KR101443033B1

KR101443033B1 - 자기소용돌이 구조와 나노 링 자성박막을 이용한 미세 모터

Info

Publication number: KR101443033B1
Application number: KR1020130011061A
Authority: KR
Inventors: 김상국; 최윤석; 유영상
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2013-01-31
Filing date: 2013-01-31
Publication date: 2014-09-22
Anticipated expiration: 2033-01-31
Also published as: KR20140098427A

Abstract

본 발명은 자기소용돌이 구조와 나노 링 자성박막을 이용한 미세 모터에 관한 것이다. 본 발명은 링 형상으로 형성되며, 위치가 고정된 두 개의 자구벽을 포함한 어니언(onion) 구조의 스핀 배열을 갖는 제1 자성박막; 및 상기 제1 자성박막의 내부에 위치하며, 자기소용돌이가 형성되는 제2 자성박막을 포함한다.
본 발명은 이와 같은 구조에 따라 초미세의 크기로 제조될 수 있을 뿐만 아니라, 초고속으로 회전할 수 있는 모터의 제작이 가능하다. 따라서, 본 발명은 반도체 칩 및 약물전달 소자 등 다양한 초소형 정밀기계기술 분야에 널리 활용될 수 있다.

Description

자기소용돌이 구조와 나노 링 자성박막을 이용한 미세 모터{Micro Motor Using Magnetic Vortex and nano-ring}

본 발명은 미세 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기소용돌이(magnetic vortex)를 이용한 초미세, 초고속의 모터 및 이를 포함하는 응용 소자에 관한 것이다.

최근 정보 저장 및 처리와 통신 산업의 눈부신 발전에 따라 주요 부품 소자 산업의 기술개발 방향은 소자의 크기 축소에 집중되어 왔다. 특히, 기계소자분야에서는 마이크로미터(micrometer) 및 그 이하 크기의 시스템 구축에 관심이 집중되고 있다.

이른바 MEMS(Micro Electro Mechanical System)로 일컬어지는 초소형 정밀기계기술은 “단순히 작은 기계”의 제작에서 벗어나, 반도체 미세가공기술을 이용하여 하나의 칩에 회로와 더불어 기계적 기능을 지니는 발동자(actuator)를 함께 구축하는 것이다(System on Chip; SoC). 이러한 MEMS의 기술적 특징으로는 소형화, 경량화, 다기능화, 고속화, 지능화 등이 있으며, 이는 미래 첨단 기술 산업의 핵심이 될 것이다.

또한, MEMS 산업은 기계와 전자 산업의 융합을 통하여 다양한 산업분야로 파생되어, 최근에는 항공우주, 군사, 정보통신, 자동차, 엔터테인먼트, 바이오, 의료, 가전, 환경, 산업 프로세스 등에 광범위하게 응용되고 있다.

그러나, 지금까지 성공적으로 상업화된 MEMS 제품은 잉크젯프린터 헤드, 압력센서, 가속도 센서, 디스플레이 소자 등으로 매우 한정되어 있다. 특히, 기계적 구동을 담당하는 발동자의 개발은 3차원 구조를 형성해야 하는 기술적 어려움 때문에 매우 더디게 발전하고 있다.

예를 들어, 발동자 혹은 모터를 소형화 하기 위해 많은 시도가 있었으나 수십 밀리미터 수준에 그치고 있으며, 자성체를 이용한 미세 모터를 제외하면 그 속도 및 돌림힘밀도(torque density)가 첨단 산업 분야에의 적용을 위해 요구되는 수준에 크게 미치지 못하는 실정이다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명의 목적은 독특한 형상 및 스핀(spin) 배열을 갖는 자성박막을 이용함으로써 극히 미세한 크기로 초고속의 회전 속도를 구현할 수 있는 미세 모터 및 응용 소자를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 링 형상으로 형성되며, 위치가 고정된 두 개 또는 다수의 자구벽(domain wall)을 포함하는 스핀 배열을 갖는 제1 자성박막; 및 상기 제1 자성박막의 내부에 위치하며, 자기소용돌이가 형성되는 제2 자성박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이를 이용한 미세 모터를 제공한다.

상기 미세 모터에 있어서, 상기 제2 자성박막에 형성된 자기소용돌이의 핵이 회전함에 따라 상기 제1 자성박막이 회전한다.

상기 제1 자성박막에는 스핀 배열의 고정을 위하여 홈(notch)이 형성될 수 있다.

