[논문]그래핀이 결합된 인터디지털 커패시터의 전기적 특성분석

이희조

doi:10.5515/kjkiees.2015.26.12.1064

초록
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본 논문에서는 마이크로대역에서 단층 및 다층 그래핀이 각각 결합된 인터디지털 커패시터의 전기적 특성을 비교 분석하였다. 그래핀이 결합된 커패시터의 등가회로에서 커패시터의 저항, 인덕턴스, 커패시턴스 성분들 간 차이가 분명하게 나타났다. 특히 단층 그래핀이 결합된 커패시터의 경우, 순수 커패시터와 다층 그래핀이 결합된 커패시터에 비해 추가적으로 인덕턴스와 저항 성분이 나타났고, 또한, 커패시터 전극의 저항 성분이 증가하였다. 한편, 커패시터의 자기공명주파수는 더 낮은 주파수대역으로 이동하였고, 0.5~4 GHz 주파수 대역에서 투과특성이 상당히 향상되었다. 반면, 다층 그래핀이 결합된 커패시터의 경우, 순수한 커패시터의 전기적 특성과 약간의 차이만 나타났다. 결과적으로 본 연구를 통해서 단층 그래핀이 다층 그래핀에 비해 인터디지털 커패시터의 전기적 특성과 성능에 더욱 민감한 영향을 줄 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the electrical characteristics of interdigital capacitor with single-layer and multi-layer graphene were compared and analyzed in the microwave region. In equivalent circuit, a capacitor coupled with graphene showed the clear difference in electrical components such as resistance, ind...

In this paper, the electrical characteristics of interdigital capacitor with single-layer and multi-layer graphene were compared and analyzed in the microwave region. In equivalent circuit, a capacitor coupled with graphene showed the clear difference in electrical components such as resistance, inductance, and capacitance. In particular, for the capacitor with single-layer graphene, additional inductance and resistance occurred and the electrode resistance was also increased. Meanwhile, the self-resonance frequency of capacitor was shifted toward lower frequency region and its transmitted characteristic was considerably improved at frequency ranging from 0.4 to 4 GHz. The electrical characteristics of the capacitor with multi-layer graphene were somewhat different than the bare capacitor. In conclusion, we could confirm that single-layer graphene greatly influenced the electrical characteristics and performances of interdigital capacitor compared to multi-layer graphene.

주제어

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문제 정의

본 연구는 센서소자로서 그래핀 기반 인터디지털 커패시터의 선행연구로서 단층 및 다층 그래핀을 결합시킬때 커패시터의 전기적 특성변화를 비교 분석하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서 그래핀 결합에 따른 인터디지털 커패시터의 전기적 특성분석을 위해 각 샘플에서 측정한 S-파라미터를 기반으로 그림 5와 같이 등가회로를 구성하였다. 등가회로에서 점선은 각 샘플의 공통된 저항, 인덕턴스, 커패시턴스 성분을 나타낸다.

대상 데이터

최종적으로 그림3(a)와 같이 샘플을 완성하였다. 샘플은 단층 및 다층 그래핀이 각각 결합된 커패시터와 그래핀 결합이 없는 순수한 커패시터 형태로 제작하였다. 그림 3(a)는 샘플 형태중 다층 그래핀이 결합된 커패시터 소자의 광학적 이미지와 대략 4 nm 두께를 갖는 다층 그래핀의 AFM 이미지를 나타낸 것이다.

데이터처리

측정한 샘플과 등가회로에서 얻은 S-파라미터를 이용하여 커패시터의 고주파 특성을 비교 분석하였다. 주파수에 따른 커패시턴스 특성은 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다^[16].

