기 스트립라인의 정면도이고, 도 6 (b)는 상기 스트립라인의 측면도이다.
도 7은 산소 플라즈마 에칭(Oxygen plasma etching) 방식을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 RF 필터의 작동 특성을 도시한 그래프이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대해 상세한 설명은 생략한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다. 또한, 본 명세서 전체에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치한다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본 출원에서, “포함하다.” 또는 “가지다.” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 설명에 앞서, 도 1을 참조하여 RF 필터 중 하나인 LPF에 관하여 살펴본다. 도 1은 RF 필터 중 LPF(Low pass filter)의 회로도에 관한 도면이다.

LPF는 공진주파수(Resonance frequency, fc)보다 낮은 주파수 영역의 신호는 감쇠 없이 통과시키고, 공진주파수보다 높은 주파수 영역의 신호는 큰 감쇠를 주는 필터를 의미한다.

LPF는 도 1과 같이 인덕턴스(Inductance, L)와 커패시턴스(Capacitance, C)의 조합에 의하여 형성된다.

이 때, 인덕턴스와 커패시턴스 역할을 하는 대표적인 장치로 인덕터, 커패시터 등이 있으나, 최근에는 고성능의 기판에 마이크로스트립(Microstrip) 또는 스트립라인(Stripline)을 패터닝됨으로써 상기 스트립라인이 인덕턴스와 커패시턴스 역할을 할 수 있다.

다음으로, 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 스트립라인을 이용하는 RF 필터를 살펴본다. 도 2는 본 발명의 그래핀 기반의 스트립라인에 의해 형성되는 RF 필터에 관한 사시도이며, 도 3은 그래핀 구조를 도시한 도면이고, 도 4는 그래핀의 Band energy structure 및 RF 신호 전달 과정을 도시한 도면이다.

본 발명은 도 2와 같이 교류 전류가 인가되는 RF 필터에 있어서, RF Input 전극(20)과 RF Output 전극(30)이 형성된 유전체 소재의 기판(10) 및 상기 기판(10) 상에 그래핀(Graphene)이 패터닝(Patterning)된 그래핀 기반의 스트립라인(stripline, 40)을 포함하는 RF 필터를 제공한다.

먼저, 본 발명의 기판(10)은 RF 신호가 통과할 때, 전극과 상기 기판 사이의 기생 효과(Parastic effect)를 방지하기 위하여 높은 저항의 기판인 것이 바람직하다.

여기서, 기생 효과는 당초 설계 의도와는 관계없이 회로의 일부에 생기는 바람직하지 않는 소자의 기능을 의미한다. 기생 효과가 발생하면, 추가적인 잡음이 발생하게 된다.

이 때, 상기 기판(10)은 높은 저항을 갖는 Si/SiO₂기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 높은 저항을 갖는 유전체라면 실시예에 따라 다른 기판을 사용할 수 있다.

종래에는 주로 가공이 쉬운 금과 같은 금속을 이용하여 스트립라인(40)을 형성한 반면, 본 발명은 그래핀을 활용하여 스트립라인(40)을 형성한다는 차이가 있다.

그래핀은 도 3과 같이, 탄소원자로 만들어진 2차원 벌집 형태 구조를 가진 소재이다. 그래핀은 두께가 0.2nm 정도로 얇으며 물리적, 화학적 안정성이 매우 높은 것이 특징이다.

구체적으로, 그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 실리콘보다 100배 이상 전자의 이동성이 빠르고, 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 또한, 빛을 대부분 통과시키기 때문에 투명하며 신축성도 매우 뛰어나다는 장점이 있다.

도 4를 참조하면, 그래핀이 우수한 전기적 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 기존 금속들이 Conduction band와 Valence band이 겹쳐 있으나, 그래핀은 Conduction band와 Valence band가 한 점에 맞닿아 있다. 즉, 기존 금속과 그래핀 모두 Band gap이 없어 전도성이 높고, 아울러 그래핀은 두 band(Conduction band와 Valence band)가 맞닿아 있을 뿐 겹치지 않아 좋은 유동성 및 신축성까지 확보할 수 있는 것이다.

