KR102225752B1 - 기능성 페라이트 박막 및 그 제조방법 - Google Patents

기능성 페라이트 박막 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102225752B1
KR102225752B1 KR1020180109531A KR20180109531A KR102225752B1 KR 102225752 B1 KR102225752 B1 KR 102225752B1 KR 1020180109531 A KR1020180109531 A KR 1020180109531A KR 20180109531 A KR20180109531 A KR 20180109531A KR 102225752 B1 KR102225752 B1 KR 102225752B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
thin film
ferrite
light
ferrite thin
manufacturing
Prior art date
Application number
KR1020180109531A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200030817A (ko
Inventor
이우성
양형우
오혜령
이규현
Original Assignee
한국전자기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전자기술연구원 filed Critical 한국전자기술연구원
Priority to KR1020180109531A priority Critical patent/KR102225752B1/ko
Publication of KR20200030817A publication Critical patent/KR20200030817A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102225752B1 publication Critical patent/KR102225752B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/14—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates
    • H01F41/24—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates from liquids
    • H01F41/28—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates from liquids by liquid phase epitaxy
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/02—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition
    • C23C18/12—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material
    • C23C18/1204—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material inorganic material, e.g. non-oxide and non-metallic such as sulfides, nitrides based compounds
    • C23C18/1208—Oxides, e.g. ceramics
    • C23C18/1216—Metal oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/02—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition
    • C23C18/12—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material
    • C23C18/125—Process of deposition of the inorganic material
    • C23C18/1258—Spray pyrolysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/02—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition
    • C23C18/12—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by thermal decomposition characterised by the deposition of inorganic material other than metallic material
    • C23C18/125—Process of deposition of the inorganic material
    • C23C18/1291—Process of deposition of the inorganic material by heating of the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/08—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers
    • H01F10/10—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition
    • H01F10/18—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being compounds
    • H01F10/20—Ferrites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/14—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates
    • H01F41/22—Heat treatment; Thermal decomposition; Chemical vapour deposition

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Magnetic Ceramics (AREA)
  • Compounds Of Iron (AREA)

Abstract

외부 자극에 반응할 수 있어 고기능성을 갖는 광 감응성 페라이트 박막 및 그 제조방법이 제안된다. 본 발명에 따른 광 감응성 페라이트 박막 제조방법은 회전장치 상에 기판을 위치시키는 단계; 및 회전하는 기판 상에 원료물질을 분사하여 M-Ni-Zn 페라이트 박막을 형성하는 단계;를 포함한다.

Description

기능성 페라이트 박막 및 그 제조방법{High-fuctional ferrite film and manufacturing method thereof}
본 발명은 광 감응성 페라이트 박막 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외부 자극에 반응할 수 있어 고기능성을 갖는 광 감응성 페라이트 박막 및 그 제조방법에 관한 것이다.
산화철계로 구성되어 있는 페라이트는 소재적인 측면에서 여러 가지 응용 분야를 갖고 있는 물질로써, 지난 수십여년 동안 많은 연구와 개발이 이루어져왔다. 자성 재료의 응용 범위는 고주파 영역의 집적회로에서부터 자기기록매체 등에 이르기까지 전자기적 기능을 갖게 하는 다양한 분야로 확대되어 왔다. 특히 최근에는 마이크로-나노 소자 관련 기술의 비약적인 발전으로 인해 각종 전기, 전자기기의 소형화 및 경량화가 이루어지고 있으며, 고기능성 및 다기능을 동시에 사용하는 목적으로 벌크에서 저차원 나노 소재로의 연구가 확대되고, 이에 대한 수요가 급증하고 있다.
이에 맞추어, 페라이트 소재 역시 박막이나 나노와이어 등의 구조체로 개발이 진행되면서, 구동 주파수 대역이 GHz까지 증가되고, 열적 안정성과 고투자율 및 공명 주파수가 높은 소재로의 연구 개발이 활발히 진행 중이다.
특히, 최근의 페라이트 박막 연구 동향에 따르면, 전통적인 스퍼터링 등의 방법에서 수용액 기반의 합성법인 졸-겔법 및 산화-환원 반응을 기반으로 하는 무전해 도금법을 응용한 스핀-스프레이 합성법 등의 다양한 페라이트 박막 제조법이 개발되었다. 그러나, 스퍼터링 방법이나 화학 기상 증착법 등의 제조 방법은 고품질의 박막 형성이 가능한 장점이 있지만, 상대적으로 페라이트 박막의 특성을 제어하기에 알맞지 않고, 조성 변화를 위한 추가 적인 작업에 비용과 시간의 낭비가 심하다는 단점이 존재한다.
