KR20140138701A - 세장형 몸체들을 갖는 전도성 엘리먼트들의 어레이를 포함하는 마이크로스케일 및 나노스케일 커패시터들 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예들에 따르는 시스템들 및 방법들은 세장형 몸체들의 어레이의 형상을 따르는 전도성 엘리먼트를 포함하는 마이크로- 및 나노스케일 커패시터들을 구현한다. 일 실시예에서, 세장형 몸체들의 어레이 형상을 따르는 전도성 엘리먼트들을 포함하는 커패시터는, 세장형 몸체들의 어레이 형상을 따르는 제 1 전도성 엘리먼트; 세장형 몸체들의 어레이 형상을 따르는 제 2 전도성 엘리먼트; 및 제 1 전도성 엘리먼트와 제 2 전도성 엘리먼트 사이에 배치되어 그들을 물리적으로 분리시키는 유전체를 포함한다.
Description
본원에 기재된 발명은 NASA 계약 하의 업무를 수행하는 동안 이루어졌고, 계약자가 권리를 보유하도록 선택한 Public Law 96-517(35 U.S.C. 202) 규정에 따른다.
본 발명은 일반적으로 커패시터들에 관한 것이다.
커패시터들은 전하를 저장할 수 있는 디바이스들이고, 일반적으로 서로 가까이 위치하지만 접촉하지 않는 두 개의 전도체들로 구성된다. 커패시터들은 전자 회로들에 널리 사용된다. 예를 들어, 이들은, 카메라 플래시와 같이, 또는 대안적으로 정전시의 에너지 대비책과 같이, 이후의 사용을 위해 전하를 저장하는데 사용될 수 있다. 커패시터들은, 전하 및 에너지의 서지를 막아서 회로들의 보호하고; 라디오의 일부들을 형성하며; 랜덤 액세스 메모리(RAM)에서 이진 코드를 위한 메모리 역할을 하는데 또한 이용될 수 있다. 커패시터는 인가된 전압에 비례하고 커패시터의 고유의 특성인 그 커패시턴스에 비례하게 전하를 저장한다. 따라서, 커패시터가 보다 많은 전하를 저장할 수 있도록 보다 큰 커패시턴스를 갖는 커패시터들을 개발하는 것이 유용할 것이다.
본 발명의 실시예들에 따르는 시스템들 및 방법들은 세장형 몸체들의 어레이 형상을 따르는 전도성 엘리먼트를 포함하는 마이크로- 및 나노스케일 커패시터들을 구현한다. 일 실시예에서, 세장형 몸체들의 어레이 형상을 따르는 전도성 엘리먼트들을 포함하는 커패시터는, 세장형 몸체들의 어레이 형상을 따르는 제 1 전도성 엘리먼트; 세장형 몸체들의 어레이 형상을 따르는 제 2 전도성 엘리먼트; 및 상기 제 1 전도성 엘리먼트와 상기 제 2 전도성 엘리먼트 사이에 배치되어 그들을 물리적으로 분리시키는 유전체(dielectric material)를 포함한다.
다른 실시예에서, 상기 제 1 전도성 엘리먼트 및 상기 제 2 전도성 엘리먼트는 맞물리지만 서로 물리적으로 접촉하지 않도록 구성된 별개의 구조물이다.
또 다른 실시예에서, 전극 간의 간격이 대략 10㎛ 보다 작다.
또 다른 실시예에서, 상기 제 1 전도성 엘리먼트 및 상기 제 2 전도성 엘리먼트는 각각 원기둥들의 어레이 형상을 따른다.
또 다른 실시예에서, 상기 제 1 전도성 엘리먼트 및 상기 제 2 전도성 엘리먼트는 각각 육각형의 세장형 몸체들의 어레이 형상을 따른다.
또 다른 실시예에서, 상기 제 1 전도성 엘리먼트 및 상기 제 2 전도성 엘리먼트는 각각 세장형 몸체들의 어레이를 구성한다.
또 다른 실시예에서, 상기 제 1 전도성 엘리먼트 및 상기 제 2 전도성 엘리먼트는 각각 세장형 몸체들의 어레이 상에 증착된 코팅을 구성한다.
또 다른 실시예에서, 상기 유전체는 폴리벤지미다졸(Polybenzimidazole)이다.
또 다른 실시예에서, 상기 유전체는 세라졸® 폴리벤지미다졸(Celazole® Polybenzimidazole ) 소재이다.
또 다른 실시예에서, 상기 제 1 전도성 엘리먼트는 세장형 몸체들의 어레이 상에 배치된 레이어이고, 상기 유전체는 상기 제 1 전도성 엘리먼트 상에 배치된 레이어이며, 상기 제 2 전도성 엘리먼트는 상기 유전체 상에 배치된 레이어이다.
또 다른 실시예에서, 상기 세장형 몸체들의 어레이는 전도성 실리콘을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 세장형 몸체들의 어레이는 상기 전도성 실리콘 상에 배치된 유전체의 레이어를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 제 1 전도성 엘리먼트 및 제 2 전도성 엘리먼트는 각각 TiN을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 유전체는 Al2O3를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 세장형 몸체들의 어레이는 탄소 나노튜브들을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 세장형 몸체들의 어레이는 상기 탄소 나노튜브들 상에 레이어된 실리콘 산화물을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 제 1 전도성 엘리먼트 및 제 2 전도성 엘리먼트는 각각 TiN을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 유전체는 Al2O3를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 커패시터는 제 2 유전체; 제 3 전도성 엘리먼트; 제 3 유전체; 제 4 전도성 엘리먼트; 제 4 유전체; 및 제 5 전도성 엘리먼트를 더 포함하고, 상기 제 2 유전체는 상기 제 2 전도성 엘리먼트 상에 배치된 레이어이고, 상기 제 3 전도성 엘리먼트는 상기 제 2 유전체 상에 배치된 레이어이고, 상기 제 3 유전체는 상기 제 3 전도성 엘리먼트 상에 배치된 레이어이고, 상기 제 4 전도성 엘리먼트는 상기 제 3 유전체 상에 배치된 레이어이고, 상기 제 4 유전체는 상기 제 4 전도성 엘리먼트 상에 배치된 레이어이며, 상기 제 5 전도성 엘리먼트는 상기 제 4 유전체 상에 배치된 레이어이다.
