This paper reports a novel method of integration of magnetic nanoparticles with an on-chip inductor. The proposed method is based on a spontaneous distribution of magnetic nanoparticles according to magnetic field formed by the integrated on-chip inductor itself. To confirm the proposed idea, a proper inductor shape and a microfluidic system were designed. The fabricated device showed driving current of over 300mA, and nanoparticle alignment time of 120sec. The fabricated on-chip inductors experienced average 39.8% of inductance increase compared with air-cored state.
MEMS 기술을 이용한 온-칩 인덕터는 작은 크기(높이), 작은 저항, IC 위에 집적될 수 있다는 장점을 바탕으로 작은 크기가 강조되어지는 전자 기기 분야에 있어 차세대 인덕터로써 주목을 받고 있다. 특히, 전력 전자 분야의 경우 기존에 사용되는 오프칩 인덕터가 차지하는 면적 및 두께에 의해 많은 디자인 제약을 겪어 왔고, 이에 대비하여 온-칩 인덕터의 장점이 대두되었다. 하지만 기존의 온-칩 인덕터를 그대로 사용하기에는 온-칩 인덕터의 작은 인덕턴스 밀도가 걸림돌로 작용하고 있고, 이를 해결하기 위해 많은 연구들이 진행되어 왔다 .
온-칩 인덕터의 인덕턴스 밀도를 높이기 위한 연구는 크게 구조적인 개선과 자성 물질을 이용한 물질적인 개선으로 나눌 수 있다. 이 중 구조적인 개선의 경우 공정 과정의 복잡도 및 인덕터가 차지하는 공간이 증가한다는 단점을 갖는다. 이에 비해 자성 물질을 적용하는 방법의 경우 인덕터가 차지하는 공간의 증가가 적다는 점에서 장점을 갖는다. 따라서, 최근 자성 물질을 온-칩 인덕터에 적용하는 많은 연구들이 보고되어 왔다. 이러한 연구들은 크게 자성 물질을 sputtering이나 electroplating 등의 공정 과정을 거쳐 박막 형태로 형성하거나 [2], 나노사이즈의 자성 파티클(magnetic nanoparticle, MNP)을 인덕터 주위에 도포하는 방식으로 나눌 수 있다.
자성 물질을 박막 형태로 사용하는 경우 높은 자기 에너지 밀도 향상을 얻을 수 있지만 수백 MHz 이상의 고주파수 대역에서 그 특성이 빠르게 감소하는 단점을 지니고 있다. 반면, MNP를 사용하는 경우 초상자성 등의 특성에 의해 수 GHz 까지의 자기 에너지 밀도 향상 특성을 얻을 수 있으나 그 정도가 작다는 단점을 지니고 있다.
반면 자성 입자는 위치에 따라 일정하지 않은 자기장에 노출될 경우 자발적으로 자기장을 따라 정렬되는 특징을 보인다. 이는 시스템의 전체적인 자기적 위치 에너지를 최소화하기 위한 자연적인 성질에 의해 나타나는 자가 정렬 현상이다. 이러한 현상은 철가루를 막대 자석 주위에 고르게 퍼뜨리거나, 자성유체(ferrofluid)가 외부 자기장에 노출될 시 형태가 변하는 현상 등에서도 쉽게 찾아볼 수 있다. 이러한 현상은 결과적으로 자성 입자들이 국지적으로 자기장이 최대인 곳에 집중되는 효과를 가져온다.
따라서 본 논문에서는 앞서 언급한 기존의 자성 물질 적용 방법들에서 보여지는 동작 주파수와 자성 에너지 밀도 향상 사이의 상호보완적 관계를 보다 개선하기 위해, 자성 입자의 자가 정렬 성질을 이용한 MNP의 온-칩 인덕터로의 적용 방법을 제시하였다.
제시한 방법의 유효성을 검증하기 위하여 이론적으로 제시된 방법의 차별점을 고찰하였으며, 이론적 분석 및 시뮬레이션에 근거한 소자 디자인을 제시하였다. 또한 자성 나노 파티클과 적합한 용매를 선정 기준을 통해 여러 후보 중 최적 물질을 선택하였다.
제시된 소자 디자인의 제작 및 구동 과정에서 예상하지 못한 열 적 문제가 발생하였고 이를 해결하기 위해 구조적, 물질적 수정을 거쳤으며 이의 유효성을 확인한 후, 수정된 소자를 성공적으로 제작하였다.
제작된 소자를 통해 자성 나노 파티클의 실제 구동을 위한 전류 크기와 필요 시간 등 구동 조건을 확인하였고, 이러한 구동 조건을 통해 정렬된 자성 나노 파티클이 소자의 인덕턴스에 미치는 영향을 검증하였다.