상기 두 개 또는 다수의 자구벽을 포함한 스핀 배열 및 자기소용돌이는, 상기 제1 자성박막 및 제2 자성박막 면에 평행한 방향으로 자기장을 인가하여 상기 제1 자성박막 및 제2 자성박막의 스핀 배열을 포화자화 상태로 만든 후, 상기 자기장을 제거함에 의해 형성될 수 있다.

상기 제1 및 제2 자성박막은 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 철-니켈 합금, 철-니켈 코발트 합금, 철-니켈-몰리브덴 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 형성될 수 있다.

상기 제1 및 제2 자성박막의 두께는 5 내지 5,000 nm인 것이 바람직하다.

상기 제1 자성박막의 외경은 1 내지 1,000 μm이고, 상기 제1 자성박막의 내경은 1 내지 1,000 μm인 것이 바람직하다.

상기 제2 자성박막의 반경은 50 내지 10,000 nm인 것이 바람직하다.

상기 제2 자성박막에 형성된 자기소용돌이 핵의 회전운동을 인가하는 방법은, 상기 자기소용돌이 핵의 위치를 중앙으로부터 이탈시킴에 의해 이루어질 수 있다.

상기 제2 자성박막에 자기소용돌이 핵의 회전운동을 인가하는 방법은, 제 2 자성박막에 자기장 또는 전류를 인가함에 의해 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 자기장을 인가하는 방법은 선형 자기장, 원편향 자기장, 또는 펄스 자기장을 인가함에 의해 이루어질 수 있다.

상기 전류를 인가하는 방법은 선형 전류, 펄스 전류, 원편향 전류 또는 수직 전류를 이용하여 이루어질 수 있다.

본 발명은 또한, 상기 자기소용돌이를 이용한 미세 모터를 포함하는 반도체 칩을 제공한다.

본 발명은 또한, 상기 자기소용돌이를 이용한 미세 모터를 포함하는 약물전달 모터를 제공한다.

본 발명의 미세 모터는, 두 개 또는 다수의 자구벽을 포함한 스핀 배열을 갖는 링 형상의 제1 자성박막 및 상기 링 형상의 자성박막 내부에 위치하며 자기소용돌이가 형성되는 디스크 형상의 제2 자성박막을 포함하는 독특한 구조를 갖는다.

이와 같은 구조에 따라 초미세의 크기로 제조될 수 있을 뿐만 아니라, 초고속의 회전할 수 있는 모터의 제작이 가능하다. 따라서, 본 발명의 미세 모터는 반도체 칩 및 약물전달 소자 등 다양한 초소형 정밀기계기술 분야에 널리 활용될 수 있다.

도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기소용돌이를 이용한 미세 모터의 구조를 나타낸 도면이다.
도 1b는 도 1a에 나타낸 실시예의 단면도이다.
도 2a은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기소용돌이를 이용한 미세 모터의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2b는 도 2a에 나타낸 실시예의 단면도이다. 도 3는 도 1 및 도 2의 미세 모터를 이루는 링 및 디스크에 형성된 자화 배열 상태를 나타낸 도면이다.
도 4a은 "위" 방향의 핵을 지니는 자기소용돌이의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4b는 "아래" 방향의 핵을 지니는 자기소용돌이의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.도 5는 자기소용돌이가 안정적으로 형성되기 위한 박막의 직경 및 두께를 나타낸 도면이다.
도 6a, 6b, 및 도 7은 자성 박막에 원편향 자기장을 인가하여 자기소용돌이 핵의 회전운동을 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 선형 전류 또는 펄스 전류를 이용하여 자기소용돌이 핵의 회전운동을 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9은 원편향 전류를 이용하여 자기소용돌이 핵의 회전운동을 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 수직 전류를 이용하여 자기소용돌이 핵의 회전운동을 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11는 자기소용돌이 핵의 회전에 의한 회전 자기장의 생성 원리를 설명하기 위한 도면으로, 제2 자성박막의 중심에서 자기소용돌이 코어가 벗어난 상태에 따른 스트레이 자기장(stray field)을 나타낸다.
도 12은 제2 자성박막의 중심에서 자기소용돌이 코어가 벗어난 상태에 회전하는 경우 발생되는 스트레이 자기장의 궤적을 위치에 따라 나타낸다.
도 13은 제1 자성박막에 회전 자기장의 인가에 따른 두 개 또는 다수의 자구벽을 포함한 스핀 배열의 변화를 전산모사로 구한 결과이다.
도 14는 제1 자성박막에 홈이 형성되지 않은 경우(a)와 홈이 형성된 경우(b)에 돌림힘의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 15a는 제1 자성박막에 형성된 두 자구벽과 제2 자성박막에 형성된 자기소용돌이 핵의 상대적인 각도를 정의하기 위한 도면이다.
도 15b는 제1 자성박막에 형성된 자기소용돌이 핵과 제1 자성박막에 형성된 두 자구벽의 상대적인 각도에 따른 전체 에너지 및 돌림힘 변화에 관한 전산모사 결과를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정되어 해석되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예이며, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있다.

