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[디스플레이]전자종이

Microcup electronic paper by roll-to-roll manufcturing processesMoving particle을 사용하는 전기영동 방식의 전자종이는 이론상 해상도가 입자의 크기 및 구동전극의 크기에만 영향을 받는다. 그러나, 실제로는 입자 간의 aggregation이나 상하 전극 간격의 non-uniformity, 중력의 영향 등에 의해 넓은 면적에서 균일한 화상을 얻기 힘들고 전체 해상도에 큰 손실을 가져오게 된다. 이를 개선하기 위하여 E-ink 사에서는 moving particle 및 분산매가 혼합된 슬러리를 약 100 ㎛ 정도 지름을 갖는 구형 capsule에 넣어 입자-입자 사이의 interaction에 의한 화상 저하를 최소화하였다. 그런데, 전자종이가 지향하는 즉, 저 원가 대면적의 표시소자라는 측면에서 micro-capsule은 몇 가지 단점을 안고 있다. 첫째, 균일한 크기의 micro-capsule을 대량 제작하고 그 안에 일정한 양의 입자 및 분산매를 넣는 일은 상당히 복잡하고 어려운 공정이다. 둘째, 이러한 캡슐들을 디스플레이 표면에 단일 층으로 빈틈없이 분포시키기 위해서는 적당한 binder의 개발 및 도포 공정의 개발이 필수적이다. 따라서 최근 들어 리소그래피 기술이 발전함에 따라 encapsulation 대신 기판 위에 직접 격막 (micro-cup, micro-wall 또는 micro-rib)을 형성하고, 슬러리를 주입한 후 sealing하는 방법이 개발되고 있다. 이는 고정밀도의 리소그래피 장비를 사용하므로 균일한 크기의 container 공간을 형성할 수 있고, 추가적인 binder 개발이나 monolayer control 등의 공정이 필요 없게 된다. 또한 기계적 충격에 대해 보다 잘 견딜 수 있으며 대면적 저원가를 실현할 수 있는 roll-to-roll process에 적합하기 때문에, 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 컬러를 구현하는 형태로 정렬하기가 매우 어려우나, 격막 구조를 사용하면 활발히 발표되고 있다.Micro-wall 혹은 micro-cup 방법은 photo-lithography 혹은 soft lithography 방법을 이용하여 마이크로 단위의 규칙적인 cell을 제작한 후 그 안에 일괄적으로 전자종이용 잉크를 채워 넣는 방법으로 다음과 같은 많은 장점을 보유하고 있다. 먼저, cup 형상의 셀들이 미리 설계된 규격에 따라서 매우 uniform하게 배열될 수 있어 micro-capsule 방법에서와 같은 size filtering (sieving)이 필요 없어 높은 수율을 얻을 수 있다. Cup 또는 wall의 형상은 임의로 선택할 수 있고 각 cell의 높이를 작게 만들 수 있어 무기 산화물 입자들과 같은 pigment들의 이동거리가 짧아 이미지의 빠른 응답속도를 나타내는 장점이 있다. 제조방법 또한 일반적인 반도체공정에서 이용하는 photo-lithography로도 제작 가능하지만, 대면적화/대량생산을 위해서는 soft lithography 또는 imprint- lithography를 개량한 roll-to-roll 공정이 적당하다. Micro-wall의 재료를 선택함에 있어서, 제조공정에 따라 photo- lithography의 경우에는 UV 경화성 고분자로 제한이 되지만, soft- lithography의 경우에는 열경화성 수지 등 선택의 폭이 더 넓다.이에 비해 이제까지 전자종이 제작공정이 주류를 이루고 있는 micro- capsule 방법은 encapsulation reaction 방법에 의해 전자종이용 잉크를 고분자와 같은 수지로 둘러 싸는 기술이며 capsule의 형상은 일반적으로 구형이다. 그러나 cell의 높이는 100 ～ 150 ㎛로 capsule size 의 분포가 넓어서 원하는 크기로의 filtering이 필요한 번거로움이 존재하며, 따라서 공정수율이 떨어진다. Capsule용 고분자 재료의 선택은 encapsulation 공정의 다양한 parameter들에 의해 그 폭이 제한적이며 공정설비가 비교적 복잡하지 이용하여 대량생산이 가능한 roll-to-roll manufcturing processes에 대한 내용을 다루고 있으며 본 보고서에서는 대량생산에 적용할 수 있는 Micro-wall의 제작 방법에 대하여 논하고자 한다.우선 micro-capsule의 공정을 보면 슬러리와 encapsulation agent와의 혼합 후 encapsulation reaction에 의해 micro-capsule을 형성하고 원하는 크기로 여과시켜 입자 크기를 고르게 하고 캡슐과 바인더를 혼합한 후 mono-layer 코팅을 실시한다. Micro-wall의 공정은 격벽의 재료가 될 수 있는 폴리머 (photo-lithography의 경우 감광제)를 코팅한 후 UV patterning 또는 press 방법으로 원하는 형태의 마스크 및 스탬프의 형상대로 패턴제작을 하고 전자종이용 잉크 슬러리를 패턴의 셀에 채워서 접합한다. Micro-wall이 micro-capsule 제조공정에 비해 공정단계가 적으며 기술 원리상 크기의 조절이 손쉬움을 알 수 있다.