초록 ▼

◎본 연구 과제는 초연자성 코네틱 박막의 기본적인 특성이 확보된 후 바이오센서로 활용해야 한다. 반가자성체 PtMn층 및 IrMn층을 기반으로 NiFe, CoFe(고정층)/Cu/NiFeCuMo(자유층) 3층구조의 고감도 GMR-SV 다층 박막구조를 제작한다. 박막의 연자성 특성을 고려한 향상된 자장감응도를 얻기 위하여 사잇층 Cu의 두께를 최적화시켜야 한다. 또한 광 리소그래피(lithography) 공정을 이용하여 GMR-SV 소자의 자장감응도에 대한 폭 두께의 의존성을 고찰해야 하며, 고정층은 폭 방향을 자성 용이축으로, 자유층

◎본 연구 과제는 초연자성 코네틱 박막의 기본적인 특성이 확보된 후 바이오센서로 활용해야 한다. 반가자성체 PtMn층 및 IrMn층을 기반으로 NiFe, CoFe(고정층)/Cu/NiFeCuMo(자유층) 3층구조의 고감도 GMR-SV 다층 박막구조를 제작한다. 박막의 연자성 특성을 고려한 향상된 자장감응도를 얻기 위하여 사잇층 Cu의 두께를 최적화시켜야 한다. 또한 광 리소그래피(lithography) 공정을 이용하여 GMR-SV 소자의 자장감응도에 대한 폭 두께의 의존성을 고찰해야 하며, 고정층은 폭 방향을 자성 용이축으로, 자유층은 길이방향으로 형상자기 이방성을 갖도록 유도한다. 제작한 초감도 GMR-SV 소자에 대한 자기저항 특성 변화를 관찰하여 바이오소자의 활용 가능성을 확인하는 연구목적을 두었다.
◎초연자성을 띠는 코네틱(Conetic; NiFeCuMo) 박막을 상호 중간층으로 강자성체인 CoFe 또는 NiFe 박막 사이에 삽입한 코닝 유리(Corning glass)/Ta(5 nm)/[CoFe or NiFe(5 nm-t/2)]/NiFeCuMo(t = 0, 4, 6, 8, 10nm)/[CoFe or NiFe(5 nm-t/2)]/Ta(5 nm) 3층 박막구조에 대한 자기적 특성을 조사하였다. CoFe와 NiFe 박막의 자기적 특성은 박막의 두께에 따라 크게 결정되므로 자화 곤란축과 자화 용이축으로 측정된 이방성 자기저항 곡선으로부터 얻은 보자력과 자화율을 각각 비교하였다. 특히 3층 박막구조에서 NiFe 박막 사이에 자유층으로 NiFeCuMo 박막을 삽입하면 높은 자기저항비를 유지하면서 향상된 자장감응도를 유지하는 고감도 바이오센서용 거대자기저항-스핀밸브(GMR-SV) 및 자기터널접합(MTJ) 소자로 활용할 수 있다.
◎DC 마그네트론 스퍼터링을 이용하여 제작한 고감도 거대자기저항 스핀밸브 박막 소자를 이용하여 수위 및 수온을 측정할 수 있는 센서를 제작하였다. 제작한 센서의 수위 및 수온 분해능은 각각 400 mΩ/mm와 100 mΩ/oC 이었으며, 이는 전립선 비대증 KTP(potassium titanyl phosphate) 레이저 치료기에서 냉각기의 수위 및 수온을 조절하는센서로써 응용이 가능하다.
◎미크론 자성비드 검출용 바이오센서에 활용하는 GMR-SV 박막을 이온빔 스퍼터링 증착법으로 glass/Ta(5.8 nm)/NiFe(5 nm)/Cu(t nm)/NiFe(3 nm)/FeMn(12 nm)/Ta(5.8 nm)의 구조를 갖도록 증착하였다. 비자성체 Cu의 두께가 3.0 nm에서 2.2 nm까지 얇아질수록 교환결합력은 증가하였고 자기저항비는 다소 감소하였다. 비자성체의 두께가 얇으면 반강자성체의 층간 교환작용이 강자성체의 고정층뿐만 아니라 자유층의 스핀배열에도 영향을 주고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 리소그래피 공정 과정을 거쳐 GMR-SV 소자를 제작하여 미크론 자기비드를 검출하였다. 여기서 자기비드를 떨어뜨리기 전과 후의 자기저항비, 교환결합력, 보자력은 각각 0.9%, 3Oe, 2 Oe의 값을 나타내었다. 이러한 결과로 나노 단위의 바이오센서에 활용할 수 있는 가능성을 보여주었다.