도 1a 및 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기소용돌이를 이용한 미세 모터의 구조를 나타낸 도면이며, 도 1a 및 도 2b는 단면도이다.

도 1a 및 도 2a에 도시된 바와 같이 본 발명의 자기소용돌이를 이용한 미세 모터는 링 형상으로 형성되는 제1 자성박막(102, 202) 과 제1 자성박막 내부에 위치하는 제2 자성박막(101, 201)을 포함하여 이루어진다. 제1 자성박막(102, 202)는 모터의 회전자(rotor)의 역할을 하며, 제2 자성박막(101, 201)은 고정자(stator)의 역할을 한다. 도 1b 에 도시된 것과 같이 제2 자성박막(101)은 기판(105)에 고정축(104)에 의해 고정되어 있으며, 제1 자성박막은 회전축(103)에 의해 기판과 분리되어 자유로이 회전이 가능하다. 또는 도 2b 에 도시된 바와 같이 제2 자성박막(201)은 기판(205)에 고정축(204)에 의해 고정되어 있으며, 제1 자성박막은 기판(205)에 형성된 궤도(206)와 회전축(203)에 의해 자유로이 회전하게 된다. 회전자의 역할을 하는 제1 자성박막(102,202)의 원활한 회전을 위해서 기판(105, 205), 고정축(104, 204), 궤도(206)와 회전축(103, 203) 사이는 윤활 물질을 사용할 수 있다.

상기에 설명된, 제1 자성박막(102, 202)에는 두 개 또는 다수의 자구벽을 포함하는 스핀 배열이 형성되고, 제2 자성박막(101,201)에는 자기소용돌이가 형성된다. 도 3는 도 1 및 2 의 미세 모터를 이루는 링(제1 자성박막) 및 디스크(제2 자성박막)에 형성된 스핀 배열 상태를 나타낸 도면으로, 제1 자성박막(102)에는 두 개의 자구벽을 포함하는 스핀 배열이 형성되고, 제2 자성박막(101)에는 자기소용돌이가 형성된 상태를 나타낸다. 여기서, 링(제1 자성박막) 및 디스크(제2 자성박막)에 형성된 스핀 배열 상태를 어니언(onion) 구조라 한다.

자기소용돌이란 수십 나노미터(nm)의 두께, 수십~수천 나노미터 직경을 가지는 디스크 형태의 자성박막에 매우 안정적으로 형성되는 독특한 스핀 배열구조로서(도 4a, b 참조), 자기소용돌이는 중심부에 “위” 혹은 “아래” 방향의 자화방향을 가지는 직경 10~20 나노미터 크기의 핵(402)과, 이 주변에는 회전하는 형태로 배열된 스핀 성분들(403)로 구성된다. 이 특이한 스핀 배열구조는 자성박막의 기하학적 모양과 구성물질의 고유특성에 따라 핵 회전의 고유진동수(eigenfrequency)를 가진다. 따라서 고유진동수에 해당하는 외부자극(자기장 혹은 전류)을 인가하면, 공명 현상(resonance effect)에 의하여 작은 크기의 자극(예를 들어 수 Oe 크기의 자기장)으로 자기소용돌이 핵이 수백 MHz ~ 수 GHz의 진동수로 회전 운동을 한다. 따라서, 본 발명은 이러한 자기소용돌이 핵의 회전운동을 이용하여 자성박막 주위에 회전 자기장을 발생시키고, 이러한 자기에너지를 기계적인 회전운동으로 변환하도록 함으로써, 회전속도가 수 10⁹ RPM에 이르는 초고속, 초소형 모터를 구현하고자 한다.

즉, 제2 자성박막(101,201)에 형성된 자기소용돌이 핵이 회전하도록 하여 제2 자성박막(101,201) 주위에 회전 자기장을 발생시키고, 이 회전 자기장에 의해 제1 자성박막(102,202)에 돌림힘이 작용하도록 하여 제1 자성박막(102,202)을 회전시킨다.

상기 제1 및 제2 자성박막은 강자성 물질로 형성될 수 있으며, 그 예로 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 철-니켈 합금, 철-니켈 코발트 합금 및 철-니켈-몰리브덴 합금이 대표적이다. 이러한 물질들 중 철-니켈 합금의 일종인 퍼멀로이(permalloy)가 가장 바람직하게 사용될 수 있다.