이에 반하여, 산화-환원 반응을 기반으로 스핀-스프레이 합성법이 페라이트 박막 제작에 주목받고 있다. 스핀-스프레이 합성법은 고진공이 필요하지 않고, 반응액의 금속 용매의 배합을 통해 페라이트 박막 자체의 조성을 쉽게 제어할 수 있고, 이를 통해 막의 자성 및 전기적 특성의 제어가 용이하다는 장점을 가지고 있다.
대표적인 스피넬 구조의 Ni-Zn 페라이트는 상대적으로 전기비저항이 높아서 고주파수 영역(50 MHz 부근)까지 사용할 수 있고 높은 포화자속밀도 등의 장점으로 마이크로파 영역대의 자성 재료로서 사용이 활발하게 이루어지고 있다. 그러나, Ni-Zn 페라이트는 전기 저항이 높아 전기적으로 절연체 특성을 보여, 자성 소자이외의 활용이 어려운 단점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 외부 자극에 반응할 수 있어 고기능성을 갖는 광 감응성 페라이트 박막 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 광 감응성 페라이트 박막 제조방법은 회전장치 상에 기판을 위치시키는 단계; 및 회전하는 기판 상에 원료물질을 분사하여 M-Ni-Zn 페라이트 박막을 형성하는 단계;를 포함한다.
M은 Cu2+, Cd2+, Co2+, Ca2+, Mg2+ 및 Mn2+ 중 어느 하나일 수 있다.
원료물질은 염화물계 용매일 수 있다.
원료물질은 MnCl2, CoCl2, MgCl2, CuCl2, NiCl2, ZnCl2 및 FeCl2 중 적어도 하나일 수 있다.
광 감응성 페라이트 박막이 Cu-Ni-Zn 페라이트 박막인 경우, CuCl2, NiCl2, 및 ZnCl2의 몰비는 2:50:3일 수 있다.
기판은 폴리이미드 및 폴리디메틸실록산 중 어느 하나인 유연 폴리머 기판, SiO2 및 Al2O3 중 어느 하나인 산화물계 웨이퍼, 및 GaN인 질화물계 웨이퍼 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 회전장치 상에 기판을 위치시키고, 회전하는 기판 상에 원료물질을 분사하여 M-Ni-Zn 페라이트 박막을 형성하여 제조된 광 감응성 페라이트 박막이 제공된다. 광 감응성 페라이트 박막은 광반응성을 가질 수 있다.
본 발명에 따르면, Ni-Zn 페라이트에 금속이온을 추가하여 기존 우수한 자기적 특성을 유지하면서도 전기저항 및 기타 전기적 특성을 제어하고 광반응성을 갖도록 하여 페라이트 소자의 활용에 대한 한계를 극복할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 광 감응성 페라이트 박막 제조방법은 스핀-스프레이 합성법의 안정성을 바탕으로 2원계 혹은 3원계 이상의 페라이트 박막의 합성이 가능하다는 점에서, 생산성이 양호하며 안정적인 박막 제조가 가능한 효과가 있다.
나아가 본 발명에 따른 광 감응성 페라이트 박막을 이용하면, 별도의 이종 물질 접합 등의 복잡한 공정이 없이, 단일 페라이트 막을 통하여 비교적 단순한 형태의 광 스위치 소자를 구현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 스핀 스프레이 방식으로 페라이트층을 형성하는 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 광 감응성 페라이트 박막 제조방법으로 제조된 광 감응성 페라이트 박막의 SEM이미지들이다.
도 3은 본 발명에 따른 광 감응성 페라이트 박막 제조방법으로 제조된 광 감응성 페라이트 박막의 XRD 결과들이다.
도 4는 본 발명에 따른 광 감응성 페라이트 박막 제조방법으로 제조된 광 감응성 페라이트 박막의 XPS 결과들이다.
