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문제 정의
- 나노간극에서 발생하는 전기방전을 이해하기 위해서 가해지는 전압과 흐르는 전류의 양, 전류의 형태, 그리고 전류가 흐르는 시간에 대해서 측정을 하였으며 본 연구논문에서는 특히 인가 되어지는 전압과 제어전류의 양에 대한 방전특성을 아래와 같이 정리할 수 있었다.
- 이러한 스파크에 대한 문제점을 해결하기 위해서는 나노스케일의 방전현상에 대한 정확한 이해가 필요하며, 이를 위해서 본 논문에서는 나노스케일 간극으로 이루어져 있는 두 전극에 전기장을 가하여서 발생하는 전기방전을 실험하여 전기장과 전극사이의 간격에 따른 상관관계를 연구한 실험적 결과를 소개하고자 한다.
제안 방법
- 1 차로 에칭된 팁은 마이크로 폴리싱을 위해서 추가적으로 52g 의 CaCl2 와 200ml 의 H2O 그리고 약 200ml 의 HCL 을 혼합한 용액에서 정밀 에칭 작업을 실시하였다.
- 저항과 다이오드의 조합으로 동일효과를 구현할 수 있으나, 본 연구에서 GHz 영역에서의 작동 성능이 보장 되질 않아서 상용 CLD 를 사용하였다. CLD 특성을 알아보기 위해서 Fig. 6 와 같이 회로에 임펄스 전압을 가하여 CLD 의 전류 제어특성을 알아 보았다. 실험결과 그림에서 나타난 바와 같이 정전압 (Forward bias) 시 2mA 용량의 CLD가 2V ~ 80V 영역에서 전류조정이 잘 일어나는 것을 알 수가 있었다.
- 그 예로서 회로에 흐르는 전류의 양이 150μA 일 때와 2mA 일 때를 비교하였다.
- 나노간극 방전시 발생하는 전기신호를 검출하는 회로를 구성하여 전기신호를 통해서 나노간극에서 발생하는 현상을 간접적으로 알아내기 위해서 의도적인 쇼트 실험을 시행하였다. 실험결과 Fig.
- 나노간극으로 유지된 상태에서 양단에 전압을 가하여 전기방전에 대한 실험을 수행하였다. 사용된 전극은 음극 80Pt-20Ir 의 성분으로 하여 끝부분이 수백 nm 의 반경을 가지는 첨단전극으로 구성하였으며, 양극은 200μm 두께의 절연 유리판 위에 100nm 두께의 금박을 코팅한 서브스트레이트가 사용되었다.
- 동일한 회로에서 역전압 (Reverse bias)를 가할시 CLD 의 반응을 측정해 보았다. 결과에서 나타난 바와 같이 전류제어 기능을 하지 못하고 전원장치에서 회로보호 목적으로 지정해놓은 10mA 까지 허용하는 것을 볼 수 있었으며, 결과적으로 정방향제어와 역방향 허용의 CLD 다이오드 특성을 잘 나타내어 주었다.
- 이를 위해서 전압조정장치를 시리얼 통신을 통해서 제어하고, 오실로스코프 데이터를 GPIB network 를 통해서 추출할 수 있도록 구성하였다. 또한, 전극간 간격을 유지하기 위하여 PZT 를 구동하며 PZT 구동을 전용포트 통신을 실시간 구동하도록 실험장치를 구성하였다.
- 본 실험에서 다양한 Tip 제작에 따른 어려움으로 인해서 제한된 변수 내에서 실험을 수행하였다. 향후 Tip 반경에 따른 전기방전의 현상에 대해서 추가 연구가 실시 되어야 할 것이고, 외부환경에 따른 추가연구 즉, 열팽창이나 두 전극사이에 분포하는 원자의 구성에 따른 영향도 추가적으로 연구되어야 하겠다.
- 또한 회로를 통해 흐르는 전류를 측정하기 위해서 25kHz 에서 1GHz 의 영역을 감지하는 AC 전류 프로브(Current probe)가 설치 되었다. 실시간으로 데이터를 측정하기 위하여 초당 200MS/s 의 데이터를 샘플링 할 수 있는 오실로스코프를 이용하였다.
- 실제 방전시간 동안 소입된 에너지 양을 구하기 위해서 방전유지시간을 측정하였고, 80V 전압에서 각각 회로를 통해서 공급된 에너지를 식 (1)과 같이 계산을 하였고, Table 1 에 정리하였다. 또한 175 μA 이하의 경우 방전시간이 지나치게 길고 방전현상이 불안정하여서 추가적인 실험이 더 필요할 것으로 판단되며 본 논문에서는 계산을 제외 하였다.
- 실험결과 Fig. 8에서 나타난 바와 같이 2mA CLD 와 10V 가한 뒤 쇼트 된 상태에서의 전기신호(간극 30nm)와 쇼트 되지 않은 상태에서의 전기신호(간극 100nm)를 비교 분석하였다.