자기소용돌이 및 자구벽을 포함한 스핀 배열의 형성과 이들 사이에 유효하게 자기장이 전달되도록 하기 위하여, 상기 제1 및 제2 자성박막의 두께는 5 내지 5,000 nm 로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1 자성박막의 내경 및 외경은 각각 1 내지 1,000 μm, 1 내지 1,000 μm 로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제2 자성박막의 반경은 50 내지 10,000 nm 로 형성되는 것이 바람직하다. 참고로, 자기소용돌이가 안정적으로 형성되기 위한 박막의 직경 및 두께는 도 5와 같다.

위와 같은 본 발명의 미세 모터 구조는 자성박막의 패터닝(patterning)을 통해 구현이 가능하다. 제1 자성박막(102) 및 제2 자성박막(101)에 각각 자기소용돌이 및 둘 또는 다수의 자구벽을 포함하는 스핀 배열을 형성하는 것은, 예를 들어 제1 자성박막 및 제2 자성박막에 도 3를 기준으로 y 방향으로 강한 자기장을 인가하여 제1 자성박막(102) 및 제2 자성박막(101)의 스핀 배열을 포화자화(saturation) 상태로 만든 후 자기장을 제거함에 의해 이루어질 수 있다.

제2 자성박막의 자기소용돌이 핵의 회전에 의해 제1 자성박막이 회전하는 과정에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 제2 자성박막에 형성된 자기소용돌이의 핵을 회전시킨다. 여기서, 자기소용돌이 핵의 회전은 시간에 따라 변하지 않는 정자기장(static magnetic field) 또는 정전류(static current)를 인가하여 자기소용돌이 핵의 위치를 자성 박막의 중앙으로부터 이탈시키는 경우 일어난다. 정자기장 또는 정전류의 인가를 멈추는 경우 중앙에서 벗어난 자기소용돌이 핵은 회전운동을 하며 중앙으로 되돌아오며, 중앙에 도달한 자기소용돌이 핵은 더 이상 회전운동을 하지 않는다. 여기서 “중앙”이란 자기소용돌이 핵이 외부 자기장에 의한 영향을 받지 않고 안정한 상태에 있을 때의 위치를 말하며, 예를 들어 원형 박막의 경우 원의 중심을 가리킨다. 또한 시간에 따라 그 크기나 방향이 연속적으로 변하는 자기장 혹은 전류를 인가하여 적은 에너지 소모로 자기소용돌이 핵의 회전을 지속적으로 발생 시킬 수 있다.

여기서, 자기소용돌이 핵의 원운동을 지속적으로 발생시키는 방법 중에, 제2 자성박막에 자기장을 인가하는 방법으로는 예를 들어 선형 자기장 또는 펄스 자기장을 인가하는 방법과 원편향 자기장을 인가하는 방법 등이 있다.

선형 자기장 또는 펄스 자기장을 인가하는 방법은 자성 박막 위 또는 아래에 자성 박막과 평행하게 도선을 배치시키고 도선에 전류를 흘려줌으로써 자기장을 발생시킬 수 있다. 여기서, 인가하는 선형 자기장 또는 펄스 자기장의 진동수를 자기소용돌이 고유 모드의 진동수와 맞추어 주는 경우, 공명 현상을 이용하여 작은 에너지 소모로 자기소용돌이 핵의 지속적인 회전 운동을 발생시킬 수 있다.

또한, 원편향 자기장을 이용하는 방법은 도 6a, b와 같이 서로 만나는 두 도선(602)에 시간에 대한 위상차를 가지는 교류 전류 또는 펄스 전류를 인가하여 시간에 따라 방향이 회전하는 자기장을 형성시킴으로써 자화소용돌이 핵의 원운동을 발생시킬 수 있다. 구체적으로 설명하면, 원 편향 자기장의 경우 도 7와 같이 한쪽 도선에서는 싸인(sin) 형태의 전류(701)를 인가하고 다른 도선에서는 90도 위상 차이를 가지고 있는 전류(702)를 인가함으로써 자기장의 크기는 일정하지만 자기장이 형성되는 방향이 시간에 따라 회전하는 효과를 얻을 수 있다. 이 경우 인가해 주는 전류의 주파수를 제어함으로써 자기장의 회전 진동수를 제어할 수 있으며, 전류 사이의 위상차를 조절하여 자기장의 회전 방향을 조절할 수 있다. 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같이 x 방향으로 싸인 형태의 전류를 인가하고, y 방향으로 +90도 위상 차이를 가지는 전류를 인가하는 경우, 생성되는 원편향 자기장의 회전 방향은 반시계 방향이다. 또 다른 예로, 도 6에 도시된 바와 같이 x 방향으로 싸인 형태의 전류를 인가하고, y 방향으로 -90도 위상 차이를 가지는 전류를 인가하는 경우, 생성되는 원편향 자기장의 회전 방향은 시계 방향이다.