도 5는 본 발명에 따른 광 감응성 페라이트 박막 제조방법으로 제조된 광 감응성 페라이트 박막에 대한 주파수 6.78 MHz 에서의 투자율 (u’) 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 광 감응성 페라이트 박막 제조방법으로 제조된 광 감응성 페라이트 박막 및 금속이온이 첨가되지 않은 Ni-Zn 페라이트 박막의 SEM 이미지이다.
도 7은 본 발명에 따른 광 감응성 페라이트 박막 제조방법으로 제조된 광 감응성 페라이트 박막 및 금속이온이 첨가되지 않은 Ni-Zn 페라이트 박막의 XRD 측정 결과이다.
도 8은 본 발명에 따른 광 감응성 페라이트 박막 제조방법으로 제조된 광 감응성 페라이트 박막 및 금속이온이 첨가되지 않은 Ni-Zn 페라이트 박막의 자성특성 측정 결과이다.
도 9는 본 발명에 따른 광 스위칭 소자의 모식도이다.
도 10은 본 발명에 따른 광 스위칭 소자에서 가시광을 조사한 채널에서의 전류-전압 특성을 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 광 스위칭 소자에서 페라이트 채널에 빛을 On-Off 하며 조사하여 전류 변화를 측정한 결과를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서는 M-Ni-Zn 페라이트를 제조한다. M은 Cu2+, Cd2+, Co2+, Ca2+, Mg2+ 및 Mn2+ 중 어느 하나일 수 있다. 페라이트 중, 스피넬 구조의 Ni-Zn 페라이트는 상대적으로 전기비저항이 높아서 고주파수 영역(50 MHz 부근)까지 사용할 수 있고 높은 포화자속밀도 등의 장점으로 마이크로파 영역대의 자성 재료로 사용된다. 그러나, Ni-Zn 페라이트는 전기 저항이 높아 전기적으로 절연체 특성을 보여, 자성 소자이외의 활용에는 한계가 있었다. 이에, 본 발명에서는 금속이온을 Ni-Zn 페라이트에 추가하여 Ni-Zn 페라이트의 전기적 특성을 향상시킨다.
본 발명에 따른 M-Ni-Zn 페라이트는 Ni-Zn 페라이트 내부의 조성 및 화학적인 결합에 영향을 줄 수 있는 2가의 양이온인 Cu2+, Cd2+, Co2+, Ca2+, Mg2+ 및 Mn2+으로 Ni-Zn 페라이트 내부의 Ni를 부분적으로 대체한다. Ni-Zn 페라이트는 구조적으로 변화하여 전자 거동 및 물리, 화학적 특성이 변화할 수 있다.
첨가된 금속이온들은 Ni이온과 비교하여 큰 이온 반경을 가지며 스피넬 구조인 Ni-Zn 페라이트에 대한 다른 선호도를 갖는다. 이에 따라, Ni-Zn 페라이트의 매트릭스에 금속이온의 혼입은 양이온 분포 수정의 효과로서 많은 특성을 변화시킬 수 있다. 특히, 금속이온의 첨가는 페라이트의 원자가 상태(valence state)의 전자 분포 및 Fe2+와 Fe3+의 전자 교환을 통해 결정되는 전기적 특성을 제어할 수 있고, 이를 바탕으로 Ni-Zn 페라이트의 사용 목적에 맞는 다양한 기능성을 부여할 수 있다.
본 발명에 따른 광 감응성 페라이트 박막 제조방법은 회전장치 상에 기판을 위치시키는 단계; 및 회전하는 기판 상에 원료물질을 분사하여 M-Ni-Zn 페라이트 박막을 형성하는 단계;를 포함한다.
M-Ni-Zn 페라이트는 본 발명에 따른 광 감응성 페라이트 박막 제조방법에 따라, 스핀-스프레이 합성법으로 제조될 수 있다. 도 1은 스핀 스프레이 방식으로 페라이트층을 형성하는 장치를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 기판에 일정한 온도를 유지하며 회전할 수 있는 회전장치인 회전테이블(Spinning table), 반응액과 산화액을 보관하는 배치, 그리고 두 배치에서 펌프로 연결되어 기판 위로 용액을 일정한 입자 사이즈로 분사할 수 있는 두 개의 노즐로 구성된 스핀 스프레이 장치가 도시되어 있다.