- Micro-wall의 제작전자종이는 크게 상판과, 하판, 격벽, 그리고 잉크로 구성된다. 상판과 하판은 전기영동을 위한 전극형성을 위해 투명전극인 ITO (Indium Tin Oxide)나 불투명 전극인 silicon wafer 위에 금속 물질을 증착하여 제조되며, 하판상에 전술한 리소그래피 방법을 이용하여 격벽구조가 형성된다. Pixel size, 상하판 간의 거리는 격벽구조의 설계에 의해 자유로이 조절이 가능하다. 전기영동시 입자의 운동을 전기적으로 제어할 수 있는 단자를 구성하고 상판/하판의 접합 후에 잉크를 채워 넣으면 전자종이 구조가 완성된다.1. Imprint lithography를 이용한 격벽 제조 공정가. Imprint용 스탬프 제작Imprint용 스탬프는 quartz, Cr/quartz 두 종류를 e-beam writing 및 plasma etching 방법을 이용하여 제작가능 하다. Photo-lithography에 비E-beam 레지스트와 Cr이 도포된 마스크를 E-beam을 사용하여 패턴을 전사한 후 E-beam 레지스트를 현상하고 Cr층을 에칭 한 후 잔여 레지스트를 한다. 석영판에 구조물을 형성하기 위해서는 Cr을 하드마스크로 사용하여 석영을 에칭한 후 Cr제거 작업을 실시한다. 제작된 스탬프는 UV 경화형 수지가 도포되어 있는 기판에 접촉되어 일정 압력으로 눌려지면서 동시에 자외선을 조사하여, 접촉에 의해 생성된 요철형태의 UV 경화형 수지가 스탬프에 음각형태의 패턴을 형성하게 된다.나. 스탬프의 anti-sticking layer 코팅Imprint 공정 중에 transfer layer (레지스트)의 스탬프 표면에의 점착을 방지하기 위해서는 anti-sticking layer (release layer) 처리가 필요하다. 본 공정은 친수성의 스탬프 표면을 소수성으로 변환시키는 공정이다. 일단 코팅이 된 후에는 여러 번 반복하여 imprint 공정을 시행해도 같은 접촉각을 유지하여야 한다.다. Imprinting 공정UV 경화형 transfer layer (레지스트)를 이용하여 imprinting 공정을 한다. 일반적인 thermal imprint 대비 낮은 압력에서 패턴 전사가 가능한 UV imprint 공정의 대표적인 공정조건은 stamp를 PR이 도포된 substrate 위에 30 bar의 압력으로 pressing 한 후, UV exposure를 900 sec간 실시한다. 최종적으로 베이킹 하여 패턴을 형성한다. 본 공정에서는 thermal imprint에서 필수적인 transfer layer의 가열공정 및 imprint 후 냉각공정이 필요 없어 온도 상승하강에 따른 패턴의 왜곡이 없는 장점이 있다.UV imprint 한 결과로 가해주는 압력 및 패턴 밀도에 따라 변화되는 residual layer가 존재하며. 대부분의 경우는 이 residual layer를 제거하여야 하는데 이를 위해서는 추가적인 RIE (reactive ion etching) 공정이 필요하다print 공정의 조율에 의해 간단히 공정을 완료할 수 있다는 장점도 될 수 있다.2. Micro-transfer molding 방법을 이용한 PDMS 격벽형성 공정Flexible micro-wall의 구현을 위해 PDMS (polydimetyl siloxane) 패턴을 master mold (PR 패턴)로부터 전사하는 방법을 이용해서 micro-wall의 제작이 가능하다. 레지스트 패턴은 어떤 방법을 사용하던 비교적 고가의 이미지 transfer 장치가 필요하다. 그러나 micro-transfer molding 방법을 이용하면 간단한 장치로도 여러 개의 복사패턴 (음각형태)을 제작할 수 있다.3. lithography를 이용한 격벽 제조 공정가. Optical lithography대량생산이 가능하며, 장비 안정성 및 가격, 효율 등 모든 면에서 디바이스를 제조하기에 가장 적합한 방법이다. Optical lithography의 광원으로는 Hg arc lamp spectrum에서 보이는 G-Line (파장 :436 nm)이나 I-Line (365 nm)을 많이 적용하고 있고, 최근에는 KrF excimer laser (248 nm)가 이용되고 있다. 그러나, 최첨단 DRAM (Dynamic Random Access Memory)이나 MPU (Micro Processor Unit)등의 반도체 소자가 필요로 하는 최소 미세 선폭은 0.2 ㎛정도이고, 이미 lithography에 이용되고 있는 빛의 파장과 같은 정도이다. 일반적으로 빛을 이용한 리소그래피 기술에서는 파장이 해상 한계를 나타내는 하나의 척도이기 때문에, 종래 기술로는 그 이상의 고집적화는 어려운 상황이다. 이 때문에 종래의 광 리소그래피기술을 이용하는 데는 파장보다 짧은 패턴을 형성할 수 있는 해상도 향상기술을 개발하든지, 더욱 짧은 파장의 광원을 이용한 기술을 개발하는 등의 기술 개발이 필요하다.photolithography 공정은 기판위에 증착된 필름의 패턴형성을 위하여 감광제를 코팅한 후 마스크를