- 5 에서 나타난 바와 같이 프로그램은 크게 일정간격을 유지한 상태에서 전압을 변환시키는 모드와, 전압을 고정시킨 상태에서 간격을 변화시키는 모드로 구성을 하였다. 이를 위해서 전압조정장치를 시리얼 통신을 통해서 제어하고, 오실로스코프 데이터를 GPIB network 를 통해서 추출할 수 있도록 구성하였다. 또한, 전극간 간격을 유지하기 위하여 PZT 를 구동하며 PZT 구동을 전용포트 통신을 실시간 구동하도록 실험장치를 구성하였다.
- 저항과 다이오드의 조합으로 동일효과를 구현할 수 있으나, 본 연구에서 GHz 영역에서의 작동 성능이 보장 되질 않아서 상용 CLD 를 사용하였다. CLD 특성을 알아보기 위해서 Fig.
- 전극의 소재로는 250μm 지름의 와이어를 사용하였고, 전극 첨단(Sharpened tip)을 위해서 와이어를 CaCl2 , H2O 그리고 아세톤을 혼합한 용액내에서 평균전압 20V 와 60Hz 교류전원을 공급하면서 에칭을 시행하였다.
- 초기 실험에서 도출 된 결과들을 근거로 하여서 동일시험을 10V 에서 80V 영역에까지 확대하여서 실시를 하였으며, 이때 사용한 CLD 는 500μA 이며 이는 회로를 통해서 최대 흐를 수 있는 전류치이다.
대상 데이터
- 실험장치는 크게 전원소스(Power supply), 측정장비(Data Acquisition System), 전극(Electrodes) 및 구동장치(Actuator)로 나누어 볼 수가 있다. 먼저 전원소스는 -110V 에서 +110V 영역에서 정전류 및 정전압을 안정적으로 공급할 수 있는 정전압직류 전원장치를 구성하였다.
- 본 실험에 있어서 중요한 변수중의 하나는 음극에 설치된 80Pt-20Ir 전극이다. 전극의 소재로는 250μm 지름의 와이어를 사용하였고, 전극 첨단(Sharpened tip)을 위해서 와이어를 CaCl2 , H2O 그리고 아세톤을 혼합한 용액내에서 평균전압 20V 와 60Hz 교류전원을 공급하면서 에칭을 시행하였다.
- 사용된 전극은 음극 80Pt-20Ir 의 성분으로 하여 끝부분이 수백 nm 의 반경을 가지는 첨단전극으로 구성하였으며, 양극은 200μm 두께의 절연 유리판 위에 100nm 두께의 금박을 코팅한 서브스트레이트가 사용되었다.
- 실험에 사용된 정전류제어다이오드(CLD)는 수 나노초 (nanosecond, 10-9 second) 라는 극히 짧은 순간에 회로에 급격히 일어나는 전류를 미세하게 조절할 수 있도록 하여야 하며, 회로 전체의 임피던스 상승에 영향을 주지 않도록 기능이 설계되어야 한다. 또한, 회로에서 반대로 작용할 수 있는 역전류의 흐름을 차단하여서 반드시 음극에서 스파크가 시작되도록 하는 다이오드기능을 동시에 유지하여야 한다.
- 음극(Cathode)으로는 80Pt-20Ir 의 성분으로 하여 끝부분이 수백 nm 의 반경을 가지는 첨단전극이 설치되었다. 양극은 200μm 두께의 절연 유리판 위에 100nm 두께의 금박을 코팅한 서브스트레이트가 설치 되었다.
이론/모형
- 구성된 회로와 실험장치에 전압을 인가하고 양극간의 간격제어를 위해서 Visual Basic 프로그래밍을 이용하였다. Fig.
성능/효과
- 간극과 전류의 관계를 알아보기 위해서 추가실험이 35μA 와 175μA 에 대해서 시행 되었으나, 500μA 의 현상과 큰 차이를 보이지 않았고 다만, 데이터의 산포도가 더 크게 보였다.
- 동일한 회로에서 역전압 (Reverse bias)를 가할시 CLD 의 반응을 측정해 보았다. 결과에서 나타난 바와 같이 전류제어 기능을 하지 못하고 전원장치에서 회로보호 목적으로 지정해놓은 10mA 까지 허용하는 것을 볼 수 있었으며, 결과적으로 정방향제어와 역방향 허용의 CLD 다이오드 특성을 잘 나타내어 주었다.
- 결론적으로 최저 전류영역에 도달할 때까지 팁을 에칭하는 것이 이상적이지만, 50mA 이하에서 0mA 까지 도달하는 시간이 불과 5 초 이내이며, 특히 30mA 이하의 영역의 경우 가늘어진 팁에 자중에 의한 네킹(necking)이 순식간 (0.5 초 이내) 발생하여 순간의 전원차단이 아주 어려워 균일한 형태의 팁 생성이 어려웠다.
- 실험의 결과로서 전기방전은 비교적 고전압 (~80V)과 고전류(~2mA)에서 안정된 형태의 방전이 관찰 되었다. 고전류 고전압에서의 방전은 비교적 큰 간극인 마이크로미터 급에서의 방전이 발생하였고 데이터의 산포도 작아서 매우 안정적인 전기방전이 관찰 되었다.