스핀-스프레이 합성법은 고진공이 필요하지 않고, 졸-겔법 등에 비해 막 형태의 제작이 쉬운 장점이 있으며, 후열처리 등의 공정이 없어 공정 시간 등에서 이점을 갖고 있다. 스핀-스프레이 합성법을 활용하여 제조된 페라이트 박막은 수백 나노미터의 두께를 가지고 있으며, 주상 구조 형태로 성장하며 이에 따라 고주파수에서 더 높은 투자율을 나타내며 기존 벌크 페라이트의 Sneok's 한계를 극복하는 등의 특성을 갖는다.
스핀-스프레이 합성법으로 페라이트층을 제조하기 위하여 금속이온이 첨가된 원료물질을 포함하는 반응액과 산화반응을 위한 반응액을 사용한다. 페라이트 박막의 조성을 제어하기 위하여 반응액은 금속 이온을 기반으로 하는 염화물 계열 용매를 사용할 수 있다.
따라서, 원료물질은 MnCl2, CoCl2, MgCl2, CuCl2, NiCl2, ZnCl2 및 FeCl2 중 적어도 하나일 수 있다.
Ni-Zn 페라이트에 포함되는 금속이온이 구리인 경우, 광 감응성 페라이트 박막이 Cu-Ni-Zn 페라이트 박막이므로 사용되는 원료물질은 CuCl2, NiCl2, 및 ZnCl2 및 FeCl2이다. 이 때, CuCl2, NiCl2, 및 ZnCl2의 몰비는 2:50:3일 수 있다.
기판은 절연성이 좋고, 전자 소자로서의 활용이 높은 기판을 사용할 수 있다. 기판은 폴리이미드 및 폴리디메틸실록산과 같은 유연 폴리머 기판이거나, SiO2 및 Al2O3와 같은 산화물계 웨이퍼이거나, 또는 GaN과 같은 질화물계 웨이퍼일 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 광 감응성 페라이트 박막제조방법을 구체적인 시험예를 통해 설명하도록 한다. 다만, 하기의 시험예는 본 발명을 한정하지 않는다.
[스핀-스프레이 합성법으로 Cu-Ni-Zn 페라이트 박막 제조]
도 1과 같은 스핀-스프레이 합성을 위한 장치를 이용하여, 회전 테이블 위에 페라이트 박막이 성장되는 기판을 위치시키고, 회전 테이블과 함께 회전하는 기판 위로 분사된 반응액 및 산화액을 공급하면 페라이트 박막이 기판 위에 성장한다.
원료물질인 반응액은 CuCl2, NiCl2, ZnCl2 및 FeCl2를 사용하였고, 산화액은 금속 염화물 용매와의 산화-환원 반응을 위해 NaNO2 용액을 사용하고, CH3COOHN4 버퍼를 혼합하여 사용하였다. 각 금속이온들의 환원 반응을 유도하기 위하여 암모니아수를 사용하여 전체적인 산화액의 pH를 7.5 내지 8.5 사이로 조절하였다. 이 때, 반응 시 외부 대기 환경에서 산화를 방지하기 위하여 반응 챔버 내부를 질소 분위기로 만들어 실험을 진행하였다.
반응액과 산화액의 반응이 잘 일어나 페라이트 막이 성장할 수 있도록, 회전테이블의 온도를 90℃로 고정하였고, 이와 더불어 합성되는 페라이트 막의 균일도를 향상시키기고 분무되는 용액의 반응의 효율을 높이기 위하여 테이블을 150 내지 200 rpm으로 회전시켰다.
반응액의 용매 첨가량은 FeCl2은 20 mMol/L, NiCl2는 5 mMol/L, ZnCl2는 0.3 mMol/L을 3차 탈이온화수와 혼합하여 사용한다. 산화액의 용매 첨가량은 NaNO2는 4.4 mMol/L, CH3COOHN4 버퍼는 65 mMol/L를 탈이온화수와 혼합하여 사용하였고, pH는 암모니아수를 사용하여 8.0으로 고정하였다.
본 실험에서는 Ni-Zn 페라이트 막의 전기적 특성을 제어하기 위하여 구리이온을 첨가하고, 이를 위해 반응액에 CuCl2용매를 추가로 투입하여 성장되는 페라이트 막의 조성을 제어한다.
첨가되는 금속이온의 과반응에 의해 생성되는 불순물 영향을 최소화하기 위하여 안정적인 조성을 갖는 페라이트 막의 제조 방법을 제공하고, 페라이트 막의 투자율의 감소를 최소화한다.