공학/기술| 2006.06.12| 7페이지| 1,000원| 조회(525)

전자종이, electronic paper, Microcup, micro-cap..

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[고체물리]MRAM의 기본 원리 및 개발 현황

MRAM의 기본 원리 및 개발 현황1. IntroductionDRAM, SRAM과 Flash와 같은 전통적인 반도체 메모리는 high density, high performance, 낮은 비용의 방향으로 성공적으로 발전되었다. 하지만 복잡한 기술, 제조 단가와 물리적 한계 관점에서 미래의 나노 시대에 성공적인 발전이 지속될 수 있을지 없을지에 있어서 중요시 된다.전통적인 메모리가 예상되는 문제는 많은 연구 그룹과 회사들이 힘이 되었다. 전통적인 메모리는 동시에 모든 것을 만족 시킬 수는 없지만, 이상적인 메모리의 새로운 형태는 주가 변동이 없고, high density, high speed 그리고 낮은 파워 소비에서의 긴 수명, 좀 더 나아진 기술적 한계, 더 나은 performance를 갖는 것이다. 불행하게도 많은 노력에도 불구하고, 제조가능성과 수명의 모든 조건을 만족 시킬만한 기술은 없었으며, 그리고 performance 또한 오늘날까지 나타나지 않았다. 앞으로 모든 요건들을 맞출 수 있는 메모리가 가능할지는 알 수 없다. 이상적인 메모리를 얻고자 하는 노력으로 비록 수명이나 기술적 한계가 충분히 알려지지는 않았지만, FRAM, MRAM, PRAM 등이 가능성이 있는 재료로 나타나게 되었다.전통적인 메모리 스케일링의 한계에 대하여 말하면 다음과 같다. 전통적인 메모리가 수많은 장애와 직면하면서 발달하는 동안 대부분 결정적인 문제가 해결되어 졌다. 또한 전통적인 메모리 형태가 실패의 기술적 원인과 특성을 연구하기 위한 node이다. 해법을 찾기 위한 수많은 전통적인 메모리 기술 양상들이 속속들이 연구되어져 왔다. 결과적으로 우리는 모든 문제에 대한 결정적인 해답이 없을지 모르지만 그 사이에 우리는 다양한 전통적인 메모리에 대해 대체적으로 짐작 할 수 있다.전통적인 메모리의 수명은 CMOS transistor 보다 짧을 것이란 것을 분명히 예상한다. DRAM 기술적인 스케일링에서 결정적인 한계는 memory cell array transistor이다. 그것node로 근접하게 도달 할 수 있을 것으로 기대된다. NAND Flash는 DRAM, NOR Flash보다 좀 더 스케일링이 가능하다. 그 이유는 cell architecture가 치밀하고 device physics와 다르기 때문이다. 하지만 NAND Flash 메모리에서 cell과 cell interfere nce는 기술적인 한계이다.word line 따라 공간이 줄어들고 coupling capacitance 와 두 개의 근접한 floating gate 사이에서 좀더 판단되어진다. cell이 프로그램 된 상태일 때 이웃한 cell의 state에 의해 영향을 미친다. 결과적으로 프로그램 된 cell의 Vth 이다. 이것은 data read 실패에 따른다고 할 수 있다. 지금까지의 메모리 기술을 건너 뛸 수 있는 새로운 형태의 메모리의 기술을 살펴보면 FRAM, MRAM, PRAM 등을 말 할 수 있다. FRAM, MRAM, PRAM과 같은 새로운 형태 메모리는 전부 비휘발성이고, DRAM, SRAM 보다 소비전력을 줄일 수 있다. 이러한 것들은 핸드폰이나 퍼스널 디지털 assistant와 같은 모바일 시스템에서 궁극적으로 중요하다. 새로운 메모리의 중에서 MRAM에 대하여 좀더 알아보면 MRAM (Magnetic RAM)은 플로피디스크나 하드 디스크와 같이 자기에 의해 데이터를 기억하는메모리로서 스핀 의존 전기 전도에 의해 생기는 강자성 터널 자기저항 효과(Tunnel Magneto Resistance:TMR) 소자를 이용한 것이다. TMR 소자는 (그림 1)과 같이 2개의 강자성층이비자성층을 끼운 3층 구조로 강자성층에는 변이 금속자성원소(Fe, Co, Ni) 및 그것들의 합금(CoFe, NiFe 등)이 채용되고 있다. 여기에서 (그림 1(a))와 같이 상하 2개의 강자성 층의 곁에 2개의 전선을 배합하고, 상부의 전선에는안쪽에서 앞으로, 하부의 전선에는 앞에서 안쪽으로 전류를 흘려 보냈을 경우, 양쪽의 강자성층과 함께 그림의 오른쪽의 방향에서 자계가 발생체보다 우수한 성능을 가진다. 최근에 멀티미디어의 발달과 더불어 취급 정보량이 점점 많아지기 때문에 기록밀도 향상이 매우 중요하게 되었다.자기기록 기술의 발전사는 크게 세 가지로 특징지을 수 있다. 첫째 테이프에서 시작해 자기드럼을 거쳐, 플로피디스크 드라이브(FDD)나 하드디스크 드라이브(HDD)와 같은 디스크 타입으로 매체의 형태가 변화했다. 이는 달리 말하면 정보처리 속도가 향상되는 방향으로의 변화다. 둘째 부피는 작아지면서도 오히려 정보 저장 용량은 급속히 증가되는 방향으로의 변화다. 셋째 정보처리 속도가 급속히 증가했음에도 불구하고 기록·재생의 정확성이 꾸준히 향상돼 왔다. 이는 제품의 신뢰성이 향상되는 방향이다. 첫째와 둘째는 기록매체와 기록·재생장치(헤드) 제조기술의 발달에 바탕을 두고 있으며 셋째는 신호처리(아날로그에서 디지털로) 및 구동방식(헤드 구동)의 발달에 바탕을 두고 있다.