[논문]미세유체 제어방법을 사용한 가변 커패시터

구치완

doi:10.7471/ikeee.2019.23.3.839

[국내논문] 미세유체 제어방법을 사용한 가변 커패시터
Characterization of Microfluidically Variable Capacitors 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.23 no.3, 2019년, pp.839 - 843

구치완 (Dept. of Electronics and Control Engineering, Hanbat National University)

초록
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본 연구에서는 유체를 유전체 재료로 사용하는 가변 커패시터를 시연하고, 자기 공명 현미경(MRM)의 코일에 적용 가능성을 알아보려고 하였다. 전극으로 이루어진 커패시터 구조는 마이크로 유체 채널과 통합하여 제작되었고, 커패시턴스는 채널 내의 유체 충전율을 변화시키면서 측정되었다. DI water와 미네랄 오일을 사용하여 측정된 커패시턴스는 1.7 pF에서 12 pF, 그리고 1.7 pF에서 2 pF으로 변하였고, 유체의 유전율에 따라 커패시턴스의 변화를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper demonstrates a variable capacitor using fluids as dielectric material and investigates the possibility of its application to a magnetic resonance microscopy's coil. The capacitor structure was integrated with a microfluidic channel and the capacitance was measured while changing the filling percentage of fluids in the channel. The measured capacitance when filling DI water and mineral oil was changed from 1.7 pF to 12 pF and from 1.7 pF to 2 pF, respectively.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Interdigitated type(IDT) variable capacitor(Type 1). 그림 1. IDT 가변 커패시터(제1형태)
그림 Fig. 2. Interdigitated type(IDT) variable capacitor(Type 2). 그림 2. IDT 가변 커패시터(제2형태)
그림 Fig. 3. Fabrication process for IDT electrodes. 그림 3. IDT 전극 제조 공정
그림 Fig. 4. Fabrication process for a microfluidic channel structure. 그림 4. 미세유체채널 구조 제조 공정
그림 Fig. 5. (A, B) Fabricated microfluidically variable capacitor (A: type 1, B: type 2), (C) microscope image of the fabricated IDT electrode, (D) microscope image of the IDT electrode integrated with a microfluidic channel (type 1 variable capacitor). 그림 5. (A, B) 제작된 미세유체제어 가변 커패시터 (A: 제 1형태, B: 제 2형태), (C) IDT 전극의 현미경 사진, (D) 제1 형태 가변 커패시터의 현미경 사진 (전극과 미세유체관이 결합되어 있음)
그림 Fig. 6. Capacitance measurement setup. 그림 6. 가변 커패시턴스 측정 셋업
그림 Fig. 7. Capacitance of the IDT variable capacitor according to the filling percentage of DI water or mineral oil. 그림 7. DI water와 미네랄 오일의 주입 퍼센트에 따른 가변 커패시턴스 측정값
그림 Fig. 8. Frequency-dependent capacitance of the IDT variable capacitor (Type 2) from 100 MHz to 1 GHz. 그림 8. 주파수에 따른 제 2형태 가변 커패시턴스 측정값

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 유체를 미세하게 제어하는 구조를 커패시터에 적용하여 가변 커패 시터를 만들고, 이를 실제 RF 회로에 적용하는 연구는 거의 없다. 따라서 본 연구에서는 RF 코일에 집적화 가능한 미세유체 가변 커패시터 구조의 몇 가지 안을 제시하려 한다.

제안 방법

다음으로 35 μm 두께의 포토 레지스트(NR21-20000P)를 스핀코터를 사용하여 균일하게 도포한 후에, 설계된 IDT 전극의 모양이 그려진 포토마스크를 사용하여 포토 레지스트를 패터닝한다.
두 개의 미세유체 튜닝 가능한 커패시터가 성공적으로 제작되었고, 두 종류의 액체 유전체(DI water, 미네랄 오일)를 사용하여 커패시터의 변화를 살펴 보았다. 두 커패시터 모두 유전체의 채워지는 비율에 따라 선형적으로 증가됨을 볼 수 있었고, 두꺼운 전극으로 제작된 제 2형태의 커패시터는 DI water를 사용하였을 때 1.
그림 8은 제 2형태의 커패시터의 주파수에 따른 커패시턴스를 보여주고 있다. 아무 액체를 채우지 않았을 때(air), DI water를 100% 채웠을 때(water), 미네랄 오일을 100% 채웠을 때에, 각각 주파수를 100MHz 에서 1 GHz까지 바꾸어 측정하였다. 전형적인 커패시터의 주파수 반응을 보여주고 있으며 미네랄 오일을 채웠을 때보다 DI water를 채웠을 때, 주파수에 따라 커패시턴스가 크게 변함을 측정할 수 있었다.
액체를 주사기와 튜브, 그리고 미세한 액체 용량 주입을 제어할 수 있는 주사기펌프(Fusion 200)를 이용하여 커패시터 내부의 미세유체채널을 통해 액체를 채워주었다.
05 μm 이며, IDT 전극을 구성하는 한 finger의 길이는 약 1 mm, finger 사이의 거리는 50 μm, finger의 개수는 20개이다. 전극의 두께는 전자빔 증착기(e-beam evaporator)에서 표준 레서피를 사용하여 구리를 증착할 수 있는 높이를 기준으로 하였다. 미세유체관 구조는 높이 1 mm로 되어 있으며, 구조 내부에 폭 130 μm, 높이 30 μm 의 단면적을 가 지는 지그재그 형태의 미세유체관이 형성되어 있다.
전류 밀도 10 mA/cm2에서 황산구리 수용액에서 25 μm 두께만큼의 구리를 전기도금 하였다.