또 다른 실시예에서, 상기 유전체는 BaTiO3이다.
또 다른 실시예에서, 상기 제 1 전도성 엘리먼트, 상기 제 2 전도성 엘리먼트, 및 상기 유전체는 유사한 열 팽창 계수들을 갖는다.
또 다른 실시예에서, 상기 제 1 전도성 엘리먼트, 상기 제 2 전도성 엘리먼트, 및 상기 유전체는 상기 커패시터가 대략 20℃에서 360℃까지의 온도 범위 내에서 동작할 수 있도록 한다.
도 1a 및 1b는 발명의 실시예들에 따라 각각 세장형 몸체들의 어레이 형상을 따르고, 각각 별개의 구조물이며, 맞물리도록 구성된 두 전도성 엘리먼트들을 포함하는 커패시터를 도시한다.
도 2는 맞물리도록 구성된 두 전도성 엘리먼트들의 공간 관계를 특징짓는데 사용될 수 있는 파라미터들을 도시한다.
도 3은 발명의 실시예들에 따라 맞물리도록 구성된 두 전도성 엘리먼트들의 예상되는 커패시턴스를 그 공간 관계의 함수로서 도시한다.
도 4는 발명의 실시예들에 따라 세장형 몸체들이 취할 수 있는 벌집모양의 구조를 도시한다.
도 5는 발명의 실시예들에 따라 세장형 몸체들의 어레이 형상을 따르는 전도성 엘리먼트가 세장형 몸체들의 어레이를 코팅함으로써 어떻게 달성될 수 있는지를 도시한다.
도 6은 발명의 실시예들에 따라 전도체 및 유전체들의 레이어들을 포함하는 마이크로-스케일 커패시터를 도시한다.
도 7은 발명의 실시예들에 따라 전도체 및 유전체의 레이어들을 포함하는 나노스케일 커패시터를 도시한다.
도 8a 내지 도 8e는 어떻게 예상되는 커패시턴스가 커패시턴스의 기하학적 모양의 함수로서 변화하는지를 도시한다.
도 9는 어떻게 유전 상수가 온도의 함수로서 변화하는지 및 어떻게 그것이 조작되는지를 도시한다.
도 10a 및 10b는 발명의 실시예들에 따라 고온 조건 하에서 동작할 수 있는 커패시터들을 도시한다.
도 11a 및 11b는 도 10a 및 10b에 도시된 커패시터들을 테스트한 결과들을 나타낸다.
도 12는 도 10a에 도시된 커패시터가 손상되었음에도 적절히 동작하였음을 도시한다.
도 2는 맞물리도록 구성된 두 전도성 엘리먼트들의 공간 관계를 특징짓는데 사용될 수 있는 파라미터들을 도시한다.
도 3은 발명의 실시예들에 따라 맞물리도록 구성된 두 전도성 엘리먼트들의 예상되는 커패시턴스를 그 공간 관계의 함수로서 도시한다.
도 4는 발명의 실시예들에 따라 세장형 몸체들이 취할 수 있는 벌집모양의 구조를 도시한다.
도 5는 발명의 실시예들에 따라 세장형 몸체들의 어레이 형상을 따르는 전도성 엘리먼트가 세장형 몸체들의 어레이를 코팅함으로써 어떻게 달성될 수 있는지를 도시한다.
도 6은 발명의 실시예들에 따라 전도체 및 유전체들의 레이어들을 포함하는 마이크로-스케일 커패시터를 도시한다.
도 7은 발명의 실시예들에 따라 전도체 및 유전체의 레이어들을 포함하는 나노스케일 커패시터를 도시한다.
도 8a 내지 도 8e는 어떻게 예상되는 커패시턴스가 커패시턴스의 기하학적 모양의 함수로서 변화하는지를 도시한다.
도 9는 어떻게 유전 상수가 온도의 함수로서 변화하는지 및 어떻게 그것이 조작되는지를 도시한다.
도 10a 및 10b는 발명의 실시예들에 따라 고온 조건 하에서 동작할 수 있는 커패시터들을 도시한다.
도 11a 및 11b는 도 10a 및 10b에 도시된 커패시터들을 테스트한 결과들을 나타낸다.
도 12는 도 10a에 도시된 커패시터가 손상되었음에도 적절히 동작하였음을 도시한다.