자기기록 기술은 크게 ①정보가 저장되는 기록매체 ②정보를 저장하는 기록헤드 ③기록된 정보를 판독하는 재생헤드로 이루어진다. 기록매체로는 테이프와 디스크, 카드 등이 있는데, 이들은 각각 자기정보를 기록할 수 있는 산화물 또는 금속 자성물질을 테이프나 디스크, 플라스틱 또는 종이에 도포해서 만든다. 기록헤드와 재생헤드는 일반적으로 고리모양을 한 자기철심에 머리카락 굵기의 가는 전선을 코일로 감아 만든 전자석을 사용한다. 최근에는 박막 형태로 전자석을 만든 박막헤드나 자기저항 헤드가 기록헤드와 재생헤드로 쓰인다.2-2. 자기저항 (magnetoresistance)자장을 가함으로써 전기저항이 변화하는 현상을 말한다. 보통 자장 증가에 대해 전기저항이 증가하자만, 반대인 경우를 특히 음의 자기저항효과라고 한다. 그리고 자장과 전류방향이 직류인 쪽의 효과가 일반적으로 현저하다.(세로효과) 금속전자의 산란기구와 페르미면의 이방성에 기인하고 있어 자기저항 측정으로 페르미면의 형태에 대한 견해를 얻을 수 있다.자기저항 메카니즘자기저항(magnetoresistance : MR)이란 위 다층에서 비슷한 자기저항(magnetoresistance)에 반응하는 것이 발견되었다. 이 효과는 다층과 평행하게 가해진 외부의 자기장에 따른 내부 층의 계면에서 전자 산란의 변화로부터 일어난다. 외부의 자기장이 없는 교대로 쌓인 자기 층에서의 스핀은 반-강자성 결합(anti-ferromagnetic coupling)으로 반대로 정렬되고 최대의 산란(scattering)이 일어난다. 반면에 충분히 강한 양이나 음의 방향인 외부자기장 속에서는 외부 장에 따라 정렬하고 따라서, 계면에서의 산란은 줄어든다. 그러나 이러한 교대로 쌓인 층의 세트 또는 1차원으로 조절된 나노층은 GMR을 나타내는 단 하나의 구조가 아니라는 것이 관찰되고 거대자기저항현상은 다층막(multilayer) 또는 미세입상 합금박막(granular system) 구조를 가진 재료에서 스핀산란(spin dependent scattering)에 의해 발생된다고 이해되고 있다. GMR재료는 구조에 따라 스핀 밸브구조[3], 인공 초격자 구조[4], 낟알구조(granular)[5]로 나눌 수 있다. 인공 초격자 구조나 granular구조의 경우는 자기저항비가 크지만 포화자계가 커서 상업화하기에는 더 많은 연구가 필요하다. 그러나 스핀 밸브 구조의 경우 포화자계가 작아서 재생헤드로 적용이 가능하지만 memory재료로 사용하기에는 MR비가 작은 것이 단점이다.GMR HeadHDD는 자성물질의 자화방향에 따라, 디지털 정보인 ‘0’과 ‘1’을 저장하고 있으며, 이 자화된 bit에서 나오는 자기장의 변화에 따라 헤드에 유도되는 저항의 변화를 감지하여 정보를 읽게 된다. 이 헤드의 민감도가 클수록 보다 작은 면적에 자기정보를 저장할 수가 있으며, 이는 곧 정보저장밀도의 증가를 가져 올 수 있는 것이다.그림 3. GMR 헤드의 구조그림 3. 은 GMR 헤드의 기본구조를 보여주는 것으로, 반강자성으로 고정된 고정층(Pinned layer), 하드디스크드라이브(HDD)의 자성층에서 나오는 자기장에 의해 역전되는 센에 의해 의존하게 되어 두 전극의 자화방향이 같은 경우 한 전극의 점유된 state 다른 전극의 점유 가능한 state 수가 최대가 되어 터널링 전류가 최대가 되고 자화방향이 다른 우 터널링 전류는 최소가 된다.이러한 원리를 이용하여 기존 DRAM의 capacitor를 대치한 storage cell로써의 역할을 가능하게 한다.TMR재료는 다른 자기 저항(GMR, CMR 등) 재료에 비해 자기 저항비가 크고, 포화자계도 작으며, 전류가 CPP (current perpendicular to plane) mode로 흐르기 때문에 고집적이 가능하여 MRAM의 재료로 유리하다.2-3. MRAMDRAM의 읽기, 쓰기 속도가 빠르다는 장점에 전원공급이 중단되면 기록되어 있는 내용이 지워진다는 단점을 보안한 차세대 메모리는 IBM에서 74년부터 꾸준히 개발해 오던 MRAM이다. 이 메모리는 하드디스크의 정보를 기록하는 소재인 마그네틱 재료를 사용하기 때문에 하드디스크와 메모리의 중간 형태라고 할 수 있다.MRAM 구현의 핵심 기술은 우수하고 안정적인 자기저항 특성을 나타내는 자기박막의 제조기술과 기존의 반도체 회로와 공정을 이용한 집적 공정기술이라 할 수 있다. 터널링 자기저항현상을 이용한 자기 터널링 접합소자(MTJ : Magnetic Tunneling Junction)는 우수한 특성의 비휘발성 MRAM 개발에 가장 적합한 박막 소재로 각광받고 있다.MRAM에 사용되는 MTJ의 구조는 2장의 강자성 박막 사이에 얇은 절연막을 끼워 넣은 샌드위치 구조를 DRAM의 캐패시터 대신 활용하는 것이다. 이 샌드위치 구조를 흔히 자성접합구조라고 한다.자성접합구조를 가로지르는 방향으로 전류를 흘려주면 절연막의 두께가 충분히 얇은 경우 미약하지만 전류가 통한다. 물론 이것만으로는 0과 1을 구분할 수 없지만,각각의 강자성 박막층은 자석으로 비유하자면 N극과 S극에 해당되는 극성을 는다. 자성접합구조는 2장의 강자성 박막층이 가리키는 자극의 방향이 서로 동일하게 배열될 경우, 정반대 방향다.