◎NiFe/Cu/NiFe/IrMn/NiFe/Cu/NiFe 이중 거대자기저항-스핀밸브(GMR-SV) 박막의 진공 후열처리 온도의존성을 조사하여 강자성층 자화용이축을 유도하였다. 자유층과 고정층의 자화용이축에 의존하는 이중 스핀밸브 박막의 자기저항곡선은 외부자기장 각도를 다르게 하면서 측정하였다. 열처리온도가 105 oC일 때, 0o와 90o 사이 임의 측정 각도에서 약 2.0 %/Oe인 자장감응도 특성을 얻었다. 이러한 결과는 면상 강자성층과 자유층을 면상에서 서로 직교한 자화방향 유도를 통하여 이중구조 GMR-SV 박막이 고감도 바이오센서로 사용할 가능성을 제시하였다.
◎Dc 마그네트론 증착시스템을 이용한 이중구조 GMR-SV를 갖는 박막시료의 면상에서 자화용이축을 조절하기 위해 진공 챔버 내에서 후 열처리를 시행하였다. 박막 증착시 일축이방성 자기장이 유도된 Ta(5 nm)/NiFe(8 nm)/Cu(2.3nm)/NiFe(4 nm)/IrMn(5 nm)/NiFe(4 nm)/Cu(2.3 nm)/NiFe(8 nm)/Ta(5 nm) 이중구조에 대해 자성층의 자화용이 축이 면상에서 회전이 가장 최적화 된 열처리 온도는 107 ℃이었다, 진공 챔버내에서 이중구조 GMR-SV 박막을 후열처리 온도 107 ℃와 250 oC까지 증가시켜 강자성층체의 자화용이축이 면상에서 변화를 유도하였다. 4단자법으로 측정한 자기저항곡선의 minor loop에서 자기저항비, 보자력, 자장감응도를 조사하여 면상 자성층의 자구 영역의 회전 조건에 의존하는 자기등방성 영역분포의 특성을 조사하였다. 강자성체 자유층과 고정층의 자화용이축에 의존하는 이중구조 GMR-SV 박막의 자기저항곡선을 외부자기장 각도 0°에서 360°까지 변화시켜 측정하였다. 열처리 온도가 107 oC일 때, 박막 면상에서 자화방향의 스위칭 과정을 조사하여 90° 회전 영역에서 자기저항비 6.5 %, 보자력 1.0 Oe, 자장감응도가 약 1.52 %/Oe인 자기등방성 특성이 나타났다. 이로써 면상 강자성 고정층과 자유층을 서로 직교한 고감도 GMR-SV 박막 소자는 마이크로 자성비드를 임의 방향에서 검출할 수 있는 고감도 바이오센서로 사용할 가능성을 제시하였다.
◎PtMn, IrMn 기반 GMR-SV 박막 소자를 바이오센서로의 응용함에 있어서 먼저 자성비드 1 μm 이하와 나노입자 50 nm 이하의 크기를 인지할 수 있는 분해능을 확보하였다. 이를 바탕으로 자성 라벨분자나 Fe-헤모글로빈 적혈구를 검출할 수 있도록 하였다. 또한 바이오센서 구조 융합을 통해 자체유도용 μ-코일 및 μ-트랙 구성하여 20kHz 이상, 10 μT 이하의 고주파수 저자기장 생체영향 평가에 활용할 가능성을 제시하였다.
◎정량적인 연구 성과로는 국제학술지 3편(국내 SCIE 1편 포함)과 국내 학진등재지 4편이 게재되었으며, 국내외 학술발표회는 11회, 국내 특허출원 1건, 박사1명, 석사1명을 배출하였다.

목차 Contents

• 일반연구자지원사업 최종(결과)보고서 ... 1
• 목 차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 7
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 8
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 15
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 16
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 17
• Ⅲ. 연구성과 ... 18
• 끝페이지 ... 21