지금부터 도면들을 참조하여, 세장형 몸체들의 어레이 형상을 따르는 전도성 엘리먼트를 포함하는 마이크로- 및 나노-스케일 커패시터들을 구현하기 위한 시스템들 및 방법들이 설명된다. 커패시터의 커패시턴스는 일반적으로 전도성 엘리먼트들의 표면 면적과 그들의 이격 거리의 함수이다. 일반적으로, 커패시턴스는 표면 면적의 증가에 따라 증가하고, 이격 거리의 증가에 따라 감소한다. 예를 들어, 평행 플레이트 커패시터들, 즉, 진공 상태의 일 거리에 의해 분리된 평행한 두 개의 전도성 플레이트들의 커패시턴스는, 아래의 관계에 따라 결정될 수 있고,
여기서,
유사하게, 원기둥형의 커패시터, 즉, (진공상태에 의해 분리되는) 원기둥형 튜브 내에, 그리고 그에 평행하게, 중심에 배치되는 막대의 커패시턴스는 아래와 같고,
여기서,
또한, 유사하게, 구형의 커패시터, 즉, (진공상태에 의해 분리되는) 제 2 구형 껍질 내에 중심에 배치되는 제 1 구형 껍질의 커패시턴스는 아래와 같고,
여기서,
물론, 커패시터의 커패시턴스는 진공이 아닌 유전체를 사용하여 전도성 엘리먼트들을 분리함으로써 증가될 수 있다. 이러한 경우에, 커패시턴스는 유전체의 함수인 유전 상수, K에 비례하여 증가될 것이다. 어떤 유전체들 및 그들의 유전 상수는 아래의 표 1에 나타난다:
| 표 1 : 유전체들 및 그 유전 상수들의 예들 | |
| 소재 | K |
| 진공 | 1 |
| 공기 | 1.004 |
| 대부분의 중합체들 | 2-6 |
| 가장 높은 중합체들 | 16 |
| Celazole® PBI (Polybenzimidazole) | 3.2 |
| 대부분의 세라믹들 | 4-12 |
| Al2O3 | 9 |
| Ta2O5 | 25 |
| TiO2 | 90 |
| BaTiO3 | 1500 |
| SiOx | 3.9 |
| 세라믹 제제 기반 | 20-15,000 |
표 1의 데이터는 J.E. Sergent, "Chapter 8: Discrete Passive Components for Hybrid Circuits," Hybrid Microelectronics Handbook, 제 2 판, 저자 J.E. Sergent 및 C.A. Harper, McGraw-Hill, Inc., New York, 1995, pp. 8-1 to 8-40에서 발췌되었으며, 이의 기재는 참조로써 본원에 포함된다.
본질적으로, 커패시터의 커패시턴스는 전도성 엘리먼트들의 표면 면적을 증가시키고, 전도성 엘리먼트들의 이격 거리를 감소시키며, 적절한 유전체를 사용함으로써 증가될 수 있다. 따라서, 본 발명의 많은 실시예들에서, 커패시터는 세장형 몸체들의 어레이 형상을 따르는 전도성 엘리먼트를 포함한다. 이와 같은 방식으로, 전도성 엘리먼트의 표면 면적이 실질적으로 증가될 수 있다. 많은 실시예들에서, 커패시터는, 세장형 몸체들의 어레이 형상을 따르는 제 1 전도성 엘리먼트; 세장형 몸체들의 어레이 형상을 따르는 제 2 전도성 엘리먼트; 및 제 1 전도성 엘리먼트와 제 2 전도성 엘리먼트 사이에 배치되어 그들을 물리적으로 분리시키는 유전체를 포함한다. 어떤 실시예들에서, 제 1 전도성 엘리먼트 및 제 2 전도성 엘리먼트는 맞물리지만 물리적으로 서로 접촉하지 않도록 구성되는 각각 별개의 구조물들이다. 도 1a 및 1b는 본 발명의 실시예에 따라, 각각 별개의 구조물들이며 맞물리지만 물리적으로 서로 접촉하지 않도록 구성된 두 개의 전도성 엘리먼트들을 포함하는 커패시터를 도시한다. 상세하게는, 커패시터(100)는 유전체(106)에 의해 분리된 제 1 전도성 엘리먼트(102) 및 제 2 전도성 엘리먼트(104)를 포함한다. 도 1b는 전도성 엘리먼트들이 어떻게 맞물리는지를 도시한다.
다수의 실시예들에서, 제 1 전도성 엘리먼트는 세장형 몸체들의 어레이 형태에 일치하고, 유전체는 제 1 전도성 엘리먼트 상에 레이어되며, 제 2 전도성 엘리먼트는 유전체 상에 레이어된다. 이러한 방식으로, 두 전도성 엘리먼트들의 표면 면적이 증가될 수 있고, 이들을 분리시키는 거리가 감소될 수 있으며, 따라서 커패시턴스가 증가될 수 있다.
고온 동작을 견딜 수 있는 커패시터들을 개발하는 것 또한 바람직할 수 있다. 따라서, 다수의 실시예들에서, 커패시터들은 고온에 적합하도록 하는 전도성 엘리먼트들 및 유전체들의 조합들을 구현한다. 예를 들어, 유전체들의 유전 상수들은 온도에 따라 변할 수 있다. 따라서, 유전체는 고온에서도 상대적으로 높은 유전 상수를 갖도록 선택/개발될 수 있다. 유사하게, 고온 동작을 견딜 수 있는 커패시터를 개발하는데 있어, 구성 요소들은 그들이 양립하고 응집력 있게 기능할 수 있도록 선택될 수 있다(예를 들어, 그들은 양립할 수 있는 열 팽창 계수를 갖는다).
세장형 몸체들의 어레이 형태에 일치하고 맞물리는 두 개의 별개의 전도성 엘리먼트들을 구현하는 커패시터가 이하에 설명된다.
세장형 몸체들의 어레이 형태에 일치하고 맞물리는 두 개의 별개의 전도성 엘리먼트들을 포함하는 커패시터
이상에서 언급한 바와 같이, 많은 실시예들에서, 커패시터는 세장형 몸체들의 어레이 형상을 따르는 제 1 전도성 엘리먼트, 세장형 몸체들의 어레이 형상을 따르는 제 2 전도성 엘리먼트를 포함하고, 제 1 및 제 2 전도성 엘리먼트들은 맞물리지만 물리적으로 접촉하지 않도록 구성된다. 이러한 방식으로, 커패시터를 이루는 두 전도성 엘리먼트들 사이의 표면 면적이 실질적으로 증가될 수 있고, 그들 사이의 거리가 줄어들 수 있다. 따라서, 커패시턴스가 증가될 수 있다. 다시 도 1a 및 1b를 참조하면, 세장형 몸체들의 어레이 형상을 따르는 제 1 전도성 엘리먼트 및 제 2 전도성 엘리먼트가 어떻게 맞물려서 커패시터를 형성하는지가 도시된다. 도시된 실시예에서, 제 1 전도성 엘리먼트(102) 및 제 2 전도성 엘리먼트(104)는 원기둥형 몸체들의 어레이의 형태를 취한다. 따라서, 제 1 전도성 엘리먼트(102) 및 제 2 전도성 엘리먼트(104)가 맞물려서(깍지 끼듯이 또는 기어가 맞물리듯이) 커패시터(100)를 형성하도록 구성될 수 있다. 커패시턴스를 높일 수 있도록 유전체(106)가 제 1 전도성 엘리먼트(102) 및 제 2 전도성 엘리먼트(104) 사이에 끼워질 수 있다. 물론, 두 전도성 엘리먼트들은 커패시터 전극들로서 동작한다.