다시 본 발명의 RF 필터에 대하여 살펴보면, 기판(10) 상에 패터닝된 그래핀 기반의 스트립라인(40)은 RF Input 전극(20)과 RF Output 전극(30)을 잇는 수평 스트립라인(41)과 상기 수평 스트립라인(41)과 직교하는 수직 스트립라인(42)으로 구성된다. 특히, 수평 스트립라인(41)과 수직 스트립라인(42)이 교대로 배치되면서 각 스트립라인들은 커플링될 수 있다.

이 때, 수직 스트립라인(42)의 폭(Width)이 수평 스트립라인(41)의 폭보다 더 넓은 것이 본 발명의 특징이다. 폭 넓이를 달리함으로써 상기 수평 스트립라인(41)은 인덕턴스(Inductance) 역할을, 상기 수직 스트립라인(42)은 커패시턴스(Capacitance) 역할을 할 수 있는데, 이에 대해서는 그래핀 기반의 스트립라인(40)의 폭에 따라 변화하는 커패시턴스(Capacitance) 및 인덕턴스(Inductance)를 비교한 도 5를 참조하여 구체적으로 살펴본다.

도 5를 살펴보면, 커패시턴스는 스트립라인(40)의 폭이 넓을수록 커지지만, 반대로 인덕턴스는 스트립라인(40)의 폭이 좁을수록 커진다.

이에 따라, 본 발명에서는 수직 스트립라인(42)의 폭이 수평 스트립라인(41)의 폭보다 넓으므로, 수평 스트립라인(41)은 인덕턴스(Inductance) 역할을, 상기 수직 스트립라인(42)은 커패시턴스(Capacitance) 역할을 할 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이, RF 필터는 인덕턴스(L)과 커패시턴스(C)의 조합에 의하여 형성되므로, 본 발명은 상기 수평 스트립라인(41)과 상기 수직 스트립라인(42)의 배치를 조절함으로써, 다양한 종류의 RF 필터 역할을 할 수 있다.

예를 들어, 도 2와 같이 수평 스트립라인(41)이 먼저 배치되고, 이후에 수직 스트립라인(42)이 교대로 배치되는 경우 LPF 필터가 될 수 있다. 다만, 본 발명의 RF 필터는 도 2에 도시된 배치에 한정되는 것은 아니며, 실시예에 따라 스트립라인(40)의 배치를 달리하여 BPF, HPF 등 다양한 필터로 활용될 수 있다.

아울러, 상기 수평 스트립라인(41)과 수평 스트립라인(42)의 배치되는 개수를 늘릴수록, 필터의 시스템 Order가 증가할 수 있다. 시스템 Order가 증가할수록 필터의 성능은 우수해지나, 일반적으로 필터의 용적이 커져 높은 전압손실을 수반한다.

다만, 본 발명은 두께가 얇고 유동성 있는 그래핀을 이용하여 스트립라인을 패터닝함으로써, 수평 스트립라인(41)과 수직 스트립라인(42)의 배치 개수를 증가시키더라도 용적이 크게 증가하지 않고, 결과적으로 필터 성능을 높이면서도 전압손실을 최소화할 수 있다.

또한, RF 필터의 공진 주파수(Resonance frequency)는 식 1과 같이 인덕턴스와 캐패시턴스 값에 의하여 정해지므로, 상기 수평 스트립라인(41)과 상기 수직 스트립라인(42)의 폭을 조절하여 원하는 공진 주파수를 설정할 수 있다.

······ (식 1)

또한, 본 발명의 상기 수직 스트립라인(42)의 양 끝단에는 도 2와 같이 그라운드(Ground) 전극(43)이 배치될 수 있다.

커패시턴스 역할을 하는 수직 스트립라인(42)에 그라운드 전극(43)을 배치함에 따라, 잡음 감쇄 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 외부 간섭의 영향을 최소화할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 상기 스트립라인에는 봉지부(50)가 배치될 수 있는데, 구체적인 내용은 도 6을 참조하여 살펴본다. 도 6은 본 발명의 보론 나이라이트 보호막이 배치된 스트립라인에 관한 도면이다. 특히 도 6 (a)는 상기 스트립라인의 정면도이고, 도 6 (b)는 상기 스트립라인의 측면도이다.

봉지부(50)는 도 6과 같이 제1 봉지부(51)와 제2 봉지부(52) 2개의 레이어로 구성되며, 상기 제1 봉지부(51)는 상기 스트립라인(40)과 상기 기판(10) 사이에 배치되며, 제2 봉지부(52)는 상기 스트립라인(40)의 상단에 배치될 수 있다. 여기서, 스트립라인의 상단은 기판(10)을 향하는 면과 반대 방향을 의미한다.