CuCl2의 함량은 실시예 1에서 0.1 mMol/L, 실시예 2에서 0.2 mMol/L, 실시예 3에서 0.3 mMol/L, 실시예 4에서 0.4 mMol/L 투입하였다.
도 2는 본 발명에 따른 광 감응성 페라이트 박막 제조방법으로 제조된 광 감응성 페라이트 박막의 SEM이미지들이다. 실시예 1 및 2의 경우, 명확한 주상 구조 특성을 보이며 성장한다. 그러나, CuCl2 함량이 0.3 mMol/L 이상인 실시예 3 및 실시예 4는 구리이온의 과다 포함 및 환원 반응의 불균일성으로 성장 조건이 맞지 않아 주상 구조 특성을 보이지 않고 품질이 떨어지는 페라이트 박막이 합성되었다.
도 3은 본 발명에 따른 광 감응성 페라이트 박막 제조방법으로 제조된 광 감응성 페라이트 박막의 XRD 결과들이다. 실시예 1 내지 실시예 4는 2θ = 20 내지 80° 범위에서 (220), (311), (400), (511) 그리고 (440)의 피크가 관찰되었다. 이 결과로 CuCl2 함량을 다르게 하여 성장한 Cu-Ni-Zn 페라이트 박막이 스피넬 구조를 가지고 성장했음을 알 수 있었다. 실시예 1 및 실시예 2는 구조적으로 안정한 Cu-Ni-Zn 페라이트 막이 성장하여 스피넬 피크가 전 영역에서 관찰 되었고, 실시예 3 및 실시예 4에서는 스피넬 구조의 피크이외의 다른 상의 피크가 관찰되거나, 피크에 대한 XRD 신호의 크기가 작아 관찰이 되지 않았다.
도 4는 본 발명에 따른 광 감응성 페라이트 박막 제조방법으로 제조된 광 감응성 페라이트 박막의 XPS 결과들이다. 실시예 1 내지 실시예 4에 대한 XPS 결과들도 도 3의 XRD 결과들과 유사하게 생성된 실시예들의 구조적 특성을 반영하였다.
도 5는 본 발명에 따른 광 감응성 페라이트 박막 제조방법으로 제조된 광 감응성 페라이트 박막에 대한 주파수 6.78 MHz 에서의 투자율 (u’) 측정 결과를 나타낸 것이다. 실시예 1 및 실시예 2는 투자율 (u’) 이 570에서 680으로 증가하였고, 실시예 3 및 실시예 4와 같이 구리이온의 함량이 증가할수록 투자율은 530에서 400으로 급격하게 감소하였다. 이는 구리이온의 비율이 전체적인 구조 내에 증가하면서, 결정성의 저하 및 자성 특성이 감소하였기 때문으로 판단된다.
구리이온을 첨가한 Ni-Zn 페라이트 막은 상기 실험결과에 따라 CuCl2가 0.2 mMol/L 추가된 실시예 2에서 가장 우수한 자성특성을 갖는 Cu-Ni-Zn 페라이트 막이 제조되었고, 제조된 페라이트 박막은 구조적 특성이 수백 나노 사이즈의 그래인 및 균일한 주상 구조 형태를 갖고 있어 고주파수 영역에서까지 높은 투자율을 갖고, 이의 특성을 바탕으로 자성소자 및 전자소자로서의 활용될 수 있다. 이하, CuCl2가 0.2 mMol/L 추가된 실시예 2의 페라이트 박막을 이용하여 더 실험하였다.
도 6은 본 발명에 따른 광 감응성 페라이트 박막 제조방법으로 제조된 광 감응성 페라이트 박막 및 금속이온이 첨가되지 않은 Ni-Zn 페라이트 박막의 SEM 이미지이다. 비교예는 구리 이온이 첨가되지 않은 Ni-Zn 페라이트 박막으로서, SEM 이미지상 매우 명확한 주상구조 특성을 보이며 성장한 것을 확인할 수 있다. 실시예 2의 Cu-Ni-Zn 페라이트 막 역시 명확한 주상구조 특성이 관찰되었다. 따라서, Cu-Ni-Zn 페라이트 막의 제조 조건이 안정적인 Ni-Zn 페라이트 막의 제조 방법과 비교하여 충분히 안정적이라는 것을 확인했다.