도 2는 제 1 전도성 엘리먼트 및 제 2 전도성 엘리먼트 사이의 공간 관계를 나타내고 그에 의해 커패시턴스를 나타내는 몇몇 파라미터들을 묘사한다. 예를 들어, 전극 간 간격 및 맞물림 정도가 묘사된다. 맞물림 정도는 전도성 엘리먼트 간의 오버래핑 면적에 대응됨을 유의한다. 다시, 커패시턴스는 일반적으로 더 큰 오버래핑 표면 면적 및 더 작은 전극 간 간격에 따라 증가한다. 도 3은 미세가공된 1 ㎜ × 1 ㎜ Si 플레이트에 대한 1㎛, 10㎛ 및 100㎛의 3개의 다른 전극 간 배치들에 대해, 오버래핑 면적의 함수로서 예상 커패시턴스를 나타내는 그래프를 도시한다. 가장 큰 커패시턴스는 전극 간 거리가 가장 작고, 유효 오버래핑 면적이 가장 큰 경우임을 유의한다. 그러나 두 전도성 엘리먼트들 사이의 특정 공간 관계를 구현함에 있어서 고려할 다른 인자들이 있을 수 있다. 예를 들어, 두께를 감소시킴으로써 커패시턴스를 증가시키는 능력은 유전체의 파괴 전압과 제조 공정에 의해서도 제한될 수 있다. 따라서, 많은 실시예들에서, 제 1 및 제 2 전도성 엘리먼트들 사이의 거리는 그 파괴 전압에 가까운 전위 차를 겪지 않도록 유지된다.
원기둥형 엘리먼트들이 묘사되었지만, 실시예들에 따라 임의의 세장형 몸체들도 물론 사용될 수 있다. 예를 들어, 6각형의 단면을 갖는 세장형 몸체들이 사용될 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 사용될 수 있는 세장형 몸체들이 6각형의 단면을 갖는 "벌집모양" 배치를 도시한다. 벌집 모양 배치는 전도성 엘리먼트들 사이의 일정한 전극 간 거리가 유지될 수 있는 범위에서 유리할 수 있다. 유사하게, 정사각형 모양의 단면을 갖는 세장형 몸체들('기둥들')이 실시예들에 따라 사용될 수 있다. 그들 길이에 걸쳐 일정한 단면을 갖는 세장형 몸체들이 묘사되었으나, 세장형 몸체들이 그들 길이 전체에 걸쳐 일정한 단면을 갖는 것이 필수적이지 않으며, 그들은 점점 가늘어질 수 있다. 일반적으로, 임의의 세장형 몸체들이 본 발명의 실시예에 따라 표면 면적을 증가시키는데 사용될 수 있다.
더욱이, 속이 꽉 찬 세장형 몸체들이 되는 전도성 엘리먼트들이 논의되었지만, 속이 꽉 찬 세장형 몸체들이 되지 않는 전도성 엘리먼트들 또한 본 발명의 실시예들에 따라 사용될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 전도성 엘리먼트는 세장형 몸체들의 템플릿 어레이 상으로 코팅될 수 있다. 그에 의해 이 전도성 엘리먼트가 세장형 몸체들의 어레이 형태를 따른다고 할 수 있다. 물론, 관련된 것은, 세장형 몸체들의 어레이와 무관하게, 전도성 엘리먼트의 몸체의 형태인데 - 세장형 몸체들의 어레이는 증가된 표면 면적을 갖는 형태를 정의할 뿐이다. 도 5는 세장형 몸체들(502)의 탬플릿 어레이 상으로 코팅되는 전도성 엘리먼트(504)를 나타낸다. 일반적으로, 본 발명의 실시예들에 따른 임의의 방식으로 세장형 몸체들의 어레이 형태에 근접하도록 전도성 엘리먼트의 표면 면적이 증가될 수 있다.
표 1에 리스팅된 것들을 포함하고, 그러나 이에 한정되지는 않는, 임의의 유전체가 본 발명의 실시예들에 따라 사용될 수 있다. 예를 들어, PBI Performance Products, Inc.에 의해 제조된 Celazole® PBI (Polybenzimidazole)이다. 예를 들어, 표 2에 리스팅된 특성들을 갖는 Celazole® PBI (Polybenzimidazole)이 사용될 수 있다.
| 표 2 : 유전체로 사용될 수 있는 Celazole 소재의 특성들 | |||
| 특성 | ASTM 테스트 방법 | 단위 | Celazole® PBI |
| 물리적 | |||
| 비중 | D792 | 1.3 | |
| 기계적 | |||
| 인장 강도 | D638 | psi | 20,000 |
| 인장 모듈러스 | D638 | psi | 850,000 |
| 휨 강도 | D790 | psi | 32,000 |
| 휨 모듈러스 | D790 | psi | 950,000 |
| 압축 강도 | D695, 10% Def. | psi | 50,000 |
| 압축 모듈러스 | D695 | psi | 900,000 |
| 열적 | |||
| 열 팽창 계수 | 10E-4/℉ | 0.13 | |
| 변형 온도, 264 psi | ℉ | 800 | |
| Tg-유리 전이(무정형) | ℉ | 750 | |
| 무부하 공기 중의 지속 서비스(최대) | ℉ | 600 | |
| 열 전도성 | BTU-in/hr-ft2-℉ | 2.8 | |
| 전기적 | |||
| 절연 강도, 짧은 기간 | D149(2) | Volts/mil | 550 |
| 표면 저항 | 하한; EOS/ESD S11.11 |
Ohm/square | 1E+13 |
| 유전 상수, 1㎒ | D150(2) | 3.2 | |
| 손실율, 1㎒ | D150(2) | 0.003 | |
물론, 적절한 임의의 polybenzimidazole-기반 소재가 사용될 수 있다. 예를 들어, PBI Performance Products, Inc.에 의해 제조된, Celazole U-60, Celazole U-60SD, Celazole U-60ESD, Celazole TU-60, Celazole TF-60C, Celazole TF-60B, Celazole TL-60 중 어느 것도 사용될 수 있다. Celezole®-기반의 소재들을 유전체로 사용하는 것은 고온에서 동작할 수 있는 능력 때문에 유리할 수 있다. Celezole®이 언급되었으나, 다른 많은 polybenzimidazole-기반 소재가 본 발명의 실시예에 따라 유전체들로 사용될 수 있다. 실로, 임의의 적절한 고온 내성 폴리머가 사용될 수 있다. 보다 일반적으로, 임의의 적절한 유전체(공기 또는 진공을 포함함)가 본 발명의 실시예들에 따라 사용될 수 있다.