여기서, 자기소용돌이 고유 모드의 공명 현상을 이용하여 작은 전력으로 자기소용돌이 핵의 지속적인 원운동을 발생시킬 수 있다. 즉, 자성박막에 형성된 자기소용돌이의 고유 진동수와 동일한 회전 진동수를 갖는 원편향 자기장을 형성하여 자성 박막에 인가함으로써 공명 현상에 의해 작은 에너지로도 자기소용돌이 핵의 지속적인 회전운동을 발생 시킬 수 있다. 이때 인가하는 원편향 자기장은 "위" 방향의 핵을 지니는 자화소용돌이 경우 반시계 방향으로, "아래" 방향의 핵을 지니는 자화소용돌이 경우 시계 방향으로 회전하여야 공명 현상을 일으킬 수 있다.

또한, 전류를 이용하는 방법은 자성 박막에 전류를 흘려 자기소용돌이 핵의 움직임을 발생시키는 방법으로서, 선형 전류, 펄스 전류, 원편향 전류 또는 수직 전류 등을 이용할 수 있다.

선형 전류 또는 펄스 전류를 이용하는 방법은 도 8에 도시된 바와 같이 자성 박막(801)에 전극(802)를 부착하여 전류를 흘리고, 이에 따른 스핀 토크 현상(spin torque effect)을 이용해 자기소용돌이 핵의 지속적인 원운동을 발생시킨다. 여기서, 인가하는 선형 전류 또는 펄스 전류의 진동수를 자기소용돌이의 고유 모드의 진동수와 맞추어 주는 경우, 공명 현상을 이용하여 작은 에너지 소모로 자기소용돌이 핵의 지속적인 회전운동을 발생시킬 수 있다.

원편향 전류를 이용하는 방법은 도 9에 도시된 바와 같이 자성막(901)에 도선(902)을 연결하고 원 편향 자기장의 경우와 같이 90도의 위상차를 갖는 전류(701,702)를 인가하게 되면 전류의 방향이 회전하는 효과를 나타내게 되며, 이를 통해 자기소용돌이 핵이 회전하게 된다. 이 경우 인가해 주는 전류의 주파수를 제어함으로써 원편향 전류의 회전 진동수를 제어할 수 있으며, 전류 사이의 위상차를 조절하여 원편향 전류의 회전 방향을 조절할 수 있다. 예를 들어 도 9에 도시된 바와 같이 x 방향으로 싸인 형태의 전류를 인가하고, y 방향으로 +90도 위상 차이를 가지는 전류를 인가하는 경우, 생성되는 원편향 전류의 회전 방향은 반시계 방향이다. 또 다른 예로, 도 9에 도시된 바와 같이 x 방향으로 싸인 형태의 전류를 인가하고, y 방향으로 -90도 위상 차이를 가지는 전류를 인가하는 경우, 생성되는 원편향 전류의 회전 방향은 시계 방향이다.

여기서, 자성박막에 형성된 자기소용돌이의 고유 진동수와 동일한 회전 진동수를 갖는 원편향 전류를 인가함으로써 공명 현상에 의해 작은 에너지로도 자기소용돌이 핵의 지속적인 회전운동을 발생 시킬 수 있다. 이때 인가하는 원편향 전류는 "위" 방향의 핵을 지니는 자화소용돌이 경우 반시계 방향으로, "아래" 방향의 핵을 지니는 자화소용돌이 경우 시계 방향으로 회전하여야 공명 현상을 일으킬 수 있다.

수직 전류를 이용하는 방법에 따르면, 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이 자성 박막을 자기소용돌이 구조를 갖는 자유층(1001)과 중간층(1002) 및 편향층(1003)을 갖도록 구성한다. 편향층(1003)은 자기소용돌이 핵의 자화 방향과 반대인 수직 방향의 자화(magnetization)를 갖는 층으로, 강한 자기 이방성을 갖고 있어 외부 전류나 자기장에 의해 자화 방향이 쉽게 변하지 않는다. 이와 같은 구조에서, 전류를 인가하면 편향층(1003)을 지나면서 스핀 편향 전류(spin polarized current)가 형성되고, 전류의 스핀 방향과 자기소용돌이 핵의 자화 방향의 상관 관계에 따라 토크가 형성되어 자기소용돌이 핵의 회전이 발생한다. 여기서, 편향층(1003)은 Co/Pt, Co/Pd, CoPt, CoPd, CoCrPt, FePt, FePd 등의 수직자기이방성을 지니는 물질로 이루어지며, 중간층(1002)은 Cu 등의 비자성 금속 물질로 이루어질 수 있다.