이론/모형

샘플측정을 위해 벡터망 분석기(vector network analyzer)와 연결된 RF 프로브 측정 장비를 사용하였다. 2-포트 SOLT(shot-open-load-thru) 방식으로 측정 시스템을 교정한 후, 각 샘플에 대한 S-파라미터를 얻었다. 그림 4는측정한 S-파라미터의 크기와 위상을 나타낸 것이다.
그래핀 샘플제작의 경우, 구리와 코발트의 금속필름상에 화학기상증착(chemical vapor deposition)법으로 단층 및 다층 그래핀을 각각 성장시켰고, 라만분광을 이용하여 그래핀 성장을 확인하였다. 성장된 그래핀 필름을 PMMA로 처리한 후, FeCl₃ 용액으로 금속필름을 에칭하였다.
인터디지털 커패시터(interdigital capacitor) 소자는 금속 -유전체-금속 형태의 주기적인 패턴으로 구성되어 있기 때문에 고주파 대역에서 쉽게 커패시턴스를 구현할 수 있는 소자이다. 그림 1과 같이 커패시터 소자를 동일평면상에 2-포트 접지(G)-신호(S)-접지(G) 전극형태로 설계하였고, 모멘트법(moment method) 기반의 2.5D 전자기 시뮬레이터를 이용하여 고주파 특성을 예측하였다. 계산된 결과에 의하면 표면전류는 측정용 신호전극(S)과 선폭이 감소한 커패시터 전극에 집중되었고, 커패시터 상에 전류분포가 대칭적으로 나타났다.

성능/효과

순수한 커패시터와 다층 그래핀이 결합된 커패시터의 경우, 커패시터의 전기적 특성에 큰 차이가 없었다. 다만 다층 그래핀이 결합된 커패시터의 경우, 순수한 커패시터에 비해 커패시터 전극의 저항성분이 약간 증가되었다. 반면 단층 그래핀의 경우, 낮은 주파수 대역에서 순수한 커패시터에 비해 신호의 투과특성이 향상되었고, 단층 그래핀이 커패시터와 결합될 때 커패시터 전극 사이의 접촉 저항성분이 새롭게 형성되었고, 비교적 큰 값으로 나타났다.
뿐만 아니라 단층 그래핀으로 인해 커패시터 상에 인덕턴스 성분이 추가적으로 형성되었고, 이는 단층 그래핀이 높은 전도성을 갖는 준 도체의 성질을 가짐을 확인할 수 있었다. 또한, 각 샘플에서 얻은 커패시터의 고주파 특성을 비교 분석한 결과, 전기적 특성과 마찬가지로 순수한 커패시터와 다층 그래핀을 결합시킨 커패시터의 고주파 특성에 큰 차이가 없었다. 반면 단층 그래핀이 결합된 커패시터의 경우, 두 샘플 형태에 비해 커패시터의 Q 특성을 상당히 감소시킴을 확인하였다.
다만 다층 그래핀이 결합된 커패시터의 경우, 순수한 커패시터에 비해 커패시터 전극의 저항성분이 약간 증가되었다. 반면 단층 그래핀의 경우, 낮은 주파수 대역에서 순수한 커패시터에 비해 신호의 투과특성이 향상되었고, 단층 그래핀이 커패시터와 결합될 때 커패시터 전극 사이의 접촉 저항성분이 새롭게 형성되었고, 비교적 큰 값으로 나타났다. 뿐만 아니라 단층 그래핀으로 인해 커패시터 상에 인덕턴스 성분이 추가적으로 형성되었고, 이는 단층 그래핀이 높은 전도성을 갖는 준 도체의 성질을 가짐을 확인할 수 있었다.
또한, 각 샘플에서 얻은 커패시터의 고주파 특성을 비교 분석한 결과, 전기적 특성과 마찬가지로 순수한 커패시터와 다층 그래핀을 결합시킨 커패시터의 고주파 특성에 큰 차이가 없었다. 반면 단층 그래핀이 결합된 커패시터의 경우, 두 샘플 형태에 비해 커패시터의 Q 특성을 상당히 감소시킴을 확인하였다. 이는 향후 고주파용 그래핀 나노소자의 성능을 향상시키는데 단층 그래핀과 전극 사이의 접촉저항을 줄일 수 있는 전극연구가 중요한 역할을 할 것으로 기대되는 부분이다.
반면 단층 그래핀의 경우, 낮은 주파수 대역에서 순수한 커패시터에 비해 신호의 투과특성이 향상되었고, 단층 그래핀이 커패시터와 결합될 때 커패시터 전극 사이의 접촉 저항성분이 새롭게 형성되었고, 비교적 큰 값으로 나타났다. 뿐만 아니라 단층 그래핀으로 인해 커패시터 상에 인덕턴스 성분이 추가적으로 형성되었고, 이는 단층 그래핀이 높은 전도성을 갖는 준 도체의 성질을 가짐을 확인할 수 있었다. 또한, 각 샘플에서 얻은 커패시터의 고주파 특성을 비교 분석한 결과, 전기적 특성과 마찬가지로 순수한 커패시터와 다층 그래핀을 결합시킨 커패시터의 고주파 특성에 큰 차이가 없었다.
순수한 커패시터와 다층 그래핀이 결합된 커패시터의 경우, 커패시터의 전기적 특성에 큰 차이가 없었다. 다만 다층 그래핀이 결합된 커패시터의 경우, 순수한 커패시터에 비해 커패시터 전극의 저항성분이 약간 증가되었다.