공학/기술| 2006.06.12| 16페이지| 2,000원| 조회(1,136)

ram, 메모리, MRAM, 차세대메모리, 자기저항

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[고체물리]차세대 메모리

1. 서론21세기에 들어서면서 정보화, 지식화가 심화됨에 따라 개인의 데이터 저장량은 폭발적으로 늘어나고, 인터넷의 이용이 시간과 장소에 구애받지 않아 언제 어디서나 대용량의 정보를 다운로드 할 수 있는 휴대용 정보기기의 보급이 급증할 전망이다.이러한 시대적 요구에 발맞추어 초소형 대용량 저장장치의 필요성은 점차 증가하고 있어 단위소자당 1Tb급의 정보저장용량과 수십 Gb/s 급 이상의 속도를 갖는 정보저장장치와 부품기술의 대두가 예상된다.시장규모를 살펴보아도 세계 정보저장장치 산업은 99년에 470억달러 정도의 거대한 규모의 시장을 형성하여 반도체 메모리인 D램/S램의 240억 달러 시장규모를 앞질렀음을 알 수 있다. 특히 주목할 점은 향후 정보저장장치의 응용분야가 PC 위주에서 Non PC분야로 확대되어 휴대형 정보저장장치의 기술개발이 시급하다는 점이다.따라서, 앞으로의 차세대 정보저장장치는 DRAM이상의 높은 기록밀도와 높은 데이터 전송속도, 빠른 접근시간(access time) 및 낮은 가격, 비휘발성이거나 전력소비를 최소화 할 수 있는 조건을 갖추어야 할 것이다. 이 때문에 향후 10년을 바라보며 이루어지는 차세대 메모리 개발은 위 조건 이외에 독자적인 특징을 내세워 이미 진행 중에 있다.그 대표적인 예로는 FRAM (강유전 메모리), MRAM (강자성 메모리), PRAM (상전이 메모리) 등이 있으며 여기서는 MRAM에 이용되는 자기저항현상과 MRAM의 원리 및 특징에 대해 알아보도록 하자.2. 본론2-1. 자기기록기술카세트테이프, 비디오테이프, 플로피디스크, 하드디스크, 현금카드, 예금통장, 전화카드, 전철표 등 생활주변의 물품들은 어김없이 자기기록을 이용해 정보가 저장되고 재생된다. 여러 번 반복해서 기록과 재생이 가능하고, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환해 저장하면 정보가 안전하고 우수한 음질과 화질을 얻을 수 있기 때문에 오늘날 정보저장 방식 중에서 가장 널리 쓰이고 있다. 이렇게 자기기록 기술은 여러 가지 관점(bit당 가격, rando를 판독하는 재생헤드로 이루어진다. 기록매체로는 테이프와 디스크, 카드 등이 있는데, 이들은 각각 자기정보를 기록할 수 있는 산화물 또는 금속 자성물질을 테이프나 디스크, 플라스틱 또는 종이에 도포해서 만든다. 기록헤드와 재생헤드는 일반적으로 고리모양을 한 자기철심에 머리카락 굵기의 가는 전선을 코일로 감아 만든 전자석을 사용한다. 최근에는 박막 형태로 전자석을 만든 박막헤드나 자기저항 헤드가 기록헤드와 재생헤드로 쓰인다.2-1-1. 자기저항 (magnetoresistance)자장을 가함으로써 전기저항이 변화하는 현상을 말한다. 보통 자장 증가에 대해 전기저항이 증가하자만, 반대인 경우를 특히 음의 자기저항효과라고 한다. 그리고 자장과 전류방향이 직류인 쪽의 효과가 일반적으로 현저하다.(세로효과) 금속전자의 산란기구와 페르미면의 이방성에 기인하고 있어 자기저항 측정으로 페르미면의 형태에 대한 견해를 얻을 수 있다.2-1-2. 자기저항 메카니즘자기저항(magnetoresistance : MR)이란 위에서 서술한 바와 같이 어떤 물질의 전기 저항이 변화되는 현상으로 그 메커니즘은 여러가지가 있다.첫 번째는 홀 효과에 의한 것으로 반도체 물질에 자기장을 가하면 전도전자가 로렌츠 힘을 받아전자의 궤적이 원형을 그리게 됨으로써 앞으로 나아가는 것을 방해하는 저항이 생긴다. 이를 흔히 정상 자기저항(ordinary magnetoresistance : OMR)이라 부르고 1%미만의 상당히 작은 크기를 갖는다.두 번째는 정상 자기저항에 부가적으로 강자성 물질에서 나타나는 자기저항이 있다. 이것은 스핀-궤도 결합에 기인한 것으로 자기저항은 강자성체의 자화용이 축, 외부 자기장과 전류간의 방향에 의존하며 이를 이방성 자기저항 (AMR :anisotropic magnetoresistance) 이라 부른다. 퍼머로이계 합금의 경우 상온에서 약 2% 정도의 변화를 보인다.세 번째는 인접한 자성층 사이를 전도 전자가 통과할 때 스핀 방향 차이에 따른 스핀 의존 산란에 기인한 거대 자기 이용되는 MR비는 이의 1/4인 0.5% 정도로서 매우 낮다.이처럼 낮은 MR 비는 소자의 밀도를 높이는데 큰 문제가 되고 있으며, 또한 소자의 속도를 느리게 하는 요인이 된다.이러한 이유로 인하여 AMRAM의 가격은 다른 경쟁제품에 비하여 높기 때문에 응용이 특수한 분야에 한정되고 있는 실정이다.반면 GMR 및 TMR 현상을 이용한 메모리 소자(이를 각각 GMRAM 및 TMRAM 간략히 칭함)는 출력이 AMR에 비하여 매우 높아 AMRAM이 가지는 문제들을 근원적으로 해결할 수 있을 것으로 기대되고 있으며, 따라서 이에 대한 연구가 현재 활발히 이루어지고 있다.GMR거대 자기저항(Giant magnetoresistance : GMR)은 1988년에 A. Fert와 공동작업자들이 Fe와 Cr의 나노 크기 다층을 겹겹이 쌓으면서 발견한 나노크기의 현상이다(Baibich et al. 1988). 