상기 제2 자성박막에 형성된 자기소용돌이 핵의 회전운동 인가 시, 제2 자성박막에 형성된 자기소용돌이의 고유진동수에 해당하는 자기장 또는 전류를 인가함으로써 공명 현상에 의해 작은 크기의 자기장 또는 전류로 자기소용돌이 핵의 회전을 유도할 수 있다.

다음으로, 제2 자성박막에 형성된 자기소용돌이의 코어가 회전하면, 제2 자성박막 주위에 타원형태의 회전 자기장이 발생한다.

제2 자성박막에 외부 자기장 또는 전류가 인가되어 자기소용돌이 코어가 중심으로부터 벗어나는 경우 제2 자성박막 주위로 스트레이 자기장(stray field)이 형성된다(도 11 참조). 중심에서 벗어난 자기소용돌이 핵이 회전하는 경우 스트레이 자기장도 타원 형태로 회전하여 회전 자기장이 발생한다(도 12 참조). 이때 회전 자기장의 회전 진동수는 자기소용돌이 핵의 회전 진동수와 같으며, 수백 MHz~수GHz에 이른다. 여기서, 도 11는 자기소용돌이 핵의 회전에 의한 회전 자기장의 생성 원리를 설명하기 위한 도면으로, 제2 자성박막(1101)의 중심에서 자기소용돌이 핵(1102)이 벗어난 상태에 따라 (1101 내부의 화살표는 제2 자성박막의 평면상의 자화 방향, 1101 내부의 생상표는 z 방향의 자화방향을 표시함) 생성되는 스트레이 자기장을 나타낸다(1101 외부의 화살표는 스트레이 자기장의 방향, 1101 외부의 색상표는 스트레이 자기장의 크기를 표시함). 따라서, 시간에 따라서 자화소용돌이 핵(1102)이 원운동을 하는 경우 제2 자성박막(1101) 주위로 스트레이 자기장이 형성되게 되고, 그 스트레이 자기장의 위치에 따른 궤적은 도 12와 같다.

다음으로, 발생된 회전자기장이 제1 자성박막에 인가되며, 인가된 회전자기장과 제1 자성박막에 형성된 스핀 배열 사이에 돌림힘(torque)이 발생한다. 결과적으로, 제1 자성박막의 스핀 배열이 고정되어 있음에 따라, 제1 자성박막에 기계적 돌림힘이 작성하여 제1 자성박막이 회전한다.

제2 자성박막의 자기소용돌이 핵이 중심에서 벗어나 회전하는 경우, 이 자기장과 제1 자성박막에 형성된 자구벽을 둘 또는 다수 포함하는 스핀 배열의 상대적인 작용에 의해 돌림힘이 발생하며, 이 돌림힘은 제1 자성박막에 형성된 스핀 배열을 회전시키게 된다.

도 13은 회전 자기장의 인가에 따른 자구벽을 둘 포함하는 스핀 배열의 변화를 전산모사로 구한 결과이다. 본 전산모사는 편의를 위해 회전 자기장을 직접 인가하는 방식을 사용했으며, 회전자기장을 이용하여 자기소용돌이 핵의 원운동에 의한 회전 스트레이 자기장의 생성을 근사할 수 있다. 본 전산모사에 쓰인 구조는 다음과 같으며 이는 하나의 예시로 이와는 다른 구조를 가지는 경우에도 모두 동일한 결과를 얻을 수 있다. 제1자성박막의 최외각 반지름은 260 nm, 제1자성박막의 폭(width)은 60nm, 제1자성박막의 두께는 5 nm 로 한다. 이 때 인가된 회전 자기장의 회전 진동수 및 세기에 따른 자구벽의 회전 여부는 도 13a 와 같다. 도 13a 에서 "O"는 해당 진동수 및 세기에서 자구벽의 주기적인 회전이 일어남을 의미하고, "X"는 해당 진동수 및 세기에서 자구벽의 주기적인 회전이 일어나지 않는 것을 의미한다. 이처럼 주어진 구조에 대해서 회전 자기장의 회전 진동수 및 세기를 맞춰주게 되면 자구벽을 둘 포함하는 스핀배열의 회전을 일으킬 수 있다.