- 실험 중 발견된 특징 중의 하나는 비교적 저전류 (35μA)에서는 저전압 (2V 이하)에서만 비선형적 특성이 나타나고, 다른 영역에서는 전류제어가 잘 되는 것으로 나타났다.
- 6 와 같이 회로에 임펄스 전압을 가하여 CLD 의 전류 제어특성을 알아 보았다. 실험결과 그림에서 나타난 바와 같이 정전압 (Forward bias) 시 2mA 용량의 CLD가 2V ~ 80V 영역에서 전류조정이 잘 일어나는 것을 알 수가 있었다. 2V 미만에서는 충분한 전류조정이 일어나지 못함을 볼 수가 있는데, 이는 전압 공급장치의 저전압 영역에서 비선형 특성에 기인한 것으로 추측된다.
- 실험에 나타난 결과에서 안정된 방전을 얻을 수 있는 조건들을 알 수가 있었다. 안정되게 방전되는 효과는 미세용접이나 접합에 응용될 수 있으며, 반대로 방전되는 환경을 이해하여 방전되지 않는 조건으로 회로가 설계되면 MEMS 기기 등의 안정성을 기하는데 도움이 될 것으로 기대가 된다.
- 실험의 결과로서 전기방전은 비교적 고전압 (~80V)과 고전류(~2mA)에서 안정된 형태의 방전이 관찰 되었다. 고전류 고전압에서의 방전은 비교적 큰 간극인 마이크로미터 급에서의 방전이 발생하였고 데이터의 산포도 작아서 매우 안정적인 전기방전이 관찰 되었다.
- 인가되는 전압과 더불어서 회로에 흐르는전류의 양도 전기방전에 많은 영향을 미치는 것으로 분석이 되었다. 그 예로서 회로에 흐르는 전류의 양이 150μA 일 때와 2mA 일 때를 비교하였다.
- 정방향 (forward bias) 최대전류치를 35μA, 175μA, 500μA, 2mA, 그리고 4mA 로 제어하기 위하여, 35μA, 175μA, 500μA, 2mA, 그리고 4mA (두 개의 2mA 병렬연결) CLD 를 실험하였으며, 실험결과가 Fig. 7 에 도시되어 있으며 전류제어가 잘 이루어지고 있음이 나타났다.
- 9 에서 나타난 바와 같이, 일반적으로 전압이 높을수록 비교적 큰 간극에서도 방전이 일어남을 알 수가 있었다. 평균적인 값을 보았을 때 80V의 경우 250nm 에서 500nm 의 범위에서 전기방전이 일어 남을 볼 수가 있었고, 넓은 표준오차범위를 가지고 있었다. 또한 200nm 이하의 간극을 유지하였을 때는 방전과 동시에 양극이 쇼트가 일어나는 현상이 발생하였는데, 이는 방전시 발생하는 높은 에너지가 첨두를 팽창 및 접합하기 때문일 것으로 분석이 된다.
후속연구
- 또한 175 μA 이하의 경우 방전시간이 지나치게 길고 방전현상이 불안정하여서 추가적인 실험이 더 필요할 것으로 판단되며 본 논문에서는 계산을 제외 하였다.
- 실험에 사용된 백금 전극의 첨단의 에칭이 좀더 균일화(예, SPM Tip)될 수 있으면, 전기방전의 안정성이 좀더 높아 질 것으로 기대가 된다. 백금 전극의 곡률반경이 더 작아지면더 미세한 전기방전 제어가 될 것으로 기대가 되고 더 집적된 형태의 전자부품설계 및 제작연구에 도움이 될 것으로 기대된다.
- 실험에서 관찰된 내용은 MEMS 디바이스나 반도체 공정에서 고전류가 응용되는 전자칩의 안정성을 테스트 하기 위한 중요한 기초연구가 될 것으로 기대가 된다. 실험에 사용된 백금 전극의 첨단의 에칭이 좀더 균일화(예, SPM Tip)될 수 있으면, 전기방전의 안정성이 좀더 높아 질 것으로 기대가 된다.
- 이러한 공정기술에 앞서서 소형화된 부품간의 신뢰도 높은 동작을 위한 회로의 설계가 중요한데, 기계공학적 관점에서 보면 회로간의 간격을 최소화 함과 동시에 전기장의 영향을 주지 않도록 소자가 설계되어야 한다. 전기소자의 소형화는 에너지절감에도 기여를 하며, 안정적인 생산기술이 갖추어지면 소재의 양도 줄여서 원가절감에도 기여할 것으로 기대된다.
- 본 실험에서 다양한 Tip 제작에 따른 어려움으로 인해서 제한된 변수 내에서 실험을 수행하였다. 향후 Tip 반경에 따른 전기방전의 현상에 대해서 추가 연구가 실시 되어야 할 것이고, 외부환경에 따른 추가연구 즉, 열팽창이나 두 전극사이에 분포하는 원자의 구성에 따른 영향도 추가적으로 연구되어야 하겠다.
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