후속연구

반면 단층 그래핀이 결합된 커패시터의 경우, 두 샘플 형태에 비해 커패시터의 Q 특성을 상당히 감소시킴을 확인하였다. 이는 향후 고주파용 그래핀 나노소자의 성능을 향상시키는데 단층 그래핀과 전극 사이의 접촉저항을 줄일 수 있는 전극연구가 중요한 역할을 할 것으로 기대되는 부분이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고주파용 나노전자시스템의 성능 향상을 위해 어떤 특성을 향상시킬 필요가 있는가?	이러한 능동소자의 성능향상은 훨씬 높은 고주파 대역의 시스템을 구현할 수 있는 가능성을 열게 되었다. 그러나 전반적인 고주파용 나노전자시스템의 성능을 향상시키기 위해서는 능동소자(active devices)의 고주파 특성[7]뿐만 아니라, 전송선로, 인덕터, 커패시터, 공진기 등과 같은 수동소자(passive devices)의 고주파 특성을 향상시킬 필요가 있다. 이러한 이유로 최근에 그래핀의 고주파 특성에 대한 연구로서 그래핀 선폭에 따른 전송파라미터 특성[8], 그래핀 전기전도도 및 임피던스 특성[9], 그래핀 도핑효과에 따른저항 및 전송파라미터 특성[10] 등의 연구가 활발히 진행되었다.
	그래핀 기반 고주파의 100 GHz 수준의 연구가 보고를 통해 어떤 가능성을 열어주었는가?	최근에 그래핀 기반 고주파 FET 소자의 경우 기존의 FET 소자의 차단주파수(cut-off frequency) 한계를 뛰어넘어 100 GHz 수준의 연구가 보고되었다. 이러한 능동소자의 성능향상은 훨씬 높은 고주파 대역의 시스템을 구현할 수 있는 가능성을 열게 되었다. 그러나 전반적인 고주파용 나노전자시스템의 성능을 향상시키기 위해서는 능동소자(active devices)의 고주파 특성[7]뿐만 아니라, 전송선로, 인덕터, 커패시터, 공진기 등과 같은 수동소자(passive devices)의 고주파 특성을 향상시킬 필요가 있다.
	그래핀이란 무엇인가?	그래핀(graphene)은 벌집모양의 2차원 탄소구조를 갖는 가장 얇으면서 전기적[1], 기계적[2], 열적[3] 특성이 매우 우수한 물질로서 알려져 있다. 이러한 그래핀의 우수한 물성을 이용하여 그래핀 기반 무선바이오센서[4], 고주파 전계효과트랜지스터(FET)[5], 안테나[6] 등과 같이 바이오 및 정보통신분야에 적용하려는 시도가 꾸준히 이루어져 왔다.

참고문헌 (16)

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임은재, 김형근, 양우석, 유찬세, "MOS 모델을 이용한 그래핀 트랜지스터 모델링", 한국전자파학회논문지, 26 (9), p. 837-840, 2015년 9월.

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이희조, 이현석, 유경화, 육종관, "인터디지털 커패시트 기반의 단일벽 탄소 나노 튜브를 이용한 바이오 물질 검출에 관한 연구", 한국전자파학회논문지, 19(8), pp. 891-898, 2008년 8월.

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H. S. Yoon, J. Lim, S. U. Son, D. H. Kim, I. Song, and S. C. Jun, "Biotin-streptavidin detection with a graphene-oxide supported radio-frequency resonator", Appl. Phys. Lett., vol. 102, no. 19, pp. 193701(1-3), 2013.

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