도 13b는 20 Oe 의 세기와 150 MHz 의 회전진동수를 갖는 회전 자기장에 의한 자구벽을 둘 포함하는 스핀 배열의 회전을 나타낸다. (화살표는 회전 자기장의 방향, 색은 자구벽을 둘 포함하는 스핀 배열의 z 성분 크기를 나타냄). 도 13 을 통하여 다음의 과정을 설명할 수 있다. 제2 자성박막의 자기소용돌이 핵이 중심에서 벗어나 회전하는 단계. 상기 자기소용돌이 핵의 회전 운동에 의하여 제2 자성박막 주변에 타원형으로 회전하는 스트레이 자기장을 형성하는 단계. 상기 타원형으로 회전하는 스트레이 자기장과 제1 자성박막에 형성된 자구벽을 둘 또는 다수 포함하는 스핀 배열의 상대적인 방향에 의한 돌림힘이 발생하는 단계. 상기 돌림힘에 의해서 제1 자성박막에 형성된 둘 또는 다수의 자구벽이 회전하는 단계.

도 13a, b의 결과를 통해 제2 자성박막에 형성된 자화소용돌이 핵의 회전에 의해 제1 자성박막에 형성된 자구벽을 둘 또는 다수 포함하는 스핀 배열이 회전하고, 만약 제1 자성박막에 형성된 둘 또는 다수의 자구벽을 고정하면 작용-반작용의 법칙에 따라, 제1 자성박막에 기계적인 돌림힘을 작용하게 하여 제1 자성박막을 회전시킬 수 있음을 알 수 있다.

제1 자성박막의 스핀 배열을 고정하기 위하여, 제1 자성박막에는 홈이 형성될 수 있다. 이는 제1 자성박막의 패터닝 과정에서 형성될 수 있다.

도 14는 제1 자성박막에 홈(1404)이 형성되지 않은 경우(a)와 홈(1404)이 형성된 경우(b)에 돌림힘의 작용을 설명하기 위한 도면이다. 홈(1404)이 형성되지 않은 경우(a)는 스핀 배열이 회전할 수 있으므로 제1 자성박막(1402)은 정지한 상태로 스핀 배열만 회전하지만, 홈(1404)이 제1 자성박막(1402)에 형성된 둘 또는 다수의 자구벽(1403) 위치에 형성되는 경우, (b)는 홈(1404)에 의해 스핀 배열이 회전할 수 없으므로 제1 자성박막(1402) 자체가 돌림힘을 받아 회전하게 된다. (a), (b) 의 경우, 제2 자성박막(1401)에 표시된 화살표는 핵의 회전운동을 표시한다. (a)의 경우, 제1 자성박막(1402)에 표시된 화살표는 자구벽(1403)의 회전운동을 표시한다. (b)의 경우, 제1 자성박막(1402)에 표시된 화살표는 제1 자성박막(1402)의 회전운동을 표시한다.

홈의 수와 위치는 제1 자성박막의 에 형성된 자구벽의 수 및 위치와 동일하여야 한다.

본 발명의 미세 모터에 있어서 제2 자성박막의 핵과 제1 자성박막에 형성된 둘 또는 다수의 자구벽의 상대적인 위치에 따라 전체 구조의 에너지가 결정될 수 있으며, 이 에너지의 변화를 상대적인 각도로 미분하면 자기소용돌이 핵의 회전에 의한 돌림힘을 계산할 수 있다.

도 15는 자기소용돌이 핵과 두 자구벽의 상대적인 각도에 따른 전체 에너지 변화 및 돌림힘의 전산모사 결과를 나타낸 도면이다.

본 전산모사에서 제1 자성박막과 제2 자성박막의 재료는 퍼멀로이(Permalloy, Ni₈₀Fe₂₀)였으며, 제2 자성박막의 두께는 20nm, 직경은 300nm로 형성되었다. 또한, 제1 자성박막의 두께는 20nm, 내부 직경은 400nm, 외부 직경은 520nm로 형성되었다. 자화소용돌이 핵의 회전반경은 50nm다 도 15 a는 제1 자성박막(1502)에 형성된 두 자구벽과 제2 자성박막(1501)에 형성된 자기소용돌이 핵(1503)의 상대적인 위치를 나타내며(제2 자성박막 내부의 화살표는 자기소용돌이 핵의 코어의 회전 반경을 표시함), 도 14b는 제1 자성박막에 형성된 두 자구벽과 자기소용돌이 핵(1503)의 상대적인 각도에 따른 전체 에너지 변화 및 제1 자성박막(1502)에 인가되는 돌림힘을 나타낸다. 여기서, 제1 자성박막(1502)에 형성된 두 자구벽과 자기소용돌이 핵(1503)의 상대적인 각도란 도 15에 표시된 θ를 나타낸다.