강자성체(즉, Fe, Co, NiFe)와 약자성 또는 자성이 없는 물질(즉, Cr, Cu, Ag)의 짝으로 이루어진 많은 수의 물질들의 다층에서 비슷한 자기저항(magnetoresistance)에 반응하는 것이 발견되었다. 이 효과는 다층과 평행하게 가해진 외부의 자기장에 따른 내부 층의 계면에서 전자 산란의 변화로부터 일어난다. 외부의 자기장이 없는 교대로 쌓인 자기 층에서의 스핀은 반-강자성 결합(anti-ferromagnetic coupling)으로 반대로 정렬되고 최대의 산란(scattering)이 일어난다. 반면에 충분히 강한 양이나 음의 방향인 외부자기장 속에서는 외부 장에 따라 정렬하고 따라서, 계면에서의 산란은 줄어든다. 그러나 이러한 교대로 쌓인 층의 세트 또는 1차원으로 조절된 나노층은 GMR을 나타내는 단 하나의 구조가 아니라는 것이 관찰되고 거대자기저항현상은 다층막(multilayer) 또는 미세입상 합금박막(granular system) 구조를 가진 재료에서 스핀산란(spin dependent scattering)에 의해 발생된다고 이해되고 있다.층과 센서층의 중간에 위치한 전도층(conducting layer)으로 구성되어져 있다. 거대자기저항(GMR; Giant Magneto-Resistance) 효과는전도층을 흐르는 전자의 전기 전도도가 고정층과 센서층의 자화방향이 평행할 경우 커지고, 반평행할 경우 작아지는현상을 말한다. GMR 헤드이전에 사용되던 AMR(Anisotropic Magnetoresistance) 헤드의 민감도는 2% 정도였으나, GMR 효과는 민감도가 10%에 달해 그 민감도를 대폭 향상시킬 수가 있게 되었다. 그 결과 수십 Mbit/in2에 머물렀던 HDD의 집적도는 GMR 헤드의 출현으로 오늘날의 수십Gbit/in2로 급속히 그 기록밀도를 상승 시킬 수 있었다.CMR초거대 자기저항은 거대 자기저항보다 훨씬 큰 저항 변화를 보이기 때문에 붙여진 이름으로, 페로브스카이트peroveskite) 망간 산화물 La1-xAxMnO3 (A=Sr, Ba, Ca) 박막 및 Nd0.5Pb0.5MnO3 단결정에서 최대 7,000 %의 엄청난 자기저항이 77 K, 6 T 조건에서 관측 되었다.CMR 물질의 특성 및 장점은 다음과 같다.1. Perovskite 구조의 망간산화물에서 발현된다.2. 전기 저항(Ro)는 전이온도에서(Tsc-m)에서 금속(+dp/dT)으로부터반도체(-dp/dT)로의 전이가 관찰된다.3. 자기장을 인가하는 경우 자기저항(RH)는 크게 감소하는 반면 전이온도는 고온쪽으로의 이동이 관찰된다.4. 최대자기저항비는 큐리온도(TC)보다 약간 낮은 곳에서 최대가 발현된다.이러한 특성을 갖는 CMR현상에 대한 이론으로는 이중교환 상호작용, Jahn-Teller effect, Lattice distortion and Size effect, Magnetostructural effect, Charge Ordering등이 있으나 아직까지는 완전한 이론이 확립되지 않았다. 근래에 들어서 Charge Ordering에 학계에 많은 관심이 모아지고 있으며 이러한 CMR현상 규명을 위한 많은 연구가 활에 의해 의존하게 되어 두 전극의 자화방향이 같은 경우 한 전극의 점유된 state 다른 전극의 점유 가능한 state 수가 최대가 되어 터널링 전류가 최대가 되고 자화방향이 다른 우 터널링 전류는 최소가 된다.이러한 원리를 이용하여 기존 DRAM의 capacitor를 대치한 storage cell로써의 역할을 가능하게 한다.TMR재료는 다른 자기 저항(GMR, CMR 등) 재료에 비해 자기 저항비가 크고, 포화자계도 작으며, 전류가 CPP (current perpendicular to plane) mode로 흐르기 때문에 고집적이 가능하여 MRAM의 재료로 유리하다.2-3. MRAMDRAM의 읽기, 쓰기 속도가 빠르다는 장점에 전원공급이 중단되면 기록되어 있는 내용이 지워진다는 단점을 보안한 차세대 메모리는 IBM에서 74년부터 꾸준히 개발해 오던 MRAM이다. 이 메모리는 하드디스크의 정보를 기록하는 소재인 마그네틱 재료를 사용하기 때문에 하드디스크와 메모리의 중간 형태라고 할 수 있다.원리MRAM 구현의 핵심 기술은 우수하고 안정적인 자기저항 특성을 나타내는 자기박막의 제조기술과 기존의 반도체 회로와 공정을 이용한 집적 공정기술이라 할 수 있다. 터널링 자기저항현상을 이용한 자기 터널링 접합소자(MTJ : Magnetic Tunneling Junction)는 우수한 특성의 비휘발성 MRAM 개발에 가장 적합한 박막 소재로 각광받고 있다.MRAM에 사용되는 MTJ의 구조는 2장의 강자성 박막 사이에 얇은 절연막을 끼워 넣은 샌드위치 구조를 DRAM의 캐패시터 대신 활용하는 것이다. 이 샌드위치 구조를 흔히 자성접합구조라고 한다.자성접합구조를 가로지르는 방향으로 전류를 흘려주면 절연막의 두께가 충분히 얇은 경우 미약하지만 전류가 통한다. 물론 이것만으로는 0과 1을 구분할 수 없지만,각각의 강자성 박막층은 자석으로 비유하자면 N극과 S극에 해당되는 극성을 는다. 자성접합구조는 2장의 강자성 박막층이 가리키는 자극의 방향이 서로 동일하게 배열될 경우, 정반대 다.