상기 제1 봉지부(51)를 배치함으로써, 상기 제1 봉지부(51)와 상기 기판(10)사이는 반데르발스 결합할 수 있고, 상기 결합에 의하여 스트립라인(40)은 프리스탠딩(Quasi-free standing)상태를 유지할 수 있다.

이 때, 프리스탠딩 상태는 그래핀 기반의 스트립라인(40) 실제로는 기판(10) 상에 부착되어 있으나, 떠있는 것과 같은 상태가 되는 것을 의미한다.

프리스탠딩 상태가 되면, 상기 제1 봉지부(51)와 상기 스트립라인(40) 사이의 반데르발스 갭이 형성되고, 갭 사이에는 공기 등의 저항물질이 존재하게 됨에 따라, RF 신호 전달 시 신호 손실률이 낮아진다.

상기 제1 봉지부(51) 없이 상기 스트립라인(40)과 상기 기판(10)이 바로 인접하는 경우에는, 상기 스트립라인(40)과 상기 기판(10)은 공유 결합하게 되는데, 공유 결합시에는 RF 신호가 손실될 가능성이 높아지므로, 상기 스트립라인(40)이 프리스탠딩 상태로 유지되는 것이 바람직하다.

또한, 그래핀은 탄소로 이루어져 공기와 접촉하여 산화되면 CO₂로 변하는데, 상기 제2 봉지부(52)가 상기 스트립라인(40)의 상단에 배치됨에 따라, 상기 스트립라인(40)을 구성하는 그래핀이 공기와 접촉하는 것을 막을 수 있어 산화를 방지할 수 있다.

이 때, 상기 제1 봉지부(51)와 상기 제2 봉지부(52)는 보론 나이트라이드(h-BN)으로 형성되는 것이 바람직하다. 보론 나이트라이드는 붕산 및 요소의 혼합물을 질소가스 중에서 가열 합성하여 얻은 거친 보론 나이트라이드에 탄소를 넣고 질소가스 중에서 열처리하여 얻은 육방정의 질화붕소를 말한다.

보론 나이트라이드는 2차원의 물질으로써, 보론 나이트라이드를 통하여 봉지부를 형성하면 유연하고 투명한 필터를 제작하는데 유리하다.

특히, 2차원 물질인 그래핀과 발데르발스 결합하기 위해서는 봉지부 또한 2차원 물질이어야 하므로, 보론 나이트라이드를 사용하는 것이 바람직하다.

다만, 봉지부를 형성하는 요소는 보론 나이트라이드에 한정되는 것은 아니며, 2차원 물질이라면 실시예에 따라 다른 요소의 봉지부를 사용할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예인 RF 필터 제조 방법을 제공하는데, 보다 구체적으로 본 발명은 (a) 유전체 소재의 기판(10) 상에 RF Input 전극(20), RF Output 전극(30)을 배치하는 전극 배치 단계와 (b) 상기 기판(10) 상에 RF Input 전극(20)과 RF Output 전극(30)을 잇는 수평 스트립라인(41)과 상기 수평 스트립라인(41)과 직교하는 수직 스트립라인(42)이 교대로 배치되어 커플링될 수 있도록 그래핀을 패터닝(Patterning)하는 패터닝 단계를 포함하는 RF 필터 제조 방법을 제공한다.

앞서 도 5를 참조하여 언급하였듯이, 그래핀 기반의 스트립라인(40)의 폭이 넓을수록 커패시턴스가 높아지고, 폭이 좁을수록 인덕턴스가 높아지는 바, 상기 (b) 패터닝 단계에서 수직 스트립 라인(42)의 폭이 수평 스트립라인(41)의 폭보다 더 넓게 패터닝될 수 있다. 그에 따라, 수직 스트립 라인(42)은 캐패시턴스 역할을, 수평 스트립라인(41)은 인덕턴스 역할을 할 수 있다.

본 발명에서 핵심적인 요소는 기판(10) 상에 패터닝된 그래핀 기반의 스트립라인이므로, 그래핀을 기판상에 패터닝하는 방법 역시 본 발명의 핵심 기술이다.

일반적으로, 기판 상에 스트립라인을 형성할 때 포토리소그래피 기법(Photolithography)이 활용된다.

