경제적으로 실현 가능한 방식에서 저동력 센서를 위한 압전성 AlN 층을 생성하기 위한 실험실용 증착기를 이용하는 프라운호퍼 연구진

에너지 자급자족 탐침(energy self-sufficient probe)과 보다 더 작은 이동식 전자 시스템(mobile electronics systems)으로 이동하는 동향은 지속적으로 강화되고 있다. 예를 들면, 이러한 장치들은 항공기에서 엔진의 상태를 모니터링하거나 의료용 이식 장치에 사용된다. 이러한 장치들은 즉각적인 환경, 예를 들면 진동(vibration)으로부터 필요로 하는 에너지를 수합한다. 독일 프라운호퍼 연구진은 압전 재료(piezoelectric materials)를 경제적으로 생성할 수 있는 공정을 개발했다. 연구진은 2014년 11월 11일부터 14일까지 독일 뮌헨에서 개최되는 전자 장치 무역 박람회(electronica trade show)에서 예비적인 논증 모델을 발표할 예정이다.

공간이 거의 없거나 교환이 복잡할 때, 배터리 또는 전선을 통하여 센서에 동력을 공급하는 것은 종종 우회적으로 설치된다. 최적의 접근은 에너지 흡입(energy intake)이 통합적이고 우수한 내구성을 갖추는 것이다. 한 가지 해결 방안은 태양 전지, 열전 또는 압전 재료 등을 통하여 현장 동력 생산으로 수확된 에너지를 제공하는 것이다.

기계적 힘의 효과가 전하 분리(charge separation)로 이어지기 때문에, 압전 재료는 기계적인 진동(mechanical vibration)을 전기 에너지(electric energy)로 전환시킬 수 있다. 진동이 존재하는 상태가 일정할 필요가 없는 위치에 이러한 재료의 응용이 적용될 수 있다. 예를 들면, 산업 장치 또는 항공기 엔진, 자동차 엔진 심지어 혈압, 호흡 또는 심장박동이 일정하게 운동량을 생성시키는 영역을 들 수 있다. 현재까지 선택된 압전 재료는 주로 PZT(leadzirconium- titanium composites)이다. 질화알루미늄(AlN; aluminum nitride)이 또 다른 선택 사항이다. PZT와 비교했을 때, AlN은 더 우호적인 기계 특성을 보유하고 있으며, 납이 없기 때문에 더 안전하고 생체 적합성을 나타낸다. 게다가 AlN 층을 초소형 전자공학을 위한 상용 제조 공정에 통합하는 데 거의 문제가 없다.

* 압전 코팅을 제조하는 새로운 공정
여기에 딜레마가 존재한다. 압전 재료를 보다 더 작은 전자기기 시스템에 통합하기 위하여, 압전 재료는 가능하면 작아야만 한다. 한편, 압전 재료는 충분한 에너지를 생산하기 위하여 특정 부피를 필요로 한다. 지금까지 이용 가능한 방법을 적용하여 경제적으로 실현 가능하기 충분한 방식으로 목표 대상을 코팅하는 것은 불가능했다. 증착 속도, 균일성 및 코팅 영역 등이 너무나 작다. 그러나 최근 프라운호퍼 유기 전자기기, 전자빔 및 플라즈마 기술 연구소(FEP; Fraunhofer Institute for Organic Electronics, Electron Beam and Plasma Technology) 소속의 연구진은 높은 증착 속도로 200 mm까지의 직경으로 균일한 층을 증착시킬 수 있는 공정을 개발했다. 따라서 새로운 공정은 이전의 공정보다 상당히 더 생산성이 높으며 수익 역시 높다.

연구진은 실리콘 웨이퍼 위에 아르곤-질소 대기에서 알루미늄 표적의 반응성 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)으로 층을 증착시켰다. 이러한 물리적 공정을 이용하여 고체로부터 원자를 방출하여 매우 높은 에너지를 가지는 비활성 기체(noble gas) 이온으로 표적을 때려서 기체상으로 배출시킨다. 이후 비활성 기체 이온은 층으로 웨이퍼 위에 증착된다. 이러한 목적을 달성하기 위하여, FEP 연구진은 두 개의 고리 형태의 표적으로 구성된 이중 고리 마그테트론 스퍼터 공급원인 DRM 400을 이용했다. 두 개의 표적의 방전이 겹쳐지기 때문에, 압전 계수 d33의 7 pC/N을 가지는 거대한 코팅 표면 위에 AlN 층을 균일하게 증착시키는 것이 가능하다. 이러한 수치가 높을수록, 재료는 보다 더 강력하게 반응한다. AlN의 압전 계수 d33에 대한 이용할 수 있는 연구 문헌에 기재되어 있는 전형적인 수치는 5-7 pC/N 사이의 범위이다. 동시에, 층의 기계적 스트레스는 상응하는 응용 영역에 유연하게 조정될 수 있다. 예를 들면, 코팅의 접합 강도(adhesion strength), 전기 기계 결합(electromechanical coupling) 및 생성된 에너지의 값 등이 이 영향에 포함된다.

독일 드레스덴 대학(Technical University of Dresden), 핀란드 오룰루 대학(Oulu University) 등과의 협력 연구를 통하여, FEP 연구진은 6x1cm2로 측정된 실리콘 조각 위에 AlN 코팅을 적용하여 에너지 수확에 대한 테스트를 수행했다. 논증을 위하여, 연구진은 몇 백 μW의 생성된 동력에 도달할 수 있었다. 프로젝트 책임자인 Stephan Barth는 생성된 동력이 다수의 요인에 의존하기 때문에, 이러한 수치가 1:1 비율에서 실용적인 응용으로 전이될 수 없다고 밝혔다. 한편, 디자인, 다시 말해서 층의 두께, 변환기 기하학(transducer geometry), 부피, 공간 및 기판 재료 등이 모두 영향을 끼친다. 또 빈도, 진폭 또는 주위 매질 등과 같은 진동 행동 양식으로부터 유래하는 효과가 존재하며, 센서 전자기기에 접목시킬 필요성 역시 염두에 둘 필요가 있다. 그럼에도 불구하고, AlN 층이 산업적 응용 또는 심장 박동 조율기에 사용될 때, AlN 층은 저동력 센서를 운영하는 실용적인 대안이 될 것이다.

동력 수율을 증가시키기 위하여, 과학자들은 반응성 공동-스퍼터링으로 증착된 알루미늄-스칸듐-질화물(aluminum-scandium-nitride)로 만들어진 층을 부가적으로 사용 중이다. 순수한 AlN과 비교했을 때, 이러한 물질은 유사한 코팅 속도와 상당히 더 높은 압전 계수를 나타낸다. 이것은 이 방법을 통하여 생성된 동력이 3-4배 더 높다는 것을 의미한다. 연구진의 연구의 또 다른 향후 초점은 동력 생산을 위한 변환기 디자인(transducer design)의 최적화가 될 것이다. 목표는 추가적인 용량을 증가시키고, 각각의 응용에 공명 진동수(resonance frequency)를 보다 더 잘 채용하기 위하여, 전체 구축의 크기를 줄이는 것이 될 것이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』