공학/기술| 2006.06.12| 7페이지| 2,000원| 조회(488)

FRAM, 차세대 메모리, MRAM, PRAM, 자기저항

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[금속공학] 마르에이징강(Maraging steels)에 대하여 평가A+최고예요

Maraging steels Maraging steel 이란? -우수한 인성.연성을 나타내는 초강력 강을 얻기위해 개발. 고 Ni의 고순도 진공 용해 극저 탄소강 Maraging steel 의 제조 공정 (고순도+저탄소+고Ni)→VM에서 용해→quenching →age hardening Maraging steel 의 특징 -저탄소.고순도.고Ni -서냉하여도 Martensite 생성 -Martensite에 미세 lath 생성18% Ni steel (Ⅰ) 조성:18%Ni + Mo or Co with Ti,Al +B,Zr,Ca 표 1. 18% Ni강의 조성 열처리 방법 850~870℃ 용체화 처리→quenching →age hardening 그림 1. 18%Ni Maraging강의 열처리18% Ni steel (Ⅱ) 특징 Mf 〉R.T ⇒ quenching 후 거의 Martensite변태 석출상 : plate의 Ni3Mo+Ni3Ti(과시효시 Fe3Mo) Co는 석출 경화효과를 극대화 과시효 또는 높은 온도에서의 시효로 인한 오스테나이트상 생성 시효전 50% 냉간가공으로 고강도 표 2. 18%Ni강의 특성 그림 2. 18%Ni마르에이징 강의 시효에 미치는 Mo와 Co의 영향20% Ni steel 조성:18%Ni→20%Ni / Mo.Co→1.5%Ti,0.25%Al,0.5%Nb 특징 -18%Ni 보다 Ms온도 저하 -시효 경화 석출물:Ni3(Al,Ti), Ni3Nb -고가, 상업적 이용 어려움 -시효전 냉간가공→고강도 표 3. 20%Ni마르에이징강의 특성 그림 3. 20%Ni마르에이징강의 열처리25% Ni steel (Ⅰ) 조성:25%Ni+1.5%Ti,0.25%Al,0.5%Nb 특징 용체화 처리후 모든 상이 오스테나이트로 존재. 시효전 Mar화 필요. ⇒Ausaging, Cold work and refrigeration 고가. 상업적 이용 힘듬 Ausaging - 를 700℃에서 시효→ Ni3(Al,Ti)또는 Ni3Nb석출 →고용 Ni,Al,Ti감소, Ms 상승→냉각시 Martensite형성 -Ausaging으로 형성된 Ni3(Al,Ti)는 를 경화→Martensite변태시 정합성 손실. -Martensite 변태 후 age hardening 시 석출량 감소, 강화도 저하25% Ni steel (Ⅱ) Cold work and refrigeration -용체화 처리 후 를 25%이상 cold work(Ms 상승)→심냉처리 →Martensite로 전부 변태 -냉간 가공으로 석출강화 효가 큼. Ausaging보다 강도 높음 표 4. 25%Ni마르에이징 강의 특성 그림 4. 25%Ni마르에이징 강의 열처리대체형 마르에이징강 -Ni을 ⇒ Mn, Co, Cu, Cr 등으로 대체 (강도 동일, 인성 저하) -Age hardening 재료(Co,Mo)를 대치 (강도 동일, 인성 저하) • strong age hardener : Al-Ti, Ti, Be • moderate age hardener : Al, Nb, Mn, Si, Ta, V, W • weak age hardener : Co, Cu, Zr -Ni를 부분적으로 Cr로 치환 : 내식성 향상 (δ-페라이트 형성 없고 Ms낮아지지 않게 하는 합금 설계 필요) •0.02%C, 10%Ni, 10%Cr, 2%Mo, 0.3%Al, 0.2%Ti 강 그림 5.18%Ni마르에이징 강의 강 :시효경화 그리 높지 않음, 항복강도 111~140kg/mm² 도에 미치는 첨가 원소의 영향 충격치는 18%Ni-Co-Mo강과 비슷 •0.02%C, 7%Ni, 10%Cr, 10%Co, 5.5%Mo 강 :고가이기는 하나 시효경화 높다. 항복강도 150~160kg/mm² Cr량을 증가시켜 Ni3Mo 이외에 Cr-Co-Mo 화합물 석출로 강도 상승일반적 성질과 적용 -18%Ni-5%Mo-8%Co강은 널리 시판되고 Martensite와 비교하면 우수한 인성을 나타내고 용접성도 우수. -고순도, 고가원소, VM사용,열처리 등으로 인해 고가. -용도:초강력 경량 구조용 재료 (군용다리, 특수기어, 항공기 정지훅 등) 그림 6. 18%Ni마르에이징강과 소입소려 초강력강의 충격치 ㅜ 표 5. 대체형 마르에이징 강의 특성{nameOfApplication=Show}

공학/기술| 2004.10.19| 9페이지| 1,500원| 조회(2,336)

