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KR20150010519A - 연자성 자기교환결합 복합 구조체 및 이를 포함한 고주파소자 부품, 안테나 모듈 및 자기저항소자 - Google Patents

연자성 자기교환결합 복합 구조체 및 이를 포함한 고주파소자 부품, 안테나 모듈 및 자기저항소자 Download PDF

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KR20150010519A
KR20150010519A KR1020130085692A KR20130085692A KR20150010519A KR 20150010519 A KR20150010519 A KR 20150010519A KR 1020130085692 A KR1020130085692 A KR 1020130085692A KR 20130085692 A KR20130085692 A KR 20130085692A KR 20150010519 A KR20150010519 A KR 20150010519A
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KR
South Korea
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soft magnetic
thin film
composite structure
ferrite
magnetic metal
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Application number
KR1020130085692A
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English (en)
Inventor
강영민
안경한
강영재
이상목
Original Assignee
삼성전자주식회사
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.)
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Publication date
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Abstract

주상(main phase)인 페라이트 결정립(crystal grain)과 보조상(auxiliary phase)인 연자성 금속이 원자 단위로 계면 접합되며, 상기 페라이트 결정립의 계면으로부터 인접된 영역에는 결정질 연자성 금속이 존재하는 연자성 자기결합교환 복합 구조체, 이를 포함한 고주파소자 부품, 안테나모듈 및 자기저항소자를 제공한다.

Description

연자성 자기교환결합 복합 구조체 및 이를 포함한 고주파소자 부품, 안테나 모듈 및 자기저항소자{Soft magnetic exchange coupled composite structure, high frequency device components comprising the same, antenna module comprising the same, and magnetoresistive device comprising the same}
연자성 자기교환결합 복합 구조체 및 이를 포함한 고주파자 부품, 안테나 모듈 및 자기저항소자를 제시한다.
최근 휴대전화나 퍼스널 컴퓨터 등의 정보통신기기의 발달에 따라 신호주파수 고주파화가 급속히 진전되고 있다. 따라서 종래보다 더 고주파로 동작이 가능한 필터나 인덕터(inductor) 등의 고주파 전자 디바이스의 개발이 요구되고 있다.
고주파 전자 디바이스를 개발하기 위해서 높은 포화 자화값 및 투자율을 나타내고 낮은 자기공명선폭(ferromagnetic resonance line width)을 가지면서 작은 보자력(Hc)을 갖는 자성 소재가 요구된다.
한 측면은 포화자화값이 증가되고 보자력이 감소된 연자성 자기교환결합 복합 구조체를 제공하는 것이다.
다른 한 측면은 상술한 연자성 자기교환결합 복합 구조체를 이용한 고주파 소자 부품을 제공하는 것이다.
또 다른 한 측면은 상술한 연자성 자기교환결합 복합 구조체를 이용한 안테나모듈을 제공하는 것이다.
또 다른 측면은 상술한 연자성 자기교환결합 복합 구조체를 이용한 자기저항소자를 제공하는 것이다.
한 측면에 따라
주상(main phase)인 페라이트 결정립(crystal grain)과 보조상(auxiliary phase)인 연자성 금속이 원자 단위로 계면 접합되며, 상기 페라이트 결정립의 계면으로부터 인접된 영역에는 결정질 연자성 금속이 존재하는 연자성 자기교환결합 복합 구조체가 제공된다.
다른 한 측면에 따라 상술한 복합 구조체를 포함하는 고주파소자 부품이 제공된다.
상기 고주파소자 부품은 서쿨레이터(circulator)를 포함한다.
또 다른 측면에 따라 상술한 연자성 자기교환결합 복합 구조체를 포함하는 안테나모듈이 제공된다. 안테나모듈은 자성시트 또는 NFC(Near field communication) 시트를 포함하며, 상기 자성 시트 또는 NFC 시트가 연자성 자기교환결합 복합 구조체를 포함한다.
또 다른 측면에 따라 상술한 연자성 자기교환결합 복합 구조체를 포함하는 자기저항소자가 제공된다.
일구현예에 따른 연자성 자기교환결합 복합 구조체는 보자력이 감소되면서 포화자화 특성이 향상된다. 이러한 연자성 자기교환결합 복합 구조체는 높은 투자율 및 낮은 히스테리시스를 필요로 하는 연자성 소자 및 고주파 통신소자 부품에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1 내지 도 3은 각각 일구현예에 따른 복합 구조체의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 일구현예에 따른 복합 구조체를 이용한 서큘레이터의 사시도를 나타낸 것이다.
도 5는 일구현예에 따른 복합 구조체를 이용한 자성 시트의 구조를 도시하는 분해 사시도이다
도 6은 일구현예에 따른 복합 구조체를 이용한 NFC 시트의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 7은 도 5의 자성 시트를 채용한 안테나 모듈을 도시하는 사시도이다.
도 8은 일구현예에 따른 복합 구조체를 이용한 안테나 모듈의 구성 단면을 나타낸 개략도이다.
도 9는 일구현예에 따른 복합 구조체를 이용한 자기저항소자의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 일구현예에 따른 복합 구조체를 이용한 수직자기기록매체의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 실시예 1의 복합 구조체 및 비교예 1에 따른 구조체의 자화 특성을 나타낸 그래프이다.
도 12는 실시예 2-3에 따른 복합 구조체 및 비교예 2에 따른 구조체의 자화 특성을 나타낸 그래프이다.
도 13a 및 도 13b는 실시예 1의 복합 구조체의 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy: TEM) 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 14는 비교예 1에 따른 구조체의 TEM 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 15는 실시예 2 및 6에 따른 복합 구조체 및 비교예 2에 따른 구조체에서 온도에 따른 자화특성 변화를 나타낸 그래프이다.
도 16a는 실시예 3-6에 따른 복합 구조체의 자화 특성을 나타낸 그래프이다.
도 16b은 비교예 3-6에 따른 구조체의 자화 특성을 나타낸 그래프이다.
도 17 및 도 18는 실시예 6에 따른 복합 구조체의 TEM-EDAX(transmission electron microscopy-electron microscopy-energy dispersive X-ray analysis) 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 19 및 도 20은 참조예 1에 따른 복합 구조체의 TEM-EDAX 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
첨부된 도면들을 참조하면서 이하에서 예시적인 하나 이상의 연자성 자기교환결합 복합 구조체, 이를 이용한 고주파소자 부품, 안테나모듈 및 자기저항소자에 관하여 더욱 상세히 설명한다.
주상인 페라이트 결정립(crystal grain)과 보조상인 연자성 금속이 원자 단위로 계면 접합되며, 상기 페라이트 결정립의 계면으로부터 인접된 영역에는 결정질 연자성 금속이 존재하는 연자성 자기교환결합 복합 구조체가 제공된다.
연자성 자기교환결합 복합 구조체는 자기교환 결합에 의하여 연자성화된 페라이트 결정립과 연자성 금속으로 이루어진 구조체이다.
용어 “주상” 및 “보조상”의 정의와 “원자단위로 계면 접합”의 정의에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
“주상”은 “보조상”의 경우와 비교하여 두께가 두껍거나 또는 부피가 큰 경우를 지칭한다.
“원자단위로 계면 접합”의 의미는 주상인 페라이트 결정립과 보조상인 연자성 금속이 중간물질 또는 중간층 없이 원자 단위로 직접 접촉되어 결합된 상태를 나타낸다.