위에서 제시된 바와 같이, 커패시터들은 세장형 몸체들의 어레이 형상을 따르는 전도성 엘리먼트들 및 유전체들의 레이어된 코팅들을 이용할 수 있고, 이는 이하에 보다 상세하게 논의된다.
전도성 엘리먼트들 및 유전체들의 레이어들을 포함하는 커패시터들
많은 실시예들에서, 커패시터들은 커패시터를 달성할 수 있도록 전도성 엘리먼트들의 레이어들과 유전체들의 레이어들을 포함한다. 세장형 몸체들의 형태를 갖는 전도체들의 레이어들 및 유전체들의 레이어들이 사용되는 경우, 단일의 별개 구조를 이용하여 높은 표면 면적을 갖는 커패시터가 달성될 수 있다. 도 6은 전도성 엘리먼트들의 레이어 및 유전체의 레이어들을 구현하는 마이크로스케일 커패시터를 도해한다. 보다 상세하게, 커패시터는 전도성 실리콘 세장형 몸체, 제 1 유전체, 전도성 엘리먼트인 제 1 금속, 제 2 유전체, 및 전도성 엘리먼트인 제 2 금속을 포함한다. 보다 상세하게, 제 1 유전체는 전도성 실리콘 세장형 몸체 상에 레이어되고; 전도성 엘리먼트인 제 1 금속은 제 1 유전체 상에 레이어되고; 제 2 유전체는 전도성 엘리먼트인 제 1 금속 상에 레이어되며; 전도성 엘리먼트인 제 2 금속은 제 2 유전체 상에 레이어된다. 다시, 두 개의 금속들은 전극들로서 동작한다.
몇몇 실시예들에서, 세장형 몸체들의 어레이 자체가 전극으로서 동작할 수 있고, 예를 들어, 유전체의 레이어가 제 1 전극으로서 동작하는 세장형 몸체들의 어레이 상에 증착될 수 있고, 전도성 엘리먼트이고 제 2 전극으로서 동작할 수 있는 소재의 레이어가 유전체의 레이어 상에 증착될 수 있다.
도 7은 전도성 엘리먼트들의 레이어들과 유전체들의 레이어들을 구현하는 나노스케일 커패시터를 도해한다. 도해된 실시예에서, 실리콘 산화물 유전체가 단일 탄소 나노튜브 상에 레이어되고, 전도성 엘리먼트인 제 1 금속이 실리콘 산화물 상에 레이어되고, 제 2 유전체가 전도성 엘리먼트인 제 1 금속 상에 레이어되며, 제 2 금속이 제 2 유전체 상에 레이어된다. 물론, 두 개의 금속들이 커패시터의 전극들로서 동작한다. 원자 층 증착(Atomic layer deposition; ALD)이 코팅들을 균일하게 레이어하는데 사용될 수 있다. 임의의 적절한 전도성 엘리먼트 및 임의의 적절한 유전체들이 본 발명의 실시예들에 따라 그렇게 레이어될 수 있다는 것을 유의한다. 예를 들어, 많은 실시예들에서, TiN이 전도성 엘리먼트들로서 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, Al2O3가 유전체로 사용될 수 있다. 많은 실시예들에서, 커패시터가 상온에서부터 적어도 대략 360℃에 이르기까지 그 기능을 유지할 수 있도록 소재들이 선택될 수 있다. 물론, 적절한 소재들-표 1에 리스팅된 소재들을 포함하나 이에 한정되지 않는데 - 이 본 발명의 실시예들에 따라 사용될 수 있다.
유리하게, 전도체 및 유전체 코팅들의 레이어들이 커패시터의 표면 면적을 증가시키고 그에 의해 커패시턴스가 증가할 수 있도록 반복될 수 있다. 예를 들어, 제 3 유전체가 제 2 전도성 엘리먼트 위에 레이어될 수 있고, 제 3 전도성 엘리먼트가 그 다음에 레이어될 수 있으며, 이 패턴이 반복될 수 있다. 실제로, 이 패턴을 반복하는 것은 기본적으로 평행하게 접속되어 단일 커패시터를 형성하는 다중 '서브-커패시터들'(즉, 단일 유전체에 의해 분리된 임의의 두 전도성 엘리먼트들)을 낳는다. 이러한 방식으로, 커패시터의 표면 면적이 실질적으로 증가될 수 있고, 이어서 커패시턴스가 실질적으로 증가할 수 있다. 실제로, 이러한 방식의 다중 레이어들을 사용하는 것은 아주 높은 커패시턴스들이 달성되도록 할 수 있다. 물론, 전도체들, 및 유전체들의 레이어들은 각각 상이할 수 있는데 - 임의의 소재들의 조합이 사용될 수 있다. 예를 들어, 동일한 전도체들이 사용되어야 할 필요도 없고, 동일한 유전체들이 사용되어야 할 필요도 없다. 더욱이, 해당 기술분야의 통상의 기술자들이 이해할 수 있는 바와 같이, 상기 기술들의 임의의 조합이 본 발명의 실시예들에 따라 더 큰 표면 면적을 갖는 커패시터들을 구현하는데 사용될 수 있다.
