일리노이 대학교는 3D 구조 공간을 최대한 활용하기 위해 3D 마이크로칩 인덕터를 개발했습니다.

Science Advances 저널에 발표된 연구에서는 완전히 통합된 자체 롤링 자성 나노입자 충전 튜브를 사용함으로써 새로운 인덕터가 응축된 자기장 분포와 3D 공간에서의 에너지 저장을 보장할 수 있음을 보여주었습니다. 동시에 칩에 장착하는 데 필요한 작은 설치 공간을 유지합니다.

새로운 연구를 주도한 팀은 일리노이 대학의 전기 및 컴퓨터 공학 교수이자 Holonyak Micro & Nanotechnology Laboratory의 임시 책임자인 Xiuling Li가 이끌었습니다.

엔지니어들은 수십 년 동안 마이크로칩을 더 작게 만들기 위해 노력해 왔습니다.

스마트폰 기술, 더 일반적으로는 IoT의 기술 발전 중 상당수는 여러 전자 부품의 소형화 없이는 불가능했을 것입니다. 특히 마이크로칩 인덕터를 살펴보면 이러한 구성 요소가 일반적으로 2D 나선 와이어로 만들어지는 것이 눈에 띕니다. 와이어를 돌릴 때마다 더 강한 인덕턴스가 생성됩니다.

이는 지난 몇 년 동안 지속적으로 전자 장치를 개선해 온 복잡한 기술입니다. 그럼에도 불구하고 2D 구조는 칩의 2차원 표면에 공간 제한이 있음을 의미하기도 합니다.

연구자들은 이러한 장애물을 피하기 위해 3D 구조를 실험하려고 시도했지만 현재 3차원 구조 구성, 전류 처리 및 자성 재료 통합에 대한 기존 기능으로 인해 성공이 제한되고 있습니다. 이전 연구를 바탕으로 Xiuling Li 팀은 자체 롤업 멤브레인 나노기술로 전환하여 2D 처리를 사용하여 3D 인덕터를 만들었습니다. 이 기술은 와이어가 평면에서 나선형으로 나오고 차례대로 절연 박막으로 나누어집니다.

완전히 펴졌을 때 와이어 멤브레인의 길이는 1mm였습니다(기존 2D 인덕터보다 약 100배 작음). Li는 "막이 길수록 제어하지 않으면 더 무질서하게 굴러간다는 것을 의미합니다"라고 설명했습니다.

"이전에는 자체 롤링 프로세스가 시작되어 액체 용액에서 발생했습니다."라고 그녀는 덧붙였습니다. "그러나 우리는 더 긴 멤브레인을 사용하여 작업하는 동안 증기상에서 프로세스가 발생하도록 허용하면 더 단단하고 균일한 롤을 형성하는 데 훨씬 더 나은 제어가 가능하다는 것을 발견했습니다." 즉, 표준화된 2D 마이크로칩에 이러한 3D 구성 요소를 사용함으로써 개발자는 최대 100배 적은 칩 공간을 사용할 수 있어야 합니다.

기본적으로 인덕터는 전류가 흐를 때 자기장에 에너지를 저장하는 수동 2단자 전기 부품입니다.

이로 인해 도체 주위를 순환하는 자속의 방향과 동일한 도체를 통해 흐르는 전류의 방향 사이에 관계가 생성됩니다. 이 현상을 "플레밍의 오른손 법칙"이라고 합니다. 2차 전압은 또한 흐름을 촉진하는 전류의 변화에 ​​저항하거나 반대하기 때문에 자속의 움직임에 의해 동일한 코일에 유도됩니다.

인덕터는 일반적으로 중앙 코어를 강하게 감싼 와이어로 형성되며, 자속을 집중시키기 위해 종종 직선형 원통형 막대 또는 연속 링 또는 루프 형태로 형성됩니다. 마이크로칩 인덕터의 경우 일반적으로 철이나 페라이트 등으로 만들어지며, 솔더 페이스트를 이용해 인쇄회로기판(PCB) 상단에 올려놓고 납땜한다.

"가장 효율적인 인덕터는 일반적으로 금속 와이어로 감싼 철심입니다. 이는 크기가 중요하지 않은 전자 회로에서 잘 작동합니다"라고 Li는 새로운 발견에 대해 언급했습니다. "그러나 이는 마이크로칩 수준에서는 작동하지 않으며 자체 롤링 프로세스에도 도움이 되지 않으므로 다른 방법을 찾아야 했습니다"라고 그녀는 덧붙였습니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구진은 작은 점적기를 사용하여 이미 압연된 멤브레인에 산화철 나노입자 용액을 채웠습니다. "우리는 용액 방울을 코어로 빨아들이는 모세관 압력을 이용합니다"라고 Li는 설명했습니다. "용액이 건조되어 튜브 내부에 철이 침전됩니다. 이는 업계 표준 솔리드 코어에 비해 유리한 특성을 추가하여 이러한 장치가 성능 손실을 줄이면서 더 높은 주파수에서 작동할 수 있게 해줍니다."