주상으로서 경자성 페라이트 결정립을 포함하면서 보조상으로 연자성 금속을 함유하는 구조체인 경우 전체적으로 경자성 특성을 나타내는 것이 일반적이다.
그러나 일구현예에 따른 복합 구조체는 경자성 페라이트 결정립과 연자성 금속간의 자기 교환 결합(magnetic exchange coupling) 현상으로 인하여 연자성 금속에 의하여 경자성 페라이트 결정립이 연자성화된다. 그 결과, 보자력이 더 큰 페라이트 결정립이 보자력이 더 작은 연자성 금속과 마찬가지로 연자성화 특성을 나타낸다. 연자성 자기교환결합 복합 구조체는 페라이트 결정립의 포화 자화값이 증대되고 보자력이 크게 감소되어 에너지 손실을 매우 감소시킬 수 있다. 그리고 기존의 경자성 페라이트 결정립과 달리 포화자화값의 열적 안정성이 향상된다.
연자성 자기교환결합 복합 구조체는 높은 투자율 및 낮은 히스테리시스를 필요로 하는 연자성 소자, 고주파 통신소자 부품 등에 유용하게 사용될 수 있다.
상기 경자성 페라이트 결정립은 입자 또는 박막 구조를 가지며, 연자성 금
속은 연자성 금속 박막 구조를 갖는다.
페라이트 결정립과 원자 단위로 계면접합된 연자성 금속 박막은 그 두께가 제한되지 않는다. 예를 들어 연자성 금속 박막의 두께가 1nm 이상, 1 내지 30nm, 예를 들어 2 내지 20nm, 구체적으로 2 내지 10nm이다.
일구현예에 따른 연자성 금속 박막의 두께는 예를 들어 2nm, 3nm, 4nm, 10nm 또는 20nm이다.
일구현예에 따르면, 페라이트 결정립은 박막(thin film) 또는 시트(Sheet) 구조를 가지며, 페라이트 결정립 두께는 50 내지 500nm이다.
상기 박막 또는 시트 구조를 갖는 페라이트 결정립 두께는 예를 들어 페라이트 결정립의 직경과 동일하거나 페라이트 결정립의 직경에 비하여 클 수 있다.
경자성 페라이트 결정립의 계면으로부터 인접된 영역에 존재하여 경자성 페라이트 결정립을 연자성화하기에 필요한 결정질 연자성 금속 박막의 두께는 상술한 바와 같이 1nm 이상, 예를 들어 1 내지 30nm, 예를 들어 2 내지 20nm, 구체적으로, 2 내지 10nm일 수 있다. 이 때 경자성 페라이트 결정립은 예를 들어 박막 구조를 갖는다.
연자성 금속 박막에 의해 연자성화되는 경자성 페라이트 결정립 박막의 두께 혹은 경자성 페라이트 결정립 입자의 직경은 50 내지 500nm, 예를 들어 50 내지 100nm, 구체적으로 60~100nm인 것이 연자성화 특성이 우수하다.
일구현예에 의하면 경자성 페라이트 결정립 박막과 연자성 금속 박막의 두께비는 4:1 내지 40:1이다. 이러한 두께비를 가질 때 복합 구조체의 연자성화 특성이 우수하다.
결정질 연자성 금속 박막이 경자성 페라이트 결정립의 계면 원자단위로 접합되어 배치되어 있는 것은 투과전자현미경을 통하여 확인 가능하다.
일구현예에 따른 복합 구조체는 페라이트 결정립의 계면으로부터 인접된 영역 이외에 상기 경자성 페라이트 결정립의 계면으로부터 인접되지 않은 영역에 존재하는 연자성 금속 박막의 연자성 금속도 결정질 구조를 가질 수 있다.
상기 경자성 페라이트 결정립은 육방정계 페라이트 결정립으로 M형, U형, W형, X형, Y형, 또는 Z형의 많은 상을 갖고 있다.
경자성 페라이트 결정립은 육방정계 결정 구조를 갖는 헥사페라이트 물질을 포함한다. 헥사페라이트 물질은 예를 들어 M형 헥사페라이트(AFe12O19, A는 Ba, Sr, Ca, Pb 또는 그 혼합물임) 또는 W형 헥사페라이트(hexaferrite) (AM2Fe16O27, A는 Ba, Sr, Ca, Pb 또는 그 혼합물이고, M은 Co, Ni, Cu, Mg, Mn, 또는 Zn임)이 있다.
경자성 페라이트 결정립은 입방정계 결정 구조를 갖는 스피넬 페라이트(Spinel Ferrite) MeFe2O4, (Me는 전이금속으로서 예를 들어 Mn, Zn, Co, 및 Ni 중에서 선택된 하나 이상임), 또는 가넷 페라이트(Garnet Ferrite)(Y3Fe5O12, Y는 이트륨 또는 희토류원소임)일 수 있다.
상기 스피넬 페라이트의 예로는 MnZnFe2O4 또는 NiZnFe2O4을 들 수 있다.
연자성 금속은 연자성을 갖고 있는 금속이라면 모두 다 사용 가능하다. 연자성 금속의 예로는, 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상 또는 그 합금을 들 수 있다.
일구현예에 따른 연자성 금속은 철(Fe) 또는 철 합금이다.
일구현예에 따른 복합 구조체는 연자성 금속의 산화를 막기 위한 캡핑층을 더 포함할 수 있다. 캡핑층은 적어도 하나의 층을 포함한다.
캡핑층은 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 안티몬(Sb), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 크롬(Cr) 및 텔루륨(Te)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함한다. 캡핑층의 두께는 제한되지는 않으나 예를 들어 1 내지 50nm이다.
일구현예에 따른 복합 구조체는 패시베이션층을 더 포함하는 것도 가능하다. 패시베이션층은 적어도 하나의 층을 포함한다.
패시베이션층은 내부 금속층의 산화 방지 및 보호하는 역할을 하며, 예를 들어 산화알루미늄(Al2O3), 산화마그네슘(MgO), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 및 탄탄륨(Ta)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함한다.
일구현예에 따른 연자성 자기교환결합 복합 구조체는 상기 M형 육방정계 페라이트 결정립 박막의 두께가 50 내지500nm, 예를 들어 60 내지 100nm이고, 철 또는 철 합금 박막의 총 두께가 1 내지 30nm, 예를 들어 2 내지 20nm이다. 이러한 복합 구조체는 연자성 특성이 매우 우수하다.
다른 일구현예에 따라 주상인 페라이트 결정립(crystal grain) 및 보조상인 연자성 금속이 원자 단위로 계면 접합되며, 상기 페라이트 결정립의 계면으로부터 인접된 영역에 비정질 연자성 금속 박막이 존재하며, 상기 비정질 연자성 금속 박막의 두께가 5nm 이하인 경자성 자기교환결합 복합 구조체가 제공된다.
페라이트 결정립 상부에 형성된 연자성 금속 박막의 총 두께는 1nm 이상, 예를들어 1 내지 30nm이다. 페라이트 결정립의 계면으로부터 직접 인접되지 않고 떨어진 영역에 존재하는 연자성 금속 박막은 예를 들어 비정질 구조 또는 결정질 구조를 가질 수 있다.
페라이트 결정립의 계면으로부터 인접된 영역에 존재하는 연자성 금속층이 비정질 구조를 가질 때나 또는 페라이트 결정립과 연자성 금속층 사이에 중간층이 형성될 때에는 페라이트의 연자성화 현상이 현저하게 저하되거나 또는 거의 일어나지 않는다. 이 때 페라이트 결정립의 계면으로부터 인접된 영역에 존재하는 비정질 상태의 연자성 금속층의 두께는 5nm 이하, 예를 들어 0.1 내지 5nm, 예를 들어 0.1 내지 2nm, 구체적으로 0.5 내지 1nm일 수 있다.