포토리소그래피 기법은 주로 반도체 제작에 사용되는 기법으로써, 표면에 사진인쇄기술을 이용하여 패턴을 새기는 기법이다. 구체적으로는, 빛에 반응하는 감광성 고분자 물질(PR, Photo Resist)를 얇게 바른 후, 패턴 형상의 마스크를 올려놓고 빛을 가해 원하는 패턴을 형성하는 기법이며, 본 발명의 그래핀 기반의 스트립라인을 패터닝할 때, 상기와 포토리소그래피 기법을 활용하여 패터닝할 수 있다.

또 다른 실시예로, 본 발명의 상기 (b) 패터닝 단계는 CVD(Chemical vapor deposition) 기법을 활용하여, 기판(10)상에 그래핀을 형성할 수 있다.

CVD란, 열, 전기, 빛 등의 외부 에너지를 사용하여 원료가스를 분해시켜 화학적 기상반응으로 기판(10)상에 박막 또는 패턴을 형성시키는 기술을 의미한다.

CVD를 활용하면 보통의 고체상, 액체상의 반응에서는 얻기 어려운 화학조성의 박막도 쉽게 제작할 수 있으며, 원료가스에 따라 임의의 박막을 얻을 수 있고, 전기적 특성, 기계적 특성 등의 기능을 기판에 부여할 수 있다.

일반적으로 CVD는 막 조성의 제어가 어렵지만 대면적, 대량의 표면처리를 비교적 간단하게 할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명은 CVD 기법을 활용하여, 기판 상에 그래핀을 대면적으로 형성한 후, 스트립라인 형상 주변 영역을 산소 플라즈마 에칭(Oxygen plasma etching)하여 수평 스트립라인과 수직 스트립라인의 폭 넓이를 조절하여, RF 필터의 공진주파수를 조절할 수 있다.

도 7은 산소 플라즈마 에칭(Oxygen plasma etching) 방식을 설명하는 도면인데, 도 7을 참조하여 산소 플라즈마 에칭에 대하여 좀 더 살펴본다.

플라즈마 에칭은 집적 회로 등을 제조하는데 사용되는 플라즈마 처리의 한 예로, 일반적으로 플루오르계 혹은 염소계 가스에 의한 플라즈마 중에서 중성 라디칼이 확산하여 시료부분에 도달하고, 시료와 화학반응을 한다. 이 때, 반응으로 생긴 화합물은 배기펌프에 의해서 배기됨으로써 기판 상에 패터닝 처리가 될 수 있다. 산소 플라즈마 에칭은 시료와 반응하는 대상이 산소인 것을 특징으로 하는 에칭 방식이다.

또한, 본 발명은 (c) 상기 스트립라인의 상단과 하단에 보론 나이트라이드(h-BN)으로 형성된 제1 봉지부(51)와 제2 봉지부(52)를 형성하는 인캡슐레이션(Encapsulation) 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 앞서 언급한 것과 같은 이유로 상기 제1 봉지부(51)는 스트립라인(40)과 기판 사이에 배치되고, 상기 제2 봉지부(52)는 스트립라인(40)의 상단에 배치되는 것이 바람직하다.

이 때, 봉지부는 원자층 증착(Atomic Layer Deposition) 방식에 의하여 생성될 수 있다.

원자층 증착 방식은 주로 반도체 제조 공정에서 화학적으로 달라붙는 단원자층의 현상을 이용하는 나노 박막 증착 기술을 의미하며, 구체적으로는 웨이퍼 표면에서 분자의 흡착과 치환이 번갈아 진행됨으로써, 원자층 두께의 초미세 레이어가 증착되는 방식이다.

마지막으로, RF 필터의 작동 특성을 도시한 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 RF 필터의 효과를 살펴본다.

도 8을 그래프에 대하여 먼저 설명하면, 0dB에 가까울수록 필터의 전압손실이 좋은 것이며, 필터링 되는 영역의 기울기가 클수록 노이즈(Noise)가 없는 필터이다.

본 발명의 그래핀 기반의 RF 필터를 활용하면, 시스템 Order가 증가하더라도 용적이 크게 증가하지 않아 기존의 금속 RF 필터보다 전압손실이 크지 않다. 아울러, 종래에 비하여 기울기가 더 크므로 잡음 제거 성능도 우수하다는 점을 확인할 수 있다.