도 7은 본 발명에 따른 광 감응성 페라이트 박막 제조방법으로 제조된 광 감응성 페라이트 박막 및 금속이온이 첨가되지 않은 Ni-Zn 페라이트 박막의 XRD 측정 결과이다. 비교예와 실시예 2는 2θ = 20 내지 80° 범위에서 스피넬 구조에 해당하는 (220), (311), (400), (511) 그리고 (440) 피크가 관찰되었다. 이 결과로 구리이온을 추가하여 제조한 Cu-Ni-Zn 페라이트 박막이 Ni-Zn 페라이트 박막과 같이 스피넬 구조를 가지고 성장했음을 알 수 있었다. 이 결과를 바탕으로 구리이온이 첨가되어 성장한 페라이트 박막이 자성소자 및 전자소자에 사용할 수 있는 안정적인 결정성을 갖는 것을 확인하였다.
도 8은 본 발명에 따른 광 감응성 페라이트 박막 제조방법으로 제조된 광 감응성 페라이트 박막 및 금속이온이 첨가되지 않은 Ni-Zn 페라이트 박막의 자성특성 측정 결과이다. 도 8로부터, 비교예와 실시예 2의 페라이트 막의 자성특성은 복소투자율 실수 항에서 차이를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 특히, 비교예의 Ni-Zn 페라이트 막은 주파수 6.78 MHz에서 투자율 값이 약 700을 갖는 것을 알 수 있다. 본 발명의 방법을 통해 제작한 실시예 2의 페라이트 박막은 주파수 6.78 MHz에서 투자율 값 약 680을 나타내었다. 반응 용액에 CuCl2를 추가하여 제작한 광 스위칭용 페라이트 막은 구리이온이 첨가 되었지만, 비교예와 대비해 자성 특성 및 구조적 특성의 감소는 적은 것을 확인하였다.
[광 스위칭 소자 제작]
본 발명에서는 상기 기술한 실험 방법 및 환경을 바탕으로, 기본적인 2원계 Ni-Zn 페라이트 막(비교예) 및 금속이온을 첨가한 광 스위칭용 3원계 페라이트 막 (실시예 2)을 제작하고, 이를 이용하여 광 스위칭 소자를 제작하였다.
본 발명에 따른 광 감응성 페라이트 박막을 사용하면, 이종 물질의 사용 및 접합 등의 복잡한 구조를 이용한 광 스위칭 소자가 아닌, 단일 물질 기반의 광 스위칭 전자 소자를 제작할 수 있다. 일반적인 광 스위칭 소자는 n형 - p형 반도체 소재 등의 접합 및 이의 전류 이동을 통해 광 스위칭 소자를 구현한다. 본 발명의 광 스위칭 소자는 고품질의 Cu-Ni-Zn 페라이트 박막을 이용하여 빛을 조사하였을 때, 전류의 흐름을 제어함으로써 광 스위칭 특성을 구현하는 특징을 갖는다. 본 발명에 따라 제조된 광 스위칭 소자는 단일물질을 사용함으로써 소자의 안정성과 작동의 균일성을 확보하며 제조 공정을 단순화할 수 있다.
본 발명에 따른 광 스위칭 소자에는 절연기판을 사용한다. 예를 들어, 기판으로 SiO2/Si, SiNx/Si, Al2O3, MgO, 또는 GaN 등이 이용될 수 있다. 또한 기판은 실리콘 기반의 옥사이드, 카바이드 기판, 갈륨 비화물 및 갈륨 인화물과 같은 III-V 족 화합물 반도체, 산화아연과 같은 II-IV족 화합물 반도체, I-V족 화합물 반도체, 유기 반도체 및 유리를 기본으로 하는 화합물 등의 기판을 사용할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 광 스위칭 소자의 모식도이다. 본 발명에서의 광 스위칭 소자는 2-단자 소자를 기본으로 하여 제작되고, 전극은 캐소드 (cathode)와 애노드 (anode)로 구성된다. 캐소드와 애노드는 페라이트 박막으로 구성된 채널의 양단에 연결된다. 애노드를 통해서 페라이트 채널에 전류 및 전압이 제공되고, 이때 빛을 채널에 조사하여 전류의 흐름을 측정하고 이를 통해 스위칭 소자를 구동한다. 캐소드와 애노드는 도전체로 구성될 수 있는데, 예를 들어, 티타늄과 금의 이중층(Ti/Au)이나, 구리, 니켈 등을 포함하여 구성될 수도 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 스위칭 소자는 기판, 페라이트 박막 채널, 캐소드 및 애노드를 포함한다. 소자 제작은 기판 상에 광 스위칭용 페라이트 막을 성장하는 단계, 페라이트 채널을 형성하는 단계, 전극을 형성하는 단계로 구성된다. 광 스위칭용 페라이트 박막은 전술한 실시예 2와 같이 제조하고, 포토리소그래피 방법을 이용해서 W 10 um * L 20 um의 면적 (dimension)으로 패터닝 할 수 있다. 페라이트 채널 패턴 양 끝단에 일반적인 DC와 전자빔증착법(e-beam evaporation)을 이용해 티타늄과 금의 이중층 (Ti/Au) 으로 구성된 전극이 애노드와 캐소드로써 페라이트 채널 패턴 상에 형성된다.