일구현예에 따른 경자성 자기교환결합 복합 구조체는 경자성화 교환 상호 결합이 일어나 보조상인 연자성 금속은 주상인 경자성 페라이트 결정립의 자화 거동을 따른다. 그 결과 연자성 금속의 높은 포화자화값은 유지하면서 보자력은 경자성 페라이트 결정립과 마찬가지로 낮은 보자력을 갖도록 유지됨으로써 경자성 특성이 매우 향상된다. 따라서 이러한 경자성화 복합 구조체는 기존의 강자성 페라이트 물질에 비하여 자기적 특성을 향상시켜 경자성 소재가 필요한 수직자기기록매체 또는 자기회로의 영구자석소자에 이용될 수 있다. 이러한 수직자기기록매체 또는 자기회로의 영구자석소자는 자기적 성능이 매우 향상된다.
도 1은 일구현예에 따른 복합 구조체의 구조를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하여 복합 구조체(13)는 기판(10) 상에 주상인 페라이트 결정립 박막(11)이 형성되어 있고 상기 페라이트 결정립 박막 (10) 상부에 보조상인 연자성 금속 박막(12)이 형성된 구조를 구비하고 있다. 상기 경자성 페라이트 결정립 박막 계면으로부터 인접된 영역에는 결정질 연자성 금속 박막이 존재한다.
상기 기판(10)은 페라이트 결정립 박막을 지지하는 기능을 할 수 있는 것이라면 모두 다 사용가능하며, 예를 들어 Si, SiO2/Si, Sappire, SrTiO3, LaAlO3, MgO 등의 기판을 사용할 수 있다.
도 2 및 도 3은 다른 일구현예에 따른 복합 구조체의 구조를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하여, 복합 구조체(23)는 경자성 페라이트 결정립 입자(21) 상부에 연자성 금속 박막(22)이 형성된 구조를 갖고 있고, 상기 경자성 페라이트 결정립 입자 계면으로부터 인접된 영역에는 결정질 연자성 금속 박막이 존재한다.
도 3에 따른 복합 구조체(33)는 기판(30) 상부에 페라이트 결정립 박막(31) 및 연자성 금속 박막(31)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 상기 연자성 금속 박막(31) 상부에는 연자성 금속의 산화방지를 위한 캡핑층(34)이 형성되어 있다. 도 2의 복합 구조체는 도 3의 경우와 마찬가지로 연자성 금속 박막 (22) 상부에는 캡핑층이 더 형성될 수 있다.
복합 구조체는 M형 육방정계 페라이트 결정립 입자 또는 M형 육방정계 페라이트 결정립 박막과, 철 또는 철 합금 박막을 포함한다.
일구현예에 따른 철 또는 철 합금 박막의 총 두께는 예를 들어 1 내지 30nm, 구체적으로 1 내지 20nm이다.
상기 M형 육방정계 페라이트 결정립 박막의 두께는 50 내지 100nm이고,
철 또는 철 합금 박막의 총 두께가 1 내지 30nm, 예를 들어 2 내지 10nm이고, M형 육방정계 페라이트 결정립 박막의 계면으로부터인접된 영역에 존재하는 결정질 철 또는 철 합금 박막의 두께가 2nm 이하, 예를 들어 0.1 내지 2nm이다.
상기 M형 육방정계 페라이트 결정립 입자 또는 M형 육방정계 페라이트 결정립 박막이 SrFe12O19를 포함한다.
이하, 일구현예에 따른 복합 구조체의 제조방법을 살펴보기로 한다.
먼저 기판 상에 경자성 페라이트를 이용하여 경자성 페라이트 결정립 박막 또는 경자성 페라이트 결정립 입자를 형성한다.
경자성 페라이트 결정질 박막 또는 입자를 형성하는 방법은 당업계에서 널리 공지된 방법으로 사용 가능하다.
경자성 페라이트 결정립 박막은 예를 들어 증착, 코팅 등을 사용하여 형성할 수 있다.
증착은 물리화학기상 증착에 의하여 이루어질 수 있다.
상기 물리화학기상 증착으로는 스퍼터링, PLD(pulsed laser deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy), 이온 도금(ion plating), 또는 이온빔 증착(ion beam deposition)이 있다.
일구현예에 따르면,증착시 PLD을 이용할 수 있다. 이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저 경자성 페라이트 결정립을 이용하여 벌크 소결체인 타겟을 제작한다.
여기에서 타겟은 예를 들어 고상반응법(solid state process)에 따라 제조한다.
상기 과정에 따라 얻어진 타겟을 PLD 방법을 이용하여 기판상에 증착하는 과정을 거친 후 열처리하여 경자성 페라이트 결정질 박막을 형성할 수 있다.
상기 열처리는 공기 또는 산소 분위기하에서 실시하며 800 내지 1100℃에서 실시하여 형성한다. 열처리 온도가 상기 범위일 때 성능이 우수한 경자성 페라이트 결정립 박막을 얻을 수 있다.
이어서, 경자성 페라이트 결정립 박막 또는 경자성 페라이트 결정립 입자 상부에 연자성 금속 박막을 형성한다.
연자성 금속 박막은 증착, 딥 코팅, 스프레이 코팅, 원자화(atomization) 방법 등으로 형성할 수 있다. 연자성 금속 박막은 경자성 페라이트 결정질 박막을 형성하는 방법과 마찬가지로 증착을 사용할 수 있다. 이 밖에도 연자성 금속이 석출될 수 있는 용액 상태에 경자성 페라이트 결정립 입자를 부가하는 딥 코팅, 원자화법, 스프레이 코팅법을 사용해서 연자성 금속 박막을 형성하는 것도 가능하다.
경자성 페라이트 결정립 박막 또는 입자 상부에 연자성 금속 박막을 형성하는 과정은 상온(20 내지 25℃) 또는 200 내지 600℃의 온도에서 진공 열처리하는 과정을 거칠 수 있다.
경자성 페라이트 결정립 박막 또는 입자 상부에 연자성 금속 박막을 형성하는 과정을 상온(20 내지 25℃)에서 실시하는 경우, 진공 열처리 과정을 더 거칠 수 있다. 이 때 진공 조건은 1ⅹ10-8 내지 1ⅹ10-5 Torr, 예를 들어 1ⅹ10-7 내지 2ⅹ10-6 Torr이고 열처리온도는 200 내지 600℃ 범위이다. 진공 조건 및 열처리온도가 상기 범위일 때 연자성 금속의 산화가 억제되어 연자성 특성이 우수한 복합 구조체를 얻을 수 있게 된다.
상술한 진공 열처리하는 과정을 거치면 경자성 페라이트 결정립에 인접된 영역에 결정질 연자성 금속이 존재하는 연자성 자기교환결합 복합 구조체를 형성할 수 있게 된다.
상기 진공 열처리하는 과정에서 열처리온도가 300℃를 초과하고 600℃ 이하인 경우에는 연자성 금속 박막(예: 철 박막)의 연자성 금속(예: 철)이 성장하여 연자성 금속 박막의 두께가 증가할 수 있다. 예를 들어 철 박막을 약 2nm로 형성한 후 이를 300℃를 초과하고 600℃ 이하에서 진공 열처리하는 경우, 철 박막의 두께가 2nm를 초과하는 두께 예를 들어 약 20nm의 두께로 증가할 수 있다.