도 8a 내지 도 8e는 커패시터들의 커패시턴스가 어떻게 전도성 엘리먼트들의 기하학적 구조의 함수로서 변화할 것으로 예상되는지를 도해한다. 도 8a는 표준 평행 플레이트 커패시터들의 커패시턴스를 나타낸다. 더 많은 금속 레이어들이 포함됨에 따라 커패시턴스가 비례하여 증가함을 유의한다. 도 8b는 정사각형의 '기둥들'이 사용되는 경우(기둥들은 10㎛의 측면 치수를 갖고 2㎛ 간격을 갖는다), 커패시턴스가 기둥의 높이에 비례하여 어떻게 증가하는지를 나타낸다. 이는 기둥들이 더 높을 때 표면 면적이 증가하기 때문이다. 도 8c는 소정 풋프린트의 커패시터가 정사각 기둥들을 사용하는 경우, 정사각 기둥들의 측면 치수(즉, 기둥의 정사각형의 변의 길이)가 감소함에 따라, 커패시턴스가 증가함을 보여준다. 이는 기둥들이 소정의 풋프린트 내에 보다 촘촘하게 패킹될 수 있기 때문이다. 도 8d는 커패시턴스가 세장형 몸체들이 육각형의 형태인지 또는 정사각형의 형태인지의 함수가 아닐 것으로 예상됨을 나타낸다. 마지막으로, 8E는 탄소 나노튜브들 상에 전도성 엘리먼트들 및 유전체들을 레이어하는 커패시터에 대해 예상되는 커패시턴스들을 나타낸다. 탄소 나노튜브들이 커패시터의 베이스 역할을 하는 경우 커패시턴스의 크기가 훨씬 크다는 것을 유의한다.
커패시터들은 또한 고온 동작을 유지할 수 있도록 개발될 수 있으며, 이는 지금 논의된다.
고온에서 동작할 수 있는 커패시터들
고온 동작(예를 들어, 185℃)을 유지할 수 있는 커패시터들이 본 발명의 실시예들에 따라 구현될 수 있다. 구성 소재들이 고온 동작에 접합하도록, 예를 들어, 구성 소재들이 특정 고온까지 그 물리적 및 전자적 특성들에서 안정적이도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 많은 유전체들은 보다 높은 온도에서 저하되기 시작하고, 이는 누설을 유도하여 커패시터의 파손을 시작할 수 있다. 보다 높은 온도에서 형성된 소재들이 형성 온도에서 안정적인 경향이 있다. 따라서, 많은 실시예들에서, 고온(예를 들어, 대략 185℃보다 큰)에서 형성되는 소재들이 커패시터를 개발하는데 구성 소재들로서 사용될 수 있다.
특히, 다른 재료들의 유전 상수가 온도의 함수로서 변할 수 있다. 예를 들어, 도 9는 몇몇 다른 제제들과 함께 티타늄산 바륨의 유전 상수가 온도의 함수로서 어떻게 변화하는지를 도해한다. 또한, 어떻게 시프터들이 추가되어 피크 온도를 시프팅하는지를 도해한다. 예를 들어, 몇몇 시프터들은 다른 티탄산염들 및 지르콘산염을 포함한다. 도 9는 또한 "디프레서"가 유전 상수에 미칠 수 있는, 즉 d전 상수를 낮출 수 있는, 영향을 나타낸다. 몇몇 디프레서들은 비스무트 및 마그네슘을 포함한다. 도 9의 데이터는 J.E. Sergent, "Chapter 8: Discrete Passive Components for Hybrid Circuits," Hybrid Microelectronics Handbook, 제 2 판, 저자 J.E. Sergent 및 C.A. Harper, McGraw-Hill, Inc., New York, 1995, pp. 8-1 to 8-40에서 발췌되었으며, 이의 기재는 참조로써 본원에 포함된다. 따라서, 많은 실시예들에서, 보다 높은 온도에서도 적합한 유전 상수를 갖는 유전체가 선택된다.
또한, 유전체를 선택함에 있어, 유전 상수 외에 고려할 다른 인자들 또한 있다. 아래의 표 3은 (그 상업적 공급원과 함께) 몇몇 유전체들 및 그들의 주목할 만한 특징들 몇몇을 리스팅한다.