정리하면, 본 발명의 그래핀 기반 스트립라인으로 형성된 RF 필터는 그래핀 패터닝 기술의 활용을 통해 초소형 소자의 대면적 생산이 가능하며, 우수한 성능과 폭넓은 활용도를 가져 투명 디스플레이, 웨어러블 디바이스 등 다양한 분야에서 자유롭게 활용될 수 있다. 아울러, RF 필터 중 핵심 소자인 저역대 주파수 필터의 소형화가 가능해짐으로써, 다양한 형상의 RF 통신 장비 설계가 가능해지며, 장비 전체의 소형화 및 경량화가 가능해진다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예 및 응용예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 응용예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

또한, 본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 기판
20 : RF Input 전극
30 : RF Output 전극
40 : 스트립라인
41 : 수평 스트립라인
42 : 수직 스트립라인
43 : 그라운드 전극
50 : 봉지부
51 : 제1 봉지부
52 : 제2 봉지부

Claims (9)

1. 교류 전류가 인가되는 RF 필터에 있어서,
   RF Input 전극과 RF Output 전극이 형성된 유전체 소재의 기판;
   상기 기판 상에 그래핀(Graphene)이 패터닝(Patterning)된 그래핀 기반의 스트립라인(stripline); 및
   상기 스트립라인과 상기 기판 사이에 배치되어, 상기 스트립라인이 프리스탠딩(Quasi-free standing)상태를 유지하도록 하는 제1 봉지부;를 포함하는 RF 필터.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 스트립라인은 RF Input 전극과 RF Output 전극을 잇는 수평 스트립라인과 상기 수평 스트립라인과 직교하는 수직 스트립라인이 교대로 배치되며 커플링(Coupling)되고,
   상기 수직 스트립라인의 폭이 상기 수평 스트립라인의 폭보다 넓게 패터닝됨으로써,
   상기 수평 스트립라인은 인덕턴스(Inductance) 역할을, 상기 수직 스트립라인은 커패시턴스(Capacitance) 역할을 할 수 있는 것을 특징으로 하는 RF 필터.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 수직 스트립라인의 양 끝단에 그라운드(Ground) 전극이 배치되어, 외부 신호 간섭을 최소화할 수 있는 것을 특징으로 하는 RF 필터.
   
4. 제 2항에 있어서,
   상기 수직 스트립라인과 상기 수평 스트립라인이 폭(Width)을 조절함으로써, 필터의 공진 주파수를 조절할 수 있는 것을 특징으로 RF 필터.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 스트립라인이 상단에 배치되는 제2 봉지부를 더 포함하고,
   상기 제2 봉지부는 상기 스트립라인을 형성하는 그래핀이 공기와 접촉하여 산화되는 것을 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 RF 필터.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 제1 봉지부와 상기 제2 봉지부는 보론 나이트라이드(h-BN)로 형성된 것을 특징으로 하는 RF 필터.
   
7. (a) 유전체 소재의 기판 상에 RF Input 전극, RF Output 전극을 배치하는 전극 배치 단계;
   (b) 상기 기판 상에 RF Input 전극과 RF Output 전극을 잇는 수평 스트립라인과 수평 스트립라인과 직교하는 수직 스트립라인이 교대로 배치되어 커플링될 수 있도록, 그래핀을 기판 상에 패터닝(Patterning)하는 패터닝 단계를 포함하며,
   상기 (b) 패터닝 단계에서 수직 스트립 라인의 폭이 수평 스트립라인의 폭보다 넓게 패터닝하는 것을 특징으로 하는 RF 필터 제조 방법.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 (b) 패터닝 단계는 CVD(Chemical vapor deposition) 기법을 활용하여, 기판 상에 그래핀을 형성하고,
   상기 스트립라인 주변 영역을 산소 플라즈마 에칭(Oxygen plasma ethching)함으로써, 기 설계된 그래핀 기반의 스트립 라인을 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 RF 필터 제조 방법.
9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
   (c) 상기 스트립라인의 상단과 하단에 보론 나이트라이드(h-BN)로 형성된 제1 봉지부와 제2 봉지부를 형성하는 인캡슐레이션(Encapsulation) 단계를 더 포함하고,
   상기 제1 봉지부는 스트립라인과 기판 사이에 배치되며, 상기 제2 봉지부는 스트립라인의 상단에 배치되는 것을 특징으로 하는 RF 필터 제조 방법.
   

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