경자성 페라이트 결정립은 열처리한다고 하더라도 경자성 페라이트 결정립의환원반응이 잘 일어나지 않는 것이 일반적이다.
그러나 상술한 열처리온도 범위에서 진공열처리하는 경우, 연자성 금속(예: 철)이 씨드층(seed layer) 역할을 수행하여 경자성 페라이트 결정립의 환원 반응이 진행되어 페라이트 물질의 산소 함량이 감소할 수 있다. 이와 같이 페라이트 물질의 산소 함량이 감소된 경우 즉, 산소 결핍된 경자성 페라이트 결정립을 포함하는 경우에는 복합 구조체의 보자력은 감소하고 포화 자화값은 증가함으로써 연자성이 더욱 더 향상될 수 있다.
경자성 페라이트 결정립 상부에 5nm 이하, 예를 들어 1 내지 5nm 두께의 연자성 금속 박막을 형성하는 과정을 상온에서 실시하되 진공 열처리하는 과정을 거치지 않게 되면, 경자성 페라이트 결정립 및 연자성 금속이 원자 단위로 계면 접합되며, 상기 페라이트 결정립의 계면으로부터 인접된 영역에 비정질 연자성 금속 박막이 존재하며, 상기 연자성 금속 박막의 두께가 5nm 이하, 예를 들어 1 내지 5nm인 경자성 복합 구조체가 제공된다.
일구현예에 의하면, 연자성 금속 박막 형성시 스퍼터링을 이용할 수 있다.
스퍼터링은 불활성 가스 분위기하에서 실시되며, 스퍼터링시 압력은 0.5~5 mTorr에서 실시한다. 불활성 가스로는 아르곤 가스 또는 질소 가스를 이용한다.
스퍼터링 공정조건을 살펴보면, 예를 들어 파워는 20 내지 50W, 스퍼터 타겟과 기판의 거리는 10 내지 50cm, 증착시간은 100 내지 1000분이다.
스퍼터링 공정조건이 상술한 범위일 때, 성능이 우수한 연자성 금속 박막을 형성할 수 있다.
상술한 스퍼터링을 실시한 후에 200 내지 600℃ 범위, 예를 들어 300 내지 400℃에서 진공 열처리하는 단계를 거칠 수 있다. 진공은 1ⅹ10-8 내지 1ⅹ10-5 Torr, 예를 들어 1ⅹ10-7 내지 2ⅹ10-6 Torr 범위이다.
또 다른 측면에 따라 일구현예에 따른 연자성 자기교환결합 복합 구조체를 이용한 고주파소자 부품이 제공된다.
고주파소자 부품은 미리 정해진 포트(port)를 통하여 입력된 신호가 패러데이 회전(Faraday Rotation)에 따라 한쪽 방향으로 회전하여 미리 정해진 다른 포트로 전달되도록 설계된 것으로서, 예를 들어 서큘레이터(Circulator), 또는 아이솔레이터(isolator)가 있다.
서큘레이터는 경우 보통 세 개의 포트를 가지며, 각각의 포트로부터 입력된 신호는 보통 동일한 전달계수 및 반사계수를 가지고 인접한 다른 포트로 전달되도록 설계된다. 따라서 각각의 포트는 입력포트(Input Port)인 동시에 인접 포트에 대하여 방향성(Directivity)을 가지는 출력포트(Output Port)가 될 수 있다.
이에 비해, 아이솔레이터는, 세 개의 포트 중 한 개의 포트에 종단저항(Termination)을 연결하여, 각각의 포트가 오로지 하나의 역할 만을 수행할 수 있도록 설계된다. 즉, 입력포트를 통하여 들어온 신호는 출력포트를 통하여 전달되며, 반대로 출력포트를 통하여 들어온 신호는 종단저항이 연결되어 있는 종단포트(Termination Port)로 전달되어 소멸된다. 따라서 이상적인 아이솔레이터의 경우, 출력포트로부터 입력된 신호가 입력포트로 전달되지 않고 차단된다.
일반적으로 아이솔레이터 및 서큘레이터는 무선통신장치의 송신단에 있어서, 파워앰프(Power Amplifier)와 안테나(Antenna) 사이에 위치하여, 파워앰프로부터 증폭된 신호가 안테나 쪽으로 적은 손실을 가지고 전달되도록 도와주는 반면, 안테나로부터 반사되어 돌아오는 신호 또는 원하지 않는 신호가 파워앰프 쪽으로 전달되지 않도록 그 신호를 차단해 주는 역할을 한다.
도 4는 일구현예에 따른 서큘레이터의 일구현예를 나타낸 것이다.
도 4를 참조하여, 서큘레이터는 중심도체(46)(Stripline Center Conductor), 일구현예에 따른 연자성 자기교환결합 복합 구조체(45), 극판(44)(Pole Piece), 영구자석(43)(Permanent Magnet), 그리고 리턴 극판(42)(Return Pole Piece) 등이 각각 하우징(48)(housing)에 삽입되어 이루어져 있으며, 그 하우징(48)은 금속블록을 기계가공하여 만들어 진다. 또한 그 중심도체(46)에서 각각의 포트(Port)를 이루는 세 개의 중심도체 단자(Lead)들(46a, 46b, 46c)을 하우징(48) 외부로 내보내기 위해, 하우징(48)의 측면 벽면에 보통 세 개의 개구부(Opening)를 형성하여 준다. 상기 소자들이 삽입된 하우징(48)은 리드(Lid)(41)와 함께 조립되면서, 내부에 삽입된 소자들을 압착 고정하게 되는데, 이를 위해 상기 하우징(48)의 내경 및 리드(41)의 외경에 원주상으로 나사산을 만들어 주고 이들이 서로 맞물려 조립된다. 따라서 리드(41)가 하우징(48) 내경의 나사산을 따라 내려갈수록 상기 적층된 소자들은 서로 치밀하게 압착된다. 상기 하우징(48) 및 리드(41)는 보통 연자성체로 만들어지는데, 이는 영구자석(44)으로부터 발생된 자기장이 하우징(48) 및 리드를 통하여 낮은 자기저항을 가지고, 정자계의 손실 없이 자기 폐회로(magnetic closed loop)를 구성하며 흐르도록 도와준다.
한편, 다른 일구현예에 따른 연자성 자기교환결합 복합 구조체는 안테나 모듈에 사용되는 자성시트 또는 NFC 시트에 이용될 수 있다.
도 5는 일구현예에 따른 자성시트(50)를 나타낸 분해 사시도이다.
도 5를 참조하여, 자성시트(50)는 일구현예에 따른 연자성 자기교환결합 복합 구조체(51)이 제1보호층(52)과 제2보호층(53) 사이에 개재되도록 형성되어 있다. 도 5에 나타난 자성 시트(50)은 정사각 형상을 갖고 있지만, 임의의 형상을 가질 수 있다.
상기 제1보호층(52)은 연자성 자기교환결합 복합 구조체(50)에 부착되어, 연자성 자기교환결합 복합 구조체(51)을 보호하고 지지하는 역할을 한다. 제1보호층(52)은 가요성을 갖는 재료, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 아크릴 수지, 테프론, 폴리이미드 등의 고분자 재료, 종이, 편면 점착재, 양면 점착재 등으로 이루어질 수 있다. 또는 제1 보호층(52)으로서, 플렉시블 프린트 기판을 사용하는 것도 가능하다.