| 표 3 : 폴리머 유전체들의 특성들 | ||
| 유전체 | 상업적 공급원 | 특성들 및 이점들 |
| Polysilseqioxane | David Samoff Labs |
250℃까지 양호한 전기적 특성, Kapton 및 Tefzel 보다 양호, dip 또는 spray coat 가능 |
| Teflon Perflouroalkoxy (PFA) |
Dupont | 200℃의 높은 온도에서 양호한 기계적 및 전기적 특성 |
| Polyimide(PI) | Dupont | 200℃까지의 온도에서 유전 손실에서 작은 변화 |
| Nomex 410, 418 | Dupont | 합성 방향족 폴리아미드 폴리머의 아라미드 페이퍼; >220℃에서 화학적 & 열적 안정; 방사선에 강함; 418 등급은 50% 무기 운모 절연판을 포함하고 고전압에 대해 설계됨 |
| Diflouro-PBZT Tetraflouro-PBZT |
Foster-Miller | 높은 온도 안정성; 낮은 유선 상수 |
| PBO | Foster-Miller, Dow Chemical |
아주 높은 온도 안정성, 300-350℃, Kapton 및 Tefzel의 성능을 상당히 넘어섬 |
| PBO-flourinated IPN | Foster-Miller | 플래시오버에 강하면서 높은 온도 안정성 |
| Oragano-ceramic hybrid nano composites |
Garth Wilkes, VPI |
이온화 방사선에 강함; 200℃보다 높은 온도에서 높은 열 안정성 |
| Polybenzimidazole- PBI |
Hoechst Celanese |
선형 열가소성 폴리머; 뛰어난 열 안정성 및 강도 보유 >300℃ |
| Flourinated PBO-PI | Hoechst Celanese |
폴리이미드의 가능성을 LCP의 고온 특성과 결합 |
| Flourinated polyimides |
Hoechst Celanese Ube/ICI, Dupont |
Ube/ICI & Dupont 으로부터 쉽게 이용가능; 열 안정성이 Kapton 및 Tefzel보다 뛰어남 |
| Voltex 450 | Lydall, Inc. | 아라미드 섬유와 네오프렌 바인더로 구성된 페이퍼; 낮은 물 흡수 및 높은 유전 강도; 열 안정 >200℃ |
| Thermoplastic PBO with hexaflourinated moieties |
Material lab, WRDC |
열적으로 처리가능; 높은 온도 안정성, Tg>380℃ |
| PQ-100 polyquinolines |
Maxdem | 열적으로 처리가능; 고순도 |
| Polysiloxaneimides | McGrath VPI |
이온화 방사선에 강함; 높은 열 안정성 |
| Poly-P-Xylene (PPX) | Nova Tran | 250℃의 고온에서 안정적인 유전 강도; 오랜 기간 동안 고온에 노출될 시 그 양호한 기계적 특성들의 일부를 손실할 수 있음 |
| Flourocarbon- hydrocarbon polymers |
Tefzel, Dupont |
쉽게 이용가능; 고품질 필름들; 적당한 열 안정성 |
| FPE Proprietary aromatic polyester |
3M | 쉽게 이용 가능한 250℃에서 유용한 고품질 방향족 필름들 |
도 3의 데이터는 R.R. Gryzbowski 및 F.P. McCluskey, "High Temperature Performance of Polymer Film Capacitors," Journal of Microelectronic Packaging, Vol. 1 , 1998, pp. 153-158에서 발췌되었으며, 이의 기재는 참조로써 본원에 포함된다.
표 3에 리스팅된 것들을 포함하나, 이에 한정되지는 않는, 임의의 유전체들이 본 발명의 실시예들에 따라 사용될 수 있다. 많은 실시예들에서, 유전체는, 이산화실리콘, 질화실리콘, 고온 적합 파릴렌(high-temperature compatible Parylene), 산화 알루미늄(alumina), Celazole®, Teflon(Polytetrafluoroethylene), 폴리이미드 및 티탄산바륨 중 어느 하나이다. 이들 소재들은 고온 적합성을 나타내었다.
유사하게 임의의 적절한 전도체들이 본 발명의 실시예들에 따라 전극들로서 사용될 수 있다. 많은 실시예들에서, 전도체는, 실리콘, 티타늄, 금, 텅스텐, 몰리브덴, 플래티넘 중 어느 하나이다.
고온 동작을 유지할 수 있는 커패시터를 설계함에 있어서, 커패시터를 패키징하는 것이 또한 고려될 필요가 있다. 예를 들어, 커패시터는 열 팽창 계수 불일치 또는 기밀성 부족으로 인한 봉지재의 분리로 인해 고온에서 고장 난다. 또한, 커패시터의 다양한 구성 요소들의 상호작용이 고려될 필요가 있다. 예를 들어, 탄탈륨 커패시터들은 유전체의 두 개의 감소와 유전체의 파손 전압의 동반 감소를 유발하는 산화물 층의 탄탈륨 전극으로의 확산을 보이고, 이는 상승된 온도 동작 동안에 커패시터의 열폭주 및 돌발 고장을 유발할 수 있다. 또한, 크고, 높은 값의 세라믹 커패시터들과 같은 브리틀 커패시터들의 크기는, 열 사이클 동안 커패시터의 파손을 유발하는 디바이스와 기판 사이의 열 팽창 계수 불일치에서 기인하는 커패시터 내에 발생된 스트레스들로 인해 크기가 제한된다.
따라서, 본 발명의 많은 실시예들에서, 동작 동안 고온을 견딜 수 있는 커패시터를 달성하기 위해 커패시터의 구성 소재들은 서로 응집력 있게 협동하도록 선택된다. 많은 실시예들에서, 구성 엘리먼트들은 고온에서 파손(예를 들어, 비아 박리)되지 않도록 유사한 열 팽창 계수들을 갖는다. 많은 실시예들에서, 구성 소재들은 커패시터의 기하학적 형태가 실질적으로 동일하게 유지될 수 있도록(예를 들어, 유전체의 두께가 감소하지 않는다), 고온에서 예를 들어 비아 확산과 같은 임의의 물질 이동을 나타내지 않는다. 많은 실시예들에서, 봉지재의 기밀성이 충분히 보증된다.
도 10a 및 10b는 본 발명의 실시예들에 따라 고온 ― 185℃ ― 에서 기능할 수 있는 두 커패시터들을 나타낸다. 보다 상세하게, 도 10a는 10㎛의 측면 치수를 갖는 정사각 기둥들의 어레이 형태의 표면을 이용하는 커패시터를 나타내고, 도 10b는 20㎛의 측면 치수를 갖는 정사각 기둥들의 어레이 형태의 표면을 이용하는 커패시터를 나타낸다. 기둥들은 61㎛의 높이를 가졌고, 5㎜×5㎜의 커패시턴스 면적을 갖고 1㎝×1㎝인 다이에 배치되었다. 그것들은 1㎛의 SiO2 유전체와 전도성 소재들로서의 실리콘 및 금을 사용하였다. 이들 커패시터들의 동작은 185℃에서 테스트되었고, 도 11a 및 11b가 커패시터들의 테스트 결과를 나타낸다. 보다 상세하게, 도 11a는 4개의 커패시터가 1000 시간에 걸쳐 그들의 커패시턴스를 유지하였음을 나타낸다. 도시된 그래프들에서, 커패시터 1 및 4는 10㎛의 측면 치수를 갖는 기둥들을 채용한 도 10a에 도시된 것에 대응하고; 반면에 커패시터 2 및 3 은 20㎛의 측면 치수를 갖는 기둥들을 채용한 도 10b에 도시된 것에 대응한다는 것을 유의한다. 커패시터 1 및 4는 테스트 전에 손상되었으며 여전히 양호하게 동작한다. 도 12는 커패시터들 중 하나의 손상을 나타낸다.