본 발명의 자기소용돌이 구조를 이용한 미세 모터는, 기존 MEMS 발동자에서 자기장을 형성하기 위해 사용하는 복잡한 형태의 코일 구조 대신에, 자기소용돌이 핵의 회전에 의한 회전자기장으로 대체함으로써, 초소형으로 제조될 수 있다.

또한, 자기소용돌이의 고유진동수에 해당하는 외부 자극(자기장 또는 전류)을 인가함으로써, 공명 현상에 의하여 작은 크기의 자극으로 자기소용돌이 핵의 회전을 유도하여 모터를 회전시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 미세 모터는 반도체 칩 및 약물전달 소자 등 다양한 초소형 정밀기계기술 분야에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

링 형상으로 형성되며, 위치가 고정된 두 개의 자구벽을 포함한 어니언(onion) 구조의 스핀 배열을 갖는 제1 자성박막; 및
상기 제1 자성박막의 내부에 위치하며, 자기소용돌이가 형성되는 제2 자성박막
을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이를 이용한 미세 모터.
제1항에 있어서,
상기 제2 자성박막에 형성된 자기소용돌이의 핵이 회전함에 따라 상기 제1 자성박막이 회전하는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이를 이용한 미세 모터.
제1항에 있어서,
상기 제1 자성박막에는 노치가 형성되는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이를 이용한 미세 모터.
제1항에 있어서,
상기 제1자성박막 주위에 단일 자구가 형성되는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이를 이용한 미세 모터.
제1항에 있어서,
상기 두 개의 자구벽을 포함한 어니언(onion) 구조의 스핀 배열 및 자기소용돌이는, 상기 제1 자성박막 및 제2 자성박막에 수직한 방향의 자기장을 인가하여 상기 제1 자성박막 및 제2 자성박막의 스핀 배열을 포화자화 상태로 만든 후, 상기 자기장을 제거함에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이를 이용한 미세 모터.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 자성박막은 코발트(Co), 철(Fe), 니켈(Ni), 철-니켈 합금, 철-니켈 코발트 합금, 철-니켈-몰리브덴 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이를 이용한 미세 모터.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 자성박막의 두께는 5 내지 5,000 nm인 것을 특징으로 하는 자기소용돌이를 이용한 미세 모터.
제1항에 있어서,
상기 제1 자성박막의 외경은 1 내지 1,000 μm 이고, 상기 제1 자성박막의 내경은 1 내지 1,000 μm 인 것을 특징으로 하는 자기소용돌이를 이용한 미세 모터.
제1항에 있어서,
상기 제2 자성박막의 반경은 50 내지 10,000 nm 인 것을 특징으로 하는 자기소용돌이를 이용한 미세 모터.
제1항에 있어서,
상기 제2 자성박막에 형성된 자기소용돌이 핵의 회전운동을 인가하는 방법은, 상기 자기소용돌이 핵의 위치를 중앙으로부터 이탈시킴에 의한 것을 특징으로 하는 자기소용돌이를 이용한 미세 모터.
제10항에 있어서,
상기 제2 자성박막에 자기소용돌이 핵의 회전운동을 인가하는 방법은, 자기장 또는 전류를 인가함에 의한 것을 특징으로 하는 자기소용돌이를 이용한 미세 모터.
제11항에 있어서,
상기 자기장을 인가하는 방법은 선형 자기장, 펄스 자기장 또는 편향 자기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이를 이용한 미세 모터.
제12항에 있어서,
상기 자기장을 인가하는 방법은, 상기 제2 자성박막에 형성된 자기소용돌이의 고유진동수에 해당하는 자기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이를 이용한 미세 모터.
제11항에 있어서,
상기 전류를 인가하는 방법은 선형 전류, 펄스 전류, 원편향 전류 또는 수직 전류를 이용하는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이를 이용한 미세 모터.
제14항에 있어서,
상기 전류를 인가하는 방법은, 상기 제2 자성박막에 형성된 자기소용돌이의 고유진동수에 해당하는 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이를 이용한 미세 모터.
제15항에 있어서,
상기 자기장을 인가하는 방법은, 상기 제2 자성박막에 형성된 자기소용돌이의 고유진동수에 해당하는 자기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 자기소용돌이를 이용한 미세 모터.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 자기소용돌이를 이용한 미세 모터를 포함하는 반도체 칩.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 자기소용돌이를 이용한 미세 모터를 포함하는 약물전달 모터.