제2 보호층(53)은, 연자성 자기교환결합 복합 구조체(51)의 제1 보호층(52)의 대향하는 면에 부착되어, 연자성 자기교환결합 복합 구조체(51)를 보호하고, 지지한다. 제2 보호층(53)은 제1 보호층(52)의 재료와 마찬가지의 재료로 이루어진다. 제1 보호층(52)의 재료는 제2 보호층(53)의 재료와 동일하거나 상이할 수 있다.
자성시트(70)은 도 7에 나타난 바와 같이 안테나코일과 함께 모듈화하여 얻어진 안테나모듈(71)을 제공한다.
도 7을 참조하여, 안테나 모듈(71)은 RF(Radio Frequency) 통신, RFID(Radio Frequency Identification) 시스템 또는 비접촉 급전 시스템에 사용된다. 여기에서, 안테나 모듈(71)은 RFID용 안테나 모듈인 것으로서 가정하여 설명한다. 단,
안테나 모듈(71)은 이것에 한정되지 않고, 자성 시트(70)와 안테나 코일이 일체화된 모듈이면 된다.
도 7에 도시한 바와 같이, 안테나 모듈(71)은 자성 시트(70), 자성 시트(70) 상에 배치된 안테나 코일(73) 및 안테나 코일(73)에 접속된 IC 칩(72)을 포함한다. 안테나 코일(73) 및 IC 칩(72)은 자성 시트(70)상에, 예를 들어 접착되어서 배치되어 있다. 안테나 코일(73)은 코일 방식으로 권회된 도선이며, 그 형상 및 권회수는 임의로 선택된다. IC 칩(72)은 안테나 코일(73)의 양단부와 접속되어 있다. RFID 시스템에서는, 안테나 모듈(71)에 입사하는 전자파에 의해 안테나 코일(73)에서 유도기 전력을 생성하고, IC 칩(72)에 공급된다. IC 칩(72)은 이러한 전력에 의해 구동되어, 안테나 코일(73)에 의해 입력되는 입사하는 전자파(반송파)로부터의 정보를 기억하고, 또는 IC 칩(72)이 기억하고 있는 정보를 반송파로서 안테나 코일(73)로 출력한다. 자성 시트(70)의 안테나 코일(73)에 대한 크기는 임의로 선택된다. 안테나 모듈(71)로부터 발생한 자계 성분이 안테나 모듈(71) 주위에 존재하는 금속 등을 간섭(결합)하는 것을 방지한다는 자성 시트(70) 역할의 관점에서, 자성 시트(70)가 안테나 코일(73)의 대부분에 걸쳐 펼쳐져(spread) 있는 것이 적합하다.
도 6은 일구현예에 따른 복합 구조체를 이용한 NFC 시트의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6을 참조하여, NFC 시트는 일구현예에 따른 연자성 자기교환결합 복합 구조체(63)의 일 면에는 접착층(64a) 및 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름(65a)가 순차적으로 적층되어 있다. 연자성 자기교환결합 복합 구조체(63)의 다른 일면에는 접착층(64b), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름(65b)가 차례 차례 형성되어 있고, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름(65b)의 다른 면에는 접착층(64c) 및 세퍼레이타(66)이 형성되어 있다.
도 8은 일구현예에 따른 안테나 모듈의 구성 단면의 개략도를 나타낸 것이다.
이를 참조하면, 자성 부재인 연자성 자기교환결합 복합 구조체(81)의 일 면에 도전 루프 안테나(85)를 설치하면서 안테나를 설치한 자성부재의 다른 일면에 도전층(83)을 형성하여 안테나모듈을 얻을 수 있다. 도전 루프 안테나는 두께 20 내지 60㎛의 폴리이미드 필름, PET 필름 등의 절연 필름의 한쪽면에 소용돌이형의 두께 20 내지 30 ㎛의 도전 루프를 형성하여 제조한다.
상기 도전층(83)의 두께는 5 내지 50 ㎛이다. 도전 루프 안테나(85)와, 연자성 자기교환결합 복합 구조체(81)의 도전층(83)면과는 반대면을 두께 20 내지 60 ㎛의 양면 점착 테이프(84)로 접합시키고, 도전층(83)면에도 동일한 점착 테이프(84)를 도포하고 박리부재(80)을 배치하면, 도 8과 같은 안테나 모듈이 얻어진다.
양면 점착 테이프(84)의 상부에는 도전루프 안테나(85)가 전자 기기 내부에서 노출되지 않도록 절연 필름(82)을 배치한다.
상기 도전층(83)은 연자성 자기교환결합 복합 구조체(81)의 한 면에 도전도료를 도포하고 실온 내지 100 ℃의 대기 분위기에서 30 분 내지 3 시간 건조하여 형성할 수 있다. 여기에서 도전 도료로는, 도전 충전재로서 구리 및 은의 분말을 아세트산부틸이나 톨루엔 등의 유기 용제와 아크릴 수지나 에폭시 수지에 분산시킨 도전 도료를 사용할 수 있다.
상기 과정에 따라 얻어진 안테나 모듈을 원하는 주파수에서 공진하도록 공지된 방법인 컨덴서를 루프에 병렬로 삽입하고, 공진 주파수를 원하는 범위로 조정한다. 이렇게 공진 주파수를 조정한 안테나 모듈은, 각종 전자 기기의 금속 부재 근방에 시공하여 안테나 특성의 변화가 매우 적어 안정한 통신을 확보할 수 있다.
또 다른 측면에 따라 일구현예에 따른 연자성 자기교환결합 복합 구조체를 이용한 자기저항소자가 제공된다.
도 9a 및 도 9b는 일구현예에 따른 복합 구조체를 이용한 자기 저항 소자의 개요도를 나타낸 것이다. 도 9a는 자기장 인가한 경우를 나타내고 도 9b는 자기장 인가를 하지 않는 경우를 각각 나타낸다.
이를 참조하여, 자기저항소자의 연자성 자기교환결합 복합 구조체(93)의 페라이트 결정립 박막(91)에 외부 자기장(H)을 인가하는 경우 연자성 금속 박막(92)의 자화 방향이 정렬된다. 만약 연자성 금속 박막(92)의 자화 방향이 페라이트 결정립 박막(91)의 자화 방향과 평행한 경우라면, 연자성 금속 박막(92)의 전자는 페라이트 결정립 박막(91)의 전자와 같은 스핀 방향을 갖고 보다 낮은 저항을 가지고 전기 전도가 가능해지고, 자기장이 없는 상태에서는 자구(magnetic domain)생성에 의해 두 층의 스핀 방향은 임의(random)방향을 갖게 되어 두 층의 전자 spin들 간에 산란에의해 전기 저항이 증가하게 된다. 외부 자기장에 의해 변하는 두 층의 자화 상태에 따라 연자성 층을 흐르는 전자는 스핀 의존 산란(spin-dependent scattering)을 한다. 그 결과, 페라이트 결정립 박막(91)과 연자성 금속 박막(92)에서 유도되는 전기저항의 차이 또는 전위차가 발생하고 이것을 디지털 신호로 인식하면 검체의 자기적 성분을 감지할 수 있게 된다. 따라서 자기 저항 소자는 자기저항센서로 이용 가능하다.
도 10은 일구현예에 따른 복합 구조체를 이용한 수직자기기록매체의 개략적인 구조를 보여주는 단면도이다. 여기에서 복합 구조체는 경자성 복합 구조체를 사용한다.
도 10을 참조하면, 일구현예에 따른 수직자기기록매체(100)는 하부로부터 기판(110), 연자성층(soft magnetic underlayer)(114), 중간층(intermediate layer)(115), 기록층(113) 및 보호층(116)이 순차적으로 적층되어 형성된다.
상기 기록층(113)은 자기기록이 이루어지는 층으로서, 일구현예에 따른 경자성 복합 구조체를 사용하여 형성하며, 기록층(113)은 페라이트 결정립 박막(111) 및 연자성 금속 박막(112)을 포함한다. 경우에 따라서는 페라이트 결정립 박막(111) 및 연자성 금속 박막(112)의 적층 순서가 바뀔 수 있다. 그리고 도 10에는 페라이트 결정립 박막(111) 및 연자성 금속 박막(112)이 각각 단일층으로 적층된 것으로 나타나 있으나, 필요에 따라 복수층으로 형성하는 것도 가능하다.
상기 연자성층(114)은 자기기록시 기록헤드로부터 발생하는 자기필드를 끌여 당겨, 기록층(113)에 수직한 자기필드의 자로(magnetic path)를 형성할 수 있도록 제어하는 층으로 단층 내지 다층 구조로 형성될 수 있다. 이러한 연자성층(114)의 재질로는 통상적인 수직자기기록매체의 연자성층 재료로 이용될 수 있는 것이면 제한이 없으며, 예를 들어, Co계 비정질 구조를 가지고 있거나 Fe 또는 Ni을 포함하고 있는 연자성체(soft magnetic material)로 형성될 수 있다.
상기 기판(110)과 연자성층(114) 사이에는 연자성층(114)의 성장을 위하여 Ta나 Ta 합금 등으로 형성되는 씨드층이 개재될 수 있다. 기판(110)과 연자성층(114) 사이에는 그밖에 버퍼층나 자구제어층이 더 개재될 수 있으며, 이러한 구성들은 당해 분야에 잘 알려져 있으므로 상세한 설명은 생락한다.
상기 중간층(115)은 기록층(113)의 결정 배향성과 자기적 특성을 향상시키는 층으로, 상기 기록층(113)의 하부에 마련된다. 이러한 중간층(115)은 기록층(113)의 재질과 결정 구조에 따라 적절하게 선택되어 형성될 수 있다. 예를 들어 중간층(115)은 Ru, Ru 산화물, MgO 또는 Ni을 포함하는 합금으로 이루어진 단층 내지 다층 구조로 형성될 수 있다.
상기 보호층(116)은 상기 기록층(113)을 외부로부터 보호하기 위한 것으로 DLC(diamond-like-carbon) 보호층과 윤활층을 포함할 수 있다. DLC 보호층은 DLC로 증착되어 형성되며, 수직자기기록매체(100)의 표면 경도를 높인다.
상기 윤활층은 테트라올(Tetraol) 윤활제 등으로 이루어지며, 헤드와의 충돌 및 습동(sliding)에 의한 자기 헤드 및 DLC 보호층의 마모를 감소시킨다.
상기 수직자기기록매체에서 자기기록되는 과정을 설명하면, 기록헤드는 주어진 정보에 상응하는 기록필드를 수직자기기록매체에 방출한다.
이하의 실시예 및 비교예를 통하여 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예는 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.
비교예 1: 구조체의 제조
Sr:Fe 몰비가 1:11.5이 되도록 원료 분말은 SrCO3, Fe2O3 분말을 칭량하여 직경 2인치 크기의 디스크 형태 소결체 타겟을 제조하였다.
상기 소결체 타겟을 이용한 PLD 공정을 실시하여 Si/SiO2 기판에 결정질 M형 Sr 페라이트(SrFe16019)(이하, SrM)을 증착한 후 이를 공기중 970℃에서 열처리하여 SrM 박막을 약 100nm 두께로 제조하여 Si/SiO2/SrM　(100nm) 구조체를 형성하였다.
상기 PLD 증착시 타겟과 기판사이의 거리는 약 7cm이었고, 레이저 에너지 밀도(Laser energy density)는 약　2J/cm2이었고 증착 분위기는 산소 분위기하에서 약 50mTorr에서 진행되었으며 진공조건은 약 6X10-6 Torr이었고 상기 기판의 온도는 약 400℃로 제어되었다.
그 후에 Si/SiO2/SrM　구조체 상부에 Fe을 진공 조건하에서 DC 스퍼터링 방법을 이용하여 두께 10nm로 증착하였다.
상기 DC 스퍼터링 조건에 대하여 살펴 보면, 기판 온도는 상온이고, 타겟과 기판 거리는 약 20cm이고, DC 스퍼터 파워(Powder)는 30W이고, 진공(Base Pressure)은 약 2X10-6 Torr이고 증착 분위기는 아르곤 가스하에서 약 50mTorr이었다.
그 후 진공이 유지된 상태에서 철 박막 상부에 티타늄을 스퍼터링하여 Ti 캡핑층(Ti Cap층)을 두께 50nm로 형성하여 Si/SiO2 기판/SrM 박막(100nm)/Fe 박막(10nm)/Ti 캡핑층 구조체를 얻었다.
비교예 2: 구조체의 제조
Sr:Fe 몰비가 1:11.5이 되도록 원료 분말은 SrCO3, Fe2O3 분말을 칭량하여 직경 2인치 크기의 디스크 형태 소결체 타겟을 　제조하였다.
상기 소결체 타겟을 이용한 PLD 공정을 실시하여 Si/SiO2 기판에 SrM을 증착한 후 이를 공기중 970℃에서 열처리하여 결정질 SrM 박막을 약 80nm 두께로 형성하여 Si/SiO2/SrM(80nm) 구조체를 제조하였다.
비교예 3: 구조체의 제조
Si 및 SiO2이 순차적으로 적층된 Si/SiO2 기판 상부에 철을 상온(약 25℃)에서 스퍼터링으로 진공 증착하고 철 박막을 약 2nm 두께로 형성하여 Si/SiO2/Fe 박막(2nm) 구조체를 형성하였다.
비교예 4: 구조체의 제조
철 박막을 3nm 두께로 형성한 것을 제외하고는, 비교예 3과 동일하게 실시하여 Si/SiO2/Fe 박막(3nm) 구조체를 형성하였다.
비교예 5: 구조체의 제조
철 박막을 4nm 두께로 형성한 것을 제외하고는, 비교예 3과 동일하게 실시하여 Si/SiO2/Fe 박막(4nm) 구조체를 형성하였다.
비교예 6: 구조체의 제조
철 박막을 10nm 두께로 형성한 것을 제외하고는, 비교예 3과 동일하게 실시하여 Si/SiO2/Fe 박막(10nm) 구조체를 형성하였다.
실시예 1: 연자성 자기교환결합 복합 구조체의 제조
비교예 1에 따라 얻은 상기 Si/SiO2/SrM(100nm)/Fe(10nm) 박막/　Ti 캡핑층 구조체를 1×10-6 Torr, 약 300℃에서 1시간 동안 진공 열처리하여 Si/SiO2 기판/ SrM 박막(100nm)/Fe 박막(10nm)/Ti 캡핑층(50nm) 연자성 자기교환결합 복합 구조체를 형성하였다.
실시예 2: 연자성 자기교환결합 복합 구조체의 제조
비교예 2에 따라 얻은 Si/SiO2/SrM 박막 구조체 상부에 철을 스퍼터링으로 진공증착하여 철 박막을 2nm 두께로 형성하였다. 이 결과물을 약 300℃에서 진공(10-6 Torr) 열처리하여 Si/SiO2/SrM 박막(80nm)/Fe 박막(2nm) 연자성 자기교환결합 복합 구조체를 얻었다.
실시예 3: 연자성 자기교환결합 복합 구조체의 제조
SrM 박막을 두께 약 60nm로 형성하고 철 박막을 두께 약 2nm로 형성한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 Si/SiO2/SrM 박막(60nm)/Fe 박막(2nm)/Ti 캡핑층(50nm) 연자성 자기교환결합 복합 구조체를 형성하였다.
실시예 4: 연자성 자기교환결합 복합 구조체의 제조
SrM 박막을 두께 약 60nm로 형성하고 철 박막을 두께 약 3nm로 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 Si/SiO2/SrM 박막(60nm)/Fe 박막(3nm)/Ti 캡핑층(50nm) 연자성 자기교환결합 복합 구조체를 형성하였다.
실시예 5: 연자성 자기교환결합 복합 구조체의 제조
SrM 박막을 두께 약 60nm로 형성하고 철 박막을 두께 4nm로 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법에 따라 실시하여 Si/SiO2/SrM 박막(60nm)/Fe 박막(4nm)/ Ti 캡핑층(50nm) 연자성 자기교환결합 복합 구조체를 형성하였다.
실시예 6: 연자성 자기교환결합 복합 구조체의 제조
Sr:Fe 몰비가 1:11.5이 되도록 원료 분말은 SrCO3, Fe2O3 분말을 칭량하여 직경 2인치 크기의 디스크 형태 소결체 타겟을 　제조하였다.
상기 소결체 타겟을 이용한 PLD 공정을 실시하여 Si/SiO2 기판에 SrM을 증착한 후 이를 공기중 970℃에서 열처리하여 SrM 박막을 약 80nm 두께로 제조하여 Si/SiO2/SrM　(80nm) 구조체를 형성하였다.
상기 PLD 공정에서 타겟과 기판사이의 거리는 약 7cm이었고, 레이저 에너지 밀도(Laser energy density)는 약　2J/cm2이었고 증착 분위기는 산소 분위기하에서 약 50mTorr에서 진행되었으며 진공조건은 약 6X10-6 Torr이었고 상기 기판의 온도는 약 400℃로 제어되었다.
그 후에 Si/SiO2/SrM　구조체 상부에 Fe을 상온(약 25℃), 진공조건에서 DC 스퍼터링 방법을 이용하여 두께 2nm로 증착하였고 그 후 진공이 유지된 상태에서　티타늄을 증착하여 Ti 캡핑층(Ti Cap층)을 두께 50nm로 형성하여 Si/SiO2 기판/SrM 박막(80nm)/Fe 박막(2nm)/Ti 캡핑층(50nm) 구조체를 얻었다.
상기 DC 스퍼터링 조건에 대하여 살펴 보면, 기판 온도는 상온이고, 타겟과 기판 거리는 약 20cm이고, DC 스퍼터 파워(Powder)는 30W이고, 진공(Base Pressure)은 약 2X10-6 Torr이고 증착 분위기는 아르곤 가스하에서 약 50mTorr이었다.
상기 Si/SiO2 기판/SrM 박막(80nm)/Fe 박막(2nm)/Ti 캡핑층 구조체를 1×10-6 Torr, 약 350℃에서 1시간 동안 진공 열처리하여 Si/SiO2 기판/ SrM 박막(80nm)/Fe 박막(20nm)/Ti 캡핑층으로 된 연자성 자기교환결합 복합 구조체를 형성하였다.
참조예 1: 구조체의 제조
Si/SiO2/ SrM 박막(80nm)/철 박막(2nm)/Ti 캡핑층(50nm) 구조체를 1×10-6 Torr, 약 350℃에서 1시간 동안 진공 열처리하는 과정을 실시하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 6과 동일한 방법에 따라 실시하여 Si/SiO2/ SrM 박막(80nm)/철 박막(2nm)/Ti 캡핑층(50nm) 구조체를 형성하였다.
상기 실시예 1-6, 비교예 1-6 및 참조예 1에서의 SrM 박막의 두께, 철박막의 두께, 진공열처리 실시 유무 및 진공열처리 온도 조건은 하기 표 1과 같다.
구분 SrM 박막의 두께(nm) 철 박막의 두께(nm) Si/SiO2/ SrM /Fe/Ti 구조체구조체 형성후의 진공 열처리 조건 SrM 박막과 철 박막의 두께비
진공 열처리 실시 유무 열처리 온도
실시예 1 100 10 ×(실시하지 않음) 10:1
실시예 2 80 2 ○ 300 40:1
실시예 3 60 2 ○ 300 30:1
실시예 4 60 3 ○ 300 20:1
실시예 5 60 4 ○ 300 15:1
실시예 6 80 20 ○ 350 4:1
비교예 1 100 10 × 10:1
비교예 2 80 × × -
비교예 3 × 2 × -
비교예 4 × 3 × -
비교예 5 × 4 × -
비교예 6 × 10 × -
참조예 1 80 2 × 40:1
평가예 1: 포화자화 ( Ms ) 값 및 보자력 측정
1)실시예 1 및 비교예 1
실시예 1의 복합 구조체 및 비교예 1에 따른 구조체의 자화 특성을 평가
하였다. 상기 자화 특성 평가 결과를 도 11에 나타내었다.
도 11을 참조하여, 비교예 1의 구조체는 SrM 박막/Fe 박막 계면에서 Fe은 결정성이 낮아 비정질 유사(amorphous-like) 상태를 나타내며, SrM과 Fe의 히스테리시스가 겹쳐진 더블 히스테리시스(Double hysteresis) 특성을 보였다.
이에 반하여 실시예 1의 구조체는 SrM 박막/Fe 박막 계면에서 결정성이 향상되고 SrM은 Fe에 의하여 연자성화되어 하나의 히스테리시스를 보였고 포화자화값이 크게 증가하였고 히스테리시스 면적이 크게 감소됨을 나타냈다.
2)실시예 2, 6 및 비교예 2
실시예 2 및 6에 따른 복합 구조체 및 비교예 2에 따른 구조체의 자화 특성을 평가하였고 그 평가 결과를 도 12에 나타내었다.
도 12를 참조하여, 실시예 2 및 6에 따른 복합 구조체는 비교예 2의 경우와 비교하여 SrM의 연자성화가 이루어져 보자력이 크게 감소하고 포화자화값이 크게 증가함을 나타냈다.
3)실시예 3-6 및 비교예 3-6
한편, 상기 실시예 3-6에 따른 복합 구조체와 비교예 3-6에 따른 구조체의 자화 특성을 측정하였고, 그 결과를 각각 도 16a 및 도 16b에 나타내었다.
이를 참조하여, 실시예 3-6에 따른 복합 구조체는 비교예 3-6의 구조체의 경우와 비교하여 포화 자화가 증가하고 보자력이 감소하여 연자성화가 일어남을 알 수 있었다.
평가예 2: 투과전자현미경( TEM )
실시예 1의 복합 구조체 및 비교예 1의 구조체를 투과전자현미경을 이용하여 분석하였고 그 결과는 도 13a, 도 13b 및 도 14에 나타난 바와 같다.
상기 TEM 분석시 분석기로서 FEI 사의 Tecnai Titan을 이용하였다.
이를 참조하여 진공 열처리를 통하여 연자성 금속인 철 원자의 재배열이 일어나 실시예 1의 복합 구조체는 도 13a에 나타난 바와 같이 철과 SrM이 원자 단위로 계면접합하고 SrM 계면에 인접된 철은 결정질 상태임을 확인할 수 있었다.
도 13b는 고해상도 TEM 사진으로서 철층과 SrM층이 원자단위로 계면접합하는 것을 보다 확실하게 보여주고 있고, 철 박막의 두께가 약 10nm임을 확인할 수 있었다.
이에 반하여 비교예 1의 구조체는 실시예 1의 복합 구조체를 진공열처리하기 이전 상태로서 도 14로부터 알 수 있듯이, SrM에 인접된 철 상태는 결정성이 낮아 비정질 상태임을 확인할 수 있었다.
또한 투과전자현미경을 이용하여 상기 실시예 2-6의 복합 구조체 및 비교예 3-6 및 참조예 1의 구조체에서 철박막의 결정성을 조사하였다.
그 결과, 실시예 2-6의 경우는 철 박막이 결정질 상태인데 반하여, 비교예 3-6 및 참조예 1의 구조체는 비정질 상태임을 확인할 수 있었다.
평가예 3: 열적 안정성
실시예 2 및 6에 따른 연자성 자기교환결합 복합 구조체 및 비교예 2에 따른 구조체 5K, 77K, 150K, 225K, 300K 및 350K 각각의 온도에서 자화 곡선 (Hysteresis)을 측정하고 이로부터 포화자화 값을 얻었다.
상기 측정 결과를 도 15에 나타내었다.
도 15에 나타난 바와 같이, 실시예 2 및 실시예 6의 연자성 자기교환결합 복합 구조체는 비교예 2의 구조체와 비교하여 자화 특성의 열적 안정성이 향상됨을 알 수 있었다.
평가예 4: TEM - EDAX ( transmission electron microscopy - electron microscopy - energy dispersive X- ray analysis ) 분석
실시예 6에 따른 복합 구조체 및 참조예 1에 따른 구조체의 TEM-EDAX 분석을 실시하였다. 여기에서 TEM-EDAX 분석시 Philips사의 FEI Titan 80-300을 이용하였다.
상기 TEM-EDAX 분석 결과를 도 17 내지 도 20에 나타내었다.
도 17 및 도 18은 실시예 6에 따른 복합 구조체의 상기 TEM-EDAX 분석 결과를 나타낸 것이고, 도 19 및 도 20은 참조예 1에 따른 구조체의 TEM-EDAX 분석 결과를 나타낸 것이다.
이를 참조하면, 실시예 6의 복합 구조체는 진공 열처리 하기 이전에는 참조예 1의 구조체와 마찬가지로 철 박막의 두께가 2nm이지만 진공 열처리후 철의 그레인이 성장하여 약 20nm의 두께로 성장하였다(도 17). 이와 같이 실시예 6의 복합 구조체가 참조예 1의 경우(도 20)와 달리 철 박막이 성장하는 것은 도 18의 EDAX 결과로부터 확인 가능하다.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 일구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10, 110: 기판 31: 페라이트 결정립 박막
12, 22, 31: 연자성 금속 박막
13, 23: 연자성 자기교환결합 복합 구조체
21: 페라이트 결정립 입자 70: 자성시트
63, 81, 93: 연자성 자기교환결합 복합 구조체
100: 수직자기기록매체 113: 기록층
114: 연자성층 115: 중간층(intermediate layer)
116: 보호층

Claims (22)

  1. 주상(main phase)인 페라이트 결정립(crystal grain)과 보조상(auxiliary phase)인 연자성 금속이 원자 단위로 계면 접합되며, 상기 페라이트 결정립의 계면으로부터 인접된 영역에는 결정질 연자성 금속이 존재하는 연자성 자기교환결합 복합 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 페라이트 결정립은 육방정계 헥사페라이트(hexagonal ferrite), 스피넬 페라이트(Spinel Ferrite) 및 가넷 페라이트(Garnet Ferrite)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인 연자성 자기교환결합 복합 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연자성 금속이 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상 또는 그 합금인 연자성 자기교환결합 복합 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 페라이트 결정립이 박막 또는 입자 구조를 갖는 연자성 자기교환결합 복합 구조체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연자성 금속이 연자성 금속 박막 구조를 가지며,
    페라이트 결정립과 원자 단위로 계면접합된 연자성 금속 박막의 총 두께가
    1 nm 이상인 연자성 자기교환결합 복합 구조체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 페라이트 결정립은 입자 또는 박막 구조를 가지며,
    상기 연자성 금속은 연자성 금속 박막 구조를 갖는 연자성 자기교환결합 복합 구조체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 페라이트 결정립은 박막(thin film) 또는 시트(Sheet) 구조를 가지며,
    상기 박막 또는 시트 구조를 갖는 페라이트 결정립 두께가 50 내지 500nm인 연자성 자기교환결합 복합 구조체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 결정질 연자성 금속은 연자성 금속 박막 상태로 존재하며,
    상기 연자성 금속 박막의 총두께가 1 nm 이상인 연자성 자기교환결합 복합 구조체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연자성 금속 박막의 두께가 1 내지 30 nm인 연자성 자기교환결합 복합 구조체.
  10. 제1항에 있어서,
    캡핑층(capping layer) 또는 패시베이션층(passivation layer)을 더 포함하는 연자성 자기교환결합 복합 구조체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 캡핑층은 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 안티몬(Sb), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 크롬(Cr) 및 텔루륨(Te)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 연자성 자기교환결합 복합 구조체.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 산화알루미늄(Al2O3), 산화마그네슘(MgO), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 및 탄탄륨(Ta)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 연자성 자기교환결합 복합 구조체.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 연자성 자기교환결합 복합 구조체가 M형 육방정계 페라이트 결정립 입자 또는 M형 육방정계 페라이트 결정립 박막과,
    철 또는 철 합금 박막을 포함하는 연자성 자기교환결합 복합 구조체.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 철 또는 철 합금 박막의 총 두께가 1 nm 이상인 연자성 자기교환결합 복합 구조체.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 M형 육방정계 페라이트 결정립 박막의 두께가 60 내지 100nm이고,
    철 또는 철 합금 박막의 총 두께가 2 내지 20nm인 연자성 자기교환결합 복합 구조체.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 M형 육방정계 페라이트 결정립 입자 또는 M형 육방정계 페라이트 결정립 박막이 SrFe12O19를 포함하는 연자성 자기교환결합 복합 구조체.
  17. 제13항에 있어서,
    탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 은(Ag), 금(Au), 알루미늄(Al), 안티몬(Sb), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 크롬(Cr) 및 텔루륨(Te)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 캡핑층(capping layer)을 더 함유하는 연자성 자기교환결합 복합 구조체.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 연자성 자기교환결합 복합 구조체를 포함하는 고주파소자 부품.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 고주파소자 부품이 서쿨레이터(circulator)인 광통신소자 부품.
  20. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 연자성 자기교환결합 복합 구조체를 포함하는 안테나모듈.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 안테나모듈이 자성시트 또는 NFC(Near field communication) 시트를 포함하며, 상기 자성 시트 또는 NFC 시트가 연자성 자기결교환결합 복합 구조체를 포함하는 안테나모듈.
  22. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 연자성 자기교환결합 복합 구조체를 포함하는 자기저항소자.
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