도 10은 본 발명에 따른 광 스위칭 소자에서 가시광을 조사한 채널에서의 전류-전압 특성을 도시한 그래프이다. 광 스위칭 소자에 빛을 채널에 수직하게 조사하고 전류-전압을 측정한 곡선이다. 전극을 통해 전압을 -4V 내지 +4V 까지 변화시키면서 이에 상응하는 전류 특성을 측정했고, 가시광 램프의 파워를 조절하여 1, 3, 5 및 10 mW 까지 빛의 세기를 조절하고, 이에 반응하는 전류의 크기를 분석했다. 도 10을 참조하면, 조사되는 빛의 파워가 증가할수록 전류의 크기는 증가했고, 5 mW 이상의 빛을 조사한 경우, 측정되는 전류의 크기가 포화되어 나타나는 것을 확인했다.
도 11은 본 발명에 따른 광 스위칭 소자에서 페라이트 채널에 빛을 On-Off 하며 조사하여 전류 변화를 측정한 결과를 도시한 그래프이다. 전극에 일정 전압이 인가되고, 빛을 채널에 주기적으로 On-Off하며 조사한다. 채널으로 빛이 조사될 때는 빛과 광 스위칭용 페라이트 막이 반응하여 저항이 낮아지고, 캐리어를 생성하여 전류 레벨이 상승하게 되고, 빛의 인가가 제거되면 기존의 낮은 상태의 전류 레벨로 하강하여 전류 특성이 빛에 의한 On-Off 스위칭 형태로 구현된다. 결국 서술한 바와 같이 페라이트 채널에 인가되는 빛을 조절함으로써, 광 스위칭 시스템이 동작하게 된다.
본 발명에 따라 제조되는 광 감응성 페라이트 박막은 박막 형태의 인덕터 등의 자성 소자 및 집적 소자의 전자파 차폐 등 자기적 특성 재료로 활용이 용이하며, 이와 더불어 빛에 의해 전기적 특성이 변화하는 특성을 기반으로 하여 광 스위치용 전자 소자의 재료로써 사용될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

Claims (8)

  1. 회전장치 상에 기판을 위치시키는 단계; 및
    회전하는 기판 상에 원료물질을 분사하여 M-Ni-Zn 페라이트 박막을 형성하는 단계;를 포함하는 광 감응성 페라이트 박막 제조방법으로서,
    M은 Cu2+인 것을 특징으로 하는 광 감응성 페라이트 박막 제조방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    원료물질은 염화물계 용매인 것을 특징으로 하는 광 감응성 페라이트 박막 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    원료물질은 CuCl2, NiCl2, ZnCl2 및 FeCl2인 것을 특징으로 하는 광 감응성 페라이트 박막 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    광 감응성 페라이트 박막이 Cu-Ni-Zn 페라이트 박막인 경우, CuCl2, NiCl2, 및 ZnCl2의 몰비는 2:50:3인 것을 특징으로 하는 광 감응성 페라이트 박막 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    기판은 폴리이미드 및 폴리디메틸실록산 중 어느 하나인 유연 폴리머 기판, SiO2 및 Al2O3 중 어느 하나인 산화물계 웨이퍼, 및 GaN인 질화물계 웨이퍼 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 감응성 페라이트 박막 제조방법.
  7. 청구항 1에 따른 제조방법에 따라 제조된 광 감응성 페라이트 박막.
  8. 청구항 7에 있어서,
    광을 조사하면 인가된 전압에 따른 전류를 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 광 감응성 페라이트 박막.