금속재료, 마르에이징, 재료설계, Maraging steel, Ni steel

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[금속공학] 침탄시험

탄소강의 침탄실험1. 실 험 방 법① 0.02%C의 철사를 2㎝정도의 길이로 자른다.② 철사의 자른단면을 폴리싱한다.③ 부식액(나이탈)로 부식하고 현미경으로 표면을 관찰한다.④ 비커스 경도계로 경도를 측정한다.⑤ 철판을 용접하여 정육면체 케이스를 만들고 철사와 carbon가루와 함께 넣고 용접해서 밀봉한다.⑥ 전기로에 넣고 가열(약 1000℃)하여 침탄처리한다.⑦ 일정시간이 지나면 정육면체 케이스에서 철사를 꺼내어다시 폴리싱하고 부식액으로 부식한 뒤 현미경으로 침탄조직을 관찰하고 경도를 측정한다.2. 실 험 결 과◎ 순철 및 조별 측정부위에 따른 경도값과 침탄 시간중심경도값(Hv)중간경도값(Hv)외각경도값(Hv)침탄시간순철699842730-1조598598평 균60313491349평 균893.614631463평 균12312시간------2조389395.5560474.5862872.53시간402389883-3조-------------4조741679.6904917.617951796.31시간6*************7618585조6*************87981시간------6조699*************2612263시간------※애칭액 : 나이탈 , 침탄온도 약 1000℃◎ 그래프를 이용한 경도값비교◎ 순철 및 조별 조직사진중 심중 간외 각순철1조.2 시간2조.3 시간3. 비고 및 고찰이번 실험은 순철에 탄소를 침탄시킴으로 처음 순철조직의 미세조직, 경도와 침탄된 미세조직 및 경도의 차이를 비교하는 것이다. 또한 침탄시 각 조별로 침탄시간을 다르게 함으로서 시간에 따른 침탄의 차이도 비교할 수 있다.침탄으로 인하여 우리가 얻을 수 있는 성질은 표면에 탄소가 침탄하면서 침탄부는 경하고 중심부는 강인하여 상반된 두 가지 성질을 재료로부터 얻을 수 있다. 침탄 후 만약 급냉을 한다면 저탄소강의 중심에부 덧붙여지는 우수한 내마멸성과 내피로성을 갖는 고탄소 martensite층을 얻는 것이다. 하지만 이번 실험의 경우 급냉을 하지는 않았다. 하지만 침탄으로 인하여 침탄부위의 경도가 올라가는 것을 예상할 수 있다. 즉 이로부터 우리는 침탄 시험한 순철조직의 경도가 외부로 갈수록 증가될 것이라고 예상할 수 있다.침탄속도는 침탄제 및 강재의 종류, 가열온도, 가열시간에 따라서 달라지며 침탄량은 강표면에 침입하는 탄소량과 이것이 내부에 확산해가는 속도에 의해서 결정된다.침탄온도와 시간에 따른 침탄깊이 및 탄소농도에 관한 위의 두 그래프에서 온도가 높을수록 그리고 침탄시간이 길수록 침탄 깊이가 깊어지고 탄소의 농도가 높진다는 것을 알 수 있다. 우리는 실험에서 온도는 각 조별로 동일한 온도를 사용하였다. 조별로 차이를 준 것은 침탄의 시간이었고 그에 따라 침탄의 깊이가 1시간→2시간→3시간의 순으로 깊어질 것이라고 생각할 수 있다. 탄소의 농도 또한 외각으로부터 같은 거리 떨어져 있는 곳을 비교하였을 때 장시간 침탄한 시편의 탄소 농도가 더욱 높을 것이다.실험으로부터 얻은 경도값을 비교해 보면 중심부에서는 시간에 상관없이 모든 조의 경도값이 600～700정도의 값으로 큰 차이를 나타내지는 못했다. 즉 순철에서의 경도값과 거의 차이를 나타내지 않았는데 오히려 조별 평균값을 보면 순철에서 보다 낮은 경도값을 볼 수 있다. 이것은 중심부 까지는 아직 침탄의 영향이 그리 크지 않다는 것을 알 수 있다. 또 침탄의 영향을 별로 받지 못하였지만 침탄 실험 중 열처리로 인하여 오히려 경도가 낮아진 것이 아닌가 하는 생각을 해볼 수 있다. 중간부분에서는 1시간을 침탄한 4조와 5조가 917과 720의 경도값을 나타내었고 2시간을 한 1조는 1349, 3시간을 한 2조와 6조는 474.5와 1007의 경도값을 나타내었다. 중심부와 비교하였을 때는 데이터의 그래프에서 비교해 보아도 중심부의 경도값보다 경도값이 올라가고 있는 것을 확연히 볼 수 있다. 그뿐아니라 순철에서의 경도값보다 중간부에서는 더 높은 경도값을 볼 수 있어 이 부근에서는 탄소의 침탄이 이루어 졌으며 침탄에 따른 경도의 향상을 알 수 있다. 하지만 2조의 경우 3시간의 침탄에도 불과하고 경도값이 너무 낮게 나오는 것으로 보아 경도 측정에서 오차가 있었던 것이 아닌가 하는 생각이 든다. 같은 시간을 실시한 조에서도 경도의 차이가 나타나는 것은 각 조별로 침탄의 정도가 다르거나 경도를 측정하는 부분에 있어 서로 다른 부분을 측정함으로 인해 차이가 나타났을 것으로 생각한다. 특히 침탄 시험시 정육면체 케이스를 만들 때 용접을 정확히 하지 못하여 완전히 밀봉이 되지 않았을 경우 침탄이 않되었을 것이다. 즉 완전히 밀봉되지 않은 케이스의 C가 가열시 외부로 방출되어 침탄이 충분히 이루어지지 않았을 거라 생각한다. 한편 조별로 케이스의 크기와 침탄제의 양이 서로 다른 것 도 침탄에 영향을 주었으리라 생각해 본다. 1시간을 침탄한 조보다는 2조를 제외하고 2시간과 3시간을 침탄한 조가 더욱 높은 경도를 보임으로써 장시간 침탄으로 더 많은 침탄깊이 또는 탄소의 농도가 나타났다고 생각 할 수도 있겠다. 하지만 2시간을 침탄한 1조보다 3시간을 침탄한 6조의 경도가 더욱 낮은데 이것은 위에서 말했던 경도 측정부위의 차이나 밀봉의 문제, 케이스크기나 침탄제의 양의 문제 아닌가 생각된다.외각의 경우 역시 중심에 비하여서는 모든 조에서 경도가 높아진 것을 볼수 있었고 침탄 시간별로 비교를 하였을 때는 1시간을 침탄한 4조의 경우가 가장 높게 나왔다. 외각역시 그래프를 이용하여 비교해보면 순철이나 중간 중심 부분의 경도보다 향상되어 있는 것을 쉽게 볼 수 있다.경도값으로 비교하였을 때 침탄시간이 같은 조의 것을 비교하였을 때에는 중심. 중간. 외부의 순으로 확연히 경도의 증가를 볼 수 있어 탄소의 침탄으로 인한 경도의 증가효과를 알 수 있었지만 서로 다른 침탄 시간에 따른 침탄층의 깊이나 탄소농도 경도의 증가는 각각의 경도 측정의 부위가 일정하지 않으며 침탄실험 과정에서의 오차로 인하여 정확히 비교하기가 어렵다.조직사진에서는 시간에 따른 침탄의 차이를 경도측정에 의한 방법 보다는 좀더 확연히 알아볼 수 있다. 경도 측정의 경우에 조별로 약간씩의 오차가 있었던 것 같지만 침탄 시편의 중심부 사진을 보면 침탄한 시편들의 조직이 순철 조직에서 처럼 순수한 ferrite보다는 탄소의 침탄으로 인한 pearlite의 양이 증가함을 볼 수 있다. 또 경도 측정에서는 경도 값에 크게 영향을 주지는 못했지만 1시간 침탄한 조직들의 사진보다는 2시간 3시간의 순으로 더 많은 양의 pearlite 조직을 볼 수 있다. 사진으로 부터 침탄이 중심부까지 적지만 탄소의 영향이 미쳤다는 것을 알 수 있다. 1시간 침탄 시험한 조직의 경우에 중심부의 모습이 거의 순철조직과 비슷해서 침탄이 거의 이루어지지 않았을 것으로 생각된다.

공학/기술| 2003.04.20| 8페이지| 2,000원| 조회(748)

침탄, 침탄시험, 경도측정, 침탄속도, 순철조직

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