대상 데이터

커패시터에서 유전체로 사용될 액체는 DI water (deionized water)와 미네랄 오일(mineral oil)을 선택하였다.
50×75×1 mm3 유리 슬라이드 기판에 크롬 /구리(30/500 nm) 금속층을 전자빔 증착기를 사용하여 증착하였다.
디자인된 커패시터의 전극 두께는 0.05 μm 이며, IDT 전극을 구성하는 한 finger의 길이는 약 1 mm, finger 사이의 거리는 50 μm, finger의 개수는 20개이다.
미세유체관 구조는 높이 1 mm로 되어 있으며, 구조 내부에 폭 130 μm, 높이 30 μm 의 단면적을 가 지는 지그재그 형태의 미세유체관이 형성되어 있다.
전극의 높이는 25 μm이며, IDT 전극을 구성하는 한 finger의 길이는 약 1 mm, finger 사이의 거리는 50 μm, finger의 개수는 20개이다.

성능/효과

두 개의 미세유체 튜닝 가능한 커패시터가 성공적으로 제작되었고, 두 종류의 액체 유전체(DI water, 미네랄 오일)를 사용하여 커패시터의 변화를 살펴 보았다. 두 커패시터 모두 유전체의 채워지는 비율에 따라 선형적으로 증가됨을 볼 수 있었고, 두꺼운 전극으로 제작된 제 2형태의 커패시터는 DI water를 사용하였을 때 1.7 pF에서 12 pF까지 약 706% 의 가변성을 보여주었다. 따라서 이러한 과정을 통해 미세유체 제어를 사용하여 가변 커패시터가 가능함을 입증했다.
아무 액체를 채우지 않았을 때(air), DI water를 100% 채웠을 때(water), 미네랄 오일을 100% 채웠을 때에, 각각 주파수를 100MHz 에서 1 GHz까지 바꾸어 측정하였다. 전형적인 커패시터의 주파수 반응을 보여주고 있으며 미네랄 오일을 채웠을 때보다 DI water를 채웠을 때, 주파수에 따라 커패시턴스가 크게 변함을 측정할 수 있었다.

후속연구

따라서 이러한 과정을 통해 미세유체 제어를 사용하여 가변 커패시터가 가능함을 입증했다. 향후 연구로는 미세유체 RF 코일에 집적화 하여 Q factor와 매칭/튜닝의 가능성을 살펴볼 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	커패시터는 어떻게 구성되는가?	커패시터는 한 쌍의 컨덕터와 컨덕터 사이의 유전체로 구성된다. 평행 판 모델(C = εA / d)에 따르면, 용량은 면적(A)과 유전율(ε)에 비례하여 증가하고, 컨덕터 거리(d)에 따라 반비례한다.
	기계적으로 조정 가능한 커패시터의 단점은?	따라서 RF 코일 회로에는 매칭 및 튜닝을 위해 가변 커패시터를 넣게 되며, 자석 외부에서 커패시터를 조정하여 RF 코일의 임피던스와 공진 주파수를 조절할 수 있다. 기계적으로 조정 가능한 커패시터는 자석 보어 외부에서 원격으로 제어하기에 적합하지 않으며 반도체 버랙터 다이오드는 고정 커패시터보다 상대적으로 낮은 Q 값(quality factor)을 가진다. MEMS 가변 커패시터는 상대적으로 높은 Q 값을 갖지만 기하학적 변위의 제한으로 인해 낮은 튜닝 범위를 지닌다는 한계가 있다[5].
	MEMS 가변 커패시터는 상대적으로 높은 Q 값을 갖지만 기하학적 변위의 제한으로 인해 낮은 튜닝 범위를 지닌다는 한계가 있는데 이러한 한계를 어떻게 해결할 수 있는가?	이러한 한계를 해결하는 대안으로, 커패시터의 유전체 재료가 유전체 유체로 대체된다면, 커패시턴스는 특수한 기계장치 없이 원격으로 변경할 수 있다. 또한 유전율이 큰 유체를 선택함으로서 넒은 범위의 가변성을 얻을 수 있다. 또한, 미세 용량의 유체를 제어할 수 있는 미세유체기술(microfluidics)을 사용한다면, 커패시터 내부에서 유체의 위치를 마이크로리터 또는 나노리터 단위로 미세하게 조정함으로써 정밀한 커패시턴스 제어가 가능하다는 장점이 있다[6]. 또한 반도체 버랙터는 커패시턴스를 유지하는데 지속적인 전압을 인가해주어야 하지만, 미세유체를 이용한 가변 커패시터는 커패시 턴스를 변경할 때만 유체를 이동시키는데 전력을 사용한다.

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