상술한 설명으로부터 추론될 수 있는 바와 같이, 상술한 개념들은 발명의 실시예들에 따라 다양한 배열로 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명이 어떤 특정 측면에서 기술되었다 하더라도, 많은 추가적인 수정 및 변화가 해당 기술 분야에 숙련된 자들에게 자명할 것이다. 그러므로 본 발명은 구체적으로 기재된 것과 달리 실시될 수 있는 것으로 이해된다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모두 한정적이 아니라 예시적인 관점에서 이해되어야 한다.
Claims (22)
- 세장형 몸체(elongated body)들의 어레이의 형상을 따르는 전도성 엘리먼트를 포함하는 커패시터로서,
세장형 몸체들의 어레이의 형상을 따르는 제 1 전도성 엘리먼트;
세장형 몸체들의 어레이의 형상을 따르는 제 2 전도성 엘리먼트;
상기 제 1 전도성 엘리먼트와 상기 제 2 전도성 엘리먼트 사이에 배치되어, 상기 제 1 전도성 엘리먼트와 상기 제 2 전도성 엘리먼트를 물리적으로 분리시키는 유전체(dielectric material)를 포함하는,
커패시터. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전도성 엘리먼트 및 상기 제 2 전도성 엘리먼트는, 맞물리지만 서로 물리적으로 접촉하지 않도록 구성된 별개의 구조물인,
커패시터. - 제 2 항에 있어서,
전극 간의 간격(inter-electrode gap)이 대략 10㎛ 미만인,
커패시터. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 전도성 엘리먼트 및 상기 제 2 전도성 엘리먼트는 각각 원기둥들의 어레이의 형상을 따르는,
커패시터. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 전도성 엘리먼트 및 상기 제 2 전도성 엘리먼트는 각각 육각형의 세장형 몸체들의 어레이의 형상을 따르는,
커패시터. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 전도성 엘리먼트 및 상기 제 2 전도성 엘리먼트는 각각 세장형 몸체들의 어레이를 구성하는,
커패시터. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 전도성 엘리먼트 및 상기 제 2 전도성 엘리먼트는 각각 세장형 몸체들의 어레이 상에 증착된 코팅을 구성하는,
커패시터. - 제 2 항에 있어서,
상기 유전체는 폴리벤지미다졸(Polybenzimidazole)인,
커패시터. - 제 8 항에 있어서,
상기 유전체는 세라졸® 폴리벤지미다졸(Celazole® Polybenzimidazole) 물질인,
커패시터. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전도성 엘리먼트는 세장형 몸체들의 어레이 상에 배치된 레이어이고,
상기 유전체는 상기 제 1 전도성 엘리먼트 상에 배치된 레이어이며,
상기 제 2 전도성 엘리먼트는 상기 유전체 상에 배치된 레이어인,
커패시터. - 제 10 항에 있어서,
상기 세장형 몸체들의 어레이는 전도성 실리콘을 포함하는,
커패시터. - 제 11 항에 있어서,
상기 세장형 몸체들의 어레이는 상기 전도성 실리콘 상에 배치된 유전체의 레이어를 포함하는,
커패시터. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 1 전도성 엘리먼트 및 상기 제 2 전도성 엘리먼트는 각각 TiN을 포함하는,
커패시터. - 제 13 항에 있어서,
상기 유전체는 Al2O3를 포함하는,
커패시터. - 제 10 항에 있어서,
상기 세장형 몸체들의 어레이는 탄소 나노튜브들을 포함하는,
커패시터. - 제 15 항에 있어서,
상기 세장형 몸체들의 어레이는 상기 탄소 나노튜브들 상에 레이어된 실리콘 산화물을 포함하는,
커패시터. - 제 16 항에 있어서,
상기 제 1 전도성 엘리먼트 및 상기 제 2 전도성 엘리먼트는 각각 TiN을 포함하는,
커패시터. - 제 16 항에 있어서,
상기 유전체는 Al2O3를 포함하는,
커패시터. - 제 18 항에 있어서,
제 2 유전체;
제 3 전도성 엘리먼트;
제 3 유전체;
제 4 전도성 엘리먼트;
제 4 유전체; 및
제 5 전도성 엘리먼트를 더 포함하고,
상기 제 2 유전체는 상기 제 2 전도성 엘리먼트 상에 배치된 레이어이고,
상기 제 3 전도성 엘리먼트는 상기 제 2 유전체 상에 배치된 레이어이고,
상기 제 3 유전체는 상기 제 3 전도성 엘리먼트 상에 배치된 레이어이고,
상기 제 4 전도성 엘리먼트는 상기 제 3 유전체 상에 배치된 레이어이고,
상기 제 4 유전체는 상기 제 4 전도성 엘리먼트 상에 배치된 레이어이며,
상기 제 5 전도성 엘리먼트는 상기 제 4 유전체 상에 배치된 레이어인,
커패시터. - 제 1 항에 있어서,
상기 유전체는 BaTiO3인,
커패시터. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전도성 엘리먼트, 상기 제 2 전도성 엘리먼트, 및 상기 유전체는 유사한 열 팽창 계수들을 갖는,
커패시터. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전도성 엘리먼트, 상기 제 2 전도성 엘리먼트, 및 상기 유전체는, 상기 커패시터가 대략 20℃ 내지 360℃의 온도 범위 내에서 동작할 수 있도록 하는,
커패시터.
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