KR1020180109531A 2018-09-13 2018-09-13 기능성 페라이트 박막 및 그 제조방법 KR102225752B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180109531A KR102225752B1 (ko) 2018-09-13 2018-09-13 기능성 페라이트 박막 및 그 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180109531A KR102225752B1 (ko) 2018-09-13 2018-09-13 기능성 페라이트 박막 및 그 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200030817A KR20200030817A (ko) 2020-03-23
KR102225752B1 true KR102225752B1 (ko) 2021-03-10

Family

ID=69998492

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180109531A KR102225752B1 (ko) 2018-09-13 2018-09-13 기능성 페라이트 박막 및 그 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102225752B1 (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006151789A (ja) * 2004-11-05 2006-06-15 Rikogaku Shinkokai 高抵抗フェライト膜及びノイズ抑制体

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100406368B1 (ko) * 1998-12-21 2004-02-14 주식회사 포스코 Ni 및 Fe염화물 함유 에칭폐액을 활용한 Ni-Zn-Cu 페라이트 모액 제조방법
US20050279966A1 (en) * 2004-06-16 2005-12-22 Dejneka Matthew J Nanocrystallite glass-ceramic and method for making same
KR100616645B1 (ko) * 2004-12-24 2006-08-28 삼성전기주식회사 단일 자구 페라이트 필라 어레이를 갖는 자기 저장 소자의제조 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006151789A (ja) * 2004-11-05 2006-06-15 Rikogaku Shinkokai 高抵抗フェライト膜及びノイズ抑制体

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200030817A (ko) 2020-03-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Janisch et al. Transition metal-doped TiO2 and ZnO—present status of the field
Xing et al. Comparative study of room‐temperature ferromagnetism in Cu‐doped ZnO nanowires enhanced by structural inhomogeneity
Kulkarni et al. Dilute magnetic semiconductor nanowires
Ahmed et al. Tailoring the optical and physical properties of La doped ZnO nanostructured thin films
Liu et al. Improved electric properties in BiFeO 3 films by the doping of Ti
KR101030531B1 (ko) 전계방출장치, 전계방출 표시장치 및 그 제조 방법
JP2004123528A (ja) 金属酸化物ナノ粉末及びその製造方法
US7022628B2 (en) Method for forming quantum dots using metal thin film or metal powder
JP2008143771A (ja) 酸化物系ナノ構造物の製造方法
KR100742720B1 (ko) 화학적 큐어링에 의한 나노입자의 제조방법
Patra et al. Studies on structural and magnetic properties of Co-doped pyramidal ZnO nanorods synthesized by solution growth technique
Beniwal et al. A systematic study on multiferroics Bi1− xCexFe1− yMnyO3: structural, magnetic and electrical properties
Muradov et al. Formation mechanism of CdxZn1-xS/PVA nanocomposites by SILAR method
KR102225752B1 (ko) 기능성 페라이트 박막 및 그 제조방법
KR100623271B1 (ko) 갈륨망간나이트라이드 단결정 나노선의 제조방법
CN113922192A (zh) 一种全范德华自旋太赫兹发射器及调控太赫兹波强弱以及极性的方法
Han et al. Synthesis and electronic properties of ZnO∕ CoZnO core-shell nanowires
JP4365495B2 (ja) 遷移金属を含有する強磁性ＺｎＯ系化合物およびその強磁性特性の調整方法
JP2001072496A (ja) 強磁性ｐ型単結晶酸化亜鉛およびその製造方法
Ahmad et al. Reverse micellar synthesis and properties of nanocrystalline GMR materials (LaMnO 3, La 0.67 Sr 0.33 MnO 3 and La 0.67 Ca 0.33 MnO 3): Ramifications of size considerations
KR100280901B1 (ko) 기능성입자분산형 박막, 그래뉼형 자성박막 및 그 제조방법
Gao et al. Effects of high magnetic field assisted annealing on structure and optical, electric properties of electrodeposited ZnO films
KR100975126B1 (ko) 구리가 도핑된 질화물 희박 자성 반도체 및 그 제조 방법
Rawat et al. Synthesis of Cu and Ce co-doped ZnO nanoparticles: crystallographic, optical, molecular, morphological and magnetic studies
Jayakumar et al. Spintronic materials, synthesis, processing and applications

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant