[논문]다층막을 이용한 거대자기저항(GMR)의 특성 연구

김병우; 이영석

다층막을 이용한 거대자기저항(GMR)의 특성 연구
A Study on the Characteristics of Giant Magneto Resistance using Multi Layers 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.16 no.5, 2008년, pp.113 - 118

김병우 (울산대학교 전기전자정보시스템공학부) , 이영석 (울산대학교 자동차선박대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

We have developed an integrated giant magneto resistance using not only circuit but also integrating technique with semiconductor for automobile application. It has four elements used for giant magneto resistance sensor. Ni-Fe/Cu multi layers were prepared on a glass substrate by magnetron sputtering. The dependence of magneto resistance on the thickness of the Ni-Fe and Cu layers was investigated. The MR ratio showed a saturated a peak at Cu layer $10{\AA}$, Ni-Fe layer $50{\AA}$, where the MR ratio is about 8.7% at room temperature. By means of Ni-Fe multi film and specific integrating technique, these new giant magneto resistance sensor showed excellent resistance characteristics.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

은 이방성자기저항 효과를 이용하여 자기 엔코더 설계 및 제작에 관한 연구를 실시하였다. 본 연구에서는 이방성자기저항 센서의 문제점이라 할 수 있는 낮은 출력(저항 변화 : 3% 내외)을 향상시키고 신호왜곡 문제를 해결하기 위하여 검지부에 별도의 신호 처리부를 설치하여 센서의 성능을 향상시키는 방법을 제시하였다. 이 방법은 출력신호의 크기 향상이 제한적이기 때문에 근본적인 해결책이라 할 수는 없다.
본 연구에서는 자동차를 비롯한 일반 산업용 속도센서로서 광범위하게 채용될 것으로 예측되는 거대자기저한 센서의 실용화 가능성을 도모하기 위하여 검지부의 저항변화율에 미치는 설계인자를 도출하여 GMR 센서의 성능 극대화 방안을 제시하고자 하였다.
이를 통하여, 시간 변화에 안정성을 갖는 거대자기저항 센서의 제작가능성을 평가하였다.

제안 방법

Torr로 유지한 후에 아르곤 가스 압력이 10mTorr로 될 때, 스퍼터링을 실시하였다. Ni-Fe 적층 박막과 Cu 적층 박막에 적용한 전력은 1.0W/cm², 0.2W.cm²를 적용하였고 박막 두께는 스퍼터링 인가시간으로 제어하였다. 이는 Ni-Fe 단층 박막공정에 있어서 비저항이 가장 작은 조건을 설정한 것으로서 이 때의 비저항 값은 30μΩ cm이다.
또한, 센서 검지부(Cu)의 두께 변화가 자기저항 변화에 미치는 영향을 분석하였다. 거대자기저항 센서 검지부의 열처리 조건이 자기저항 변화에 미치는 영향을 평가하기 위하여 금속 박막을 500℃까지 변화시키기 면서 열처리를 실시하였다.
거대자기저항 센서의 인공격자 박막의 열적 안정성 확보가 가능하도록 진공도 2×10-7Torr 이하에서 200~400℃ 온도 범위로 1시간 30분 동안 직류 자계에서 열처리를 실시하였다.
따라서, 본 연구에서는 비자성층 박막 Cu를 10Å로 고정하고 자성체 박막 Ni80-Fe20의 두께를 변화시켰다.
이를 위하여, 기판에 열전대 형태의 온도 센서를 부착하였다. 또한, 센서 검지부(Cu)의 두께 변화가 자기저항 변화에 미치는 영향을 분석하였다. 거대자기저항 센서 검지부의 열처리 조건이 자기저항 변화에 미치는 영향을 평가하기 위하여 금속 박막을 500℃까지 변화시키기 면서 열처리를 실시하였다.
본 연구에서는 10% 내외의 큰 저항 변화율, 자장 민감도, 작은 바이어스 자장 구현을 목적으로 하기 때문에 스핀밸브(Spin valve) 방식의 박막 적층 방식을 적용하였다. 스핀밸브 다층 박막은 전형적으로 F/NM/F/AF(F:강자성, NM:전도성 비자성, AF:반강자성) 구조를 갖고 있다.
스퍼터링 분위기는 2×10-7Torr로 유지한 후에 아르곤 가스 압력이 10mTorr로 될 때, 스퍼터링을 실시하였다.
스퍼터링공정에있어서필연적으로발생되는발열량이 검지부의 저항특성 변화에 어떤 영향을 미치는지를 해석하기 위하여 기판온도 변화에 따른 자기저항 변화를 측정하였다. 이를 위하여, 기판에 열전대 형태의 온도 센서를 부착하였다.
자동차를 비롯한 일반 산업용 장치의 물리적 변화 검지를 위한 센서로서 사용되고 있는 홀센서를 대체할 수 있는 거대자기저항 센서의 검지부를 제작하고 평가하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
거대자기저항 효과는 반강자성에 구속된 고정층과 강자성의 자유층의 자화 방향과의 상대적인 각도에 변화에 의해서 발생된다. 자성층 및 비 자성층 박막 제작은 DC 마그네트론 스퍼터링 방식을 적용하여 슬라이드 글라스 기판 위에 다층 박막을 적층하였다. Ni-Fe 및 Cu 박막층의 목표물에는 직경 100mm를 갖는 순도 99.

대상 데이터

자성층 및 비 자성층 박막 제작은 DC 마그네트론 스퍼터링 방식을 적용하여 슬라이드 글라스 기판 위에 다층 박막을 적층하였다. Ni-Fe 및 Cu 박막층의 목표물에는 직경 100mm를 갖는 순도 99.9%의 Ni, Fe, Cu 원판을이용하였다.

이론/모형

이는 Ni-Fe 단층 박막공정에 있어서 비저항이 가장 작은 조건을 설정한 것으로서 이 때의 비저항 값은 30μΩ cm이다. 자기저항 비율의 측정은 직류 4 단자 법을 이용하여 실온에서 최대 20kOe 자계를 인가하여 측정하였다.

성능/효과

1) 거대자기저항 검지부가 증착되는 파이렉스 기판의 온도변화가 검지부의 저항변화율에 큰 영향을 끼치고 있었다. 파이렉스 온도 400℃에서 최대의 저항변화율을 얻을 수 있는데, 이는 기판 온도가 400℃ 이하에서 다수의 자구벽(Magnetic domain wall)이 존재하는 것에 비하여 임계온도인 400℃ 이상에서는 단일 자구벽으로 변환되기 때문이다.
이 같은 기존 속도센서의 문제점을 해결하기 위하여 개발되기 시작한 것이 자기저항(Magneto resistance) 센서이다.¹⁾ 자기저항 센서를 크게 분류해 보면, 검지부로서 Ni-Fe, Co-Fe 등의 강자성체를 단일 박막으로 제작하는 이방성자기저항(AMR) 센서와 이를 다층 박막으로 제작하는 거대자기저항(GMR) 센서로 대별할 수 있다. 최근에 동작 온도 범위가 넓은 자동차, 군용, 항공용 등의 일반 산업 분야에서는 이방성자기저항 센서를 활용하였다.
2) 자성체 박막의 두께 변화에 따른 저항 변화율은 자성체 두께가 50Å까지 점진적으로 증가하다가 포화상태에 도달하였다.
3) 금속 박막의 증착을 통한 거대자기저항 검지부의 열적 안정성 확보를 위한 열처리 온도는 250℃ 이하에서 실시하는 것이 적절하였다.
4) 거대자기저항 검지부 개발을 위한 각각의 최적 설계인자를 적용하여 저항변화율을 평가한 결과 8.7% 변화를 나타냈는데, 이는 기존의 이반성자기저항 검지부 3%에 비하여 우수한 성능을 나타냈다.
따라서, 자성층 박막 Ni80-Fe20와 비자성층 박막 Cu로 구성된 자기저항 센서의 검지부 제작을 위해서는 자성층 박막 Ni80-Fe20의 두께 50Å, 비자성층 박막 Cu의 두께 10Å이 적합함을 확인할 수 있었다.
9%의 가장 큰 피크값을 나타냈다. 이를 통하여, 자성층박막의 상호 작용은 비자성층 박막 두께에 크게 의존함을 알 수 있었다.
7은 자성체 박막에 대한 열처리 후에 나타나는 저항변화율이다. 특정 온도( 270℃)까지 열처리 온도를 높이면 저항 변화율은 최대 8.7%까지 일정하게 유지되어 기존 이방성 자기저항 소자에서 얻을 수 있는 3% 대역보다 큰 저항 변화율을 얻을 수 있었다. 그러나, 열처리 온도가 270℃ 이상이면 저항 변화율이 급격하게 떨어지는 현상이 발생되었다.
파이렉스 기판 온도가 상승함에 따라서 250℃까지는 저항변화 ΔR/R가 일정하게 유지되는 반면에 이 이상 온도에서는 저항변화가 급격하게 발생되어 400℃에서 최대가 됨을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차를 비롯한 일반 산업용 장치의 물리적 변화 검지를 위한 센서로서 사용되고 있는 홀센서를 대체할 수 있는 거대자기저항 센서의 검지부를 제작하고 평가하여 어떤 결론을 낼 수 있는가?	1) 거대자기저항 검지부가 증착되는 파이렉스 기판의 온도변화가 검지부의 저항변화율에 큰 영향을 끼치고 있었다. 파이렉스 온도 400℃에서 최대의 저항변화율을 얻을 수 있는데, 이는 기판 온도가 400℃ 이하에서 다수의 자구벽(Magnetic domain wall)이 존재하는 것에 비하여 임계온도인 400℃ 이상에서는 단일 자구벽으로 변환되기 때문이다. 2) 자성체 박막의 두께 변화에 따른 저항 변화율은 자성체 두께가 50Å까지 점진적으로 증가하다가 포화상태에 도달하였다. 이와 같이 일정 두께 이상에서 저항 변화율이 작아지는 것은 션트효과(Shunt effect)에 기인하는 현상이다. 3) 금속 박막의 증착을 통한 거대자기저항 검지부의 열적 안정성 확보를 위한 열처리 온도는 250℃ 이하에서 실시하는 것이 적절하였다. 이는 일정 온도(250℃) 이상에서 열처리 하는 것은 금속 조직의 안정적 확보를 초월한 조직구조 자체의 변화에 기인하는 현상이라 사료된다. 4) 거대자기저항 검지부 개발을 위한 각각의 최적 설계인자를 적용하여 저항변화율을 평가한 결과 8.7% 변화를 나타냈는데, 이는 기존의 이반성자기저항 검지부 3%에 비하여 우수한 성능을 나타냈다.
	자동차에 가장 보편적으로 적용되고 있는 속도센서는 무엇인가?	자동차에 적용되고 있는 가장 대표적인 센서는 변위, 각도, 속도 변화검지를 위한 자기센서이다. 현재, 자동차에 가장 보편적으로 적용되고 있는 속도센서는 자기유도(inductive)를 이용하는 자기유도 또는 홀(hall)센서이다. 자기유도 방식의 센서는 크기가 크기 때문에 ABS 센서와 베어링을 일체화시키는 모듈형 베어링 제작에 한계성으로 작용되고 있다.
	자동차에 적용되고 있는 가장 대표적인 센서는?	자동차 전자화가 급격히 증가되면서 차량 거동 검지를 위한 센서의 중요성이 커지고 있다. 자동차에 적용되고 있는 가장 대표적인 센서는 변위, 각도, 속도 변화검지를 위한 자기센서이다. 현재, 자동차에 가장 보편적으로 적용되고 있는 속도센서는 자기유도(inductive)를 이용하는 자기유도 또는 홀(hall)센서이다.

참고문헌 (6)

S. Herbert, "Industrial Application of Magnetoresistive Sensors," Sensor and Actuators A59, pp.165-167, 1997
T. Takahashi, "Two Function magnetic Sensor System," Proc. 3rd Sensor Symposium, pp.37, 1983
S. Kawamata, "Magnetic Rotary Encorder with High Resolution," Proc. 4th Sensor Symposium, pp.277, 1984
K. M. H. Lensesen, A. E. T. Kuiper and F. Roozeboom, "Robust Giant Mamagnetoresistnace Material System for Magnetic Sensors," Journal of Applied Physics, Vol.85, No.8, pp.5531-5533, 1999

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H. Yuasa, H. Fukuzawa and H. Iwasaki, "Cpp- GMR of Spin Valves with $Co_xFe_{1-x}$ Alloy," Journal of Mgnetism and Magnetic Materials, Vol.95, No.8, pp.95-98, 2005
J. G. Kim, J. G. Ha, J. H. Koh, S. M. Lim and C. W. Kim, "Annealing Effect of Particle Size Distribution and Giant Magnetoresisttance in Insulating Granular Gilms," Thin Solid Films, Vol.515, pp.2562-2566, 2006

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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