Mobile QR Code QR CODE : The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

  1. (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University, Korea)



Underground wireless communication, Magnetic antenna, Magnetic field, Surface acoustic wave, Temperature sensor, Resonator

1. 서 론

지하에는 가스선, 상하수도관, 인터넷 통신 케이블 등 수많은 매설물이 존재한다. 앞으로도 지중 매설물의 수요는 기하 급수적으로 증가할 것으로 예상되고 있으며 이러한 매설물들을 체계적으로 관리하고 모니터링 할 수 있는 무선 센서 시스템의 필요성이 대두되고 있다(1,2). 이러한 센서 시스템이 구현되면 지하의 파워라인 등의 다양한 매립물 주변에서 온도, 습도, 가스 변화 등을 지상에서 무선으로 실시간으로 감지함으로써 갑작스런 사고나 피해를 미연에 방지할 수 있다. 더불어 지반 환경의 변화들을 예측 가능해진다. 오늘날 다양한 방식의 지중 통신 시스템이 보고되고 있다. 대표적으로 유선망 방식, 전자기파를 이용한 무선통신 방식, 기계적인 진동을 이용한 음파 방식, 자기장을 이용한 통신 방식 등이 있다. 현재 가장 널리 상용화된 기술은 유선망 방식이다. 그러나 유선망 방식의 경우 유선망 파손, 신호를 지상으로 전송하는 과정에서의 스파크 발생, 유선망을 이용해 지중의 수많은 센서들을 서로 연결해야 하므로 관리가 어렵고 비용 역시 크다는 문제점이 존재한다. 이러한 이유로 다양한 무선 통신 방법이 제기되고 있다. 지중 무선통신 방법에는 전자기파를 이용한 방식, 음파를 이용한 방식, 자기장을 이용한 방식이 대표적이다. 전자기파를 이용한 무선통신 방법은 지상에서 널리 사용되고 있고 시스템 구현이 용이하며, 현재에도 ground penetrating radar (GPR) 등의 기술로써 연구되고 있다(3,6). 그러나 이러한 방식은 지반을 구성하는 흙, 돌, 수분, 식물 뿌리 등에 의한 전자기파의 흡수 및 감쇠가 매우 크기 때문에 짧은 통신 거리의 매우 제한적 환경에서만 사용할 수 있다는 단점이 있으며, 현재에는 대면적 지중 환경에서의 무선 센서 시스템 구현에는 적합하지 않다라 결론하고 있다. 음파를 이용한 시스템은 탄성 복원력이 있는 매질에서 기계적 진동을 이용해 통신하는 시스템이다. 이 방법은 100~ 300Hz의 저주파를 이용해 통신하지만, 센서에서 온 데이터를 지진파로 전환하는 과정에서 큰 에너지 소모가 필요하다. 또한, 지진파는 속도가 느리고 감쇄가 심하며, 지중과 같이 매질이 불균일한 경우에는 신호의 해석이 어렵다는 단점이 있다(7,8). 이러한 이유로 인해 지중에서의 원거리 통신에는 부적합하다. 자기장을 이용한 무선 통신 방법의 경우, 원통형 코일 또는 자기 코어에 감겨진 금속 루프 안테나 등을 이용한다. 자기장을 이용한 통신에서는 일반적으로 신호가 전자기파로 변형되지 않고 자기장 에너지로 전달이 가능한 근거리장을 이용한다. 일반적으로 지반을 구성하는 물질의 투자율이 거의 1로써 공기와 매우 유사해 skin depth가 매우 길다고 알려져 있다(9,12). 이 때문에 지중 매질을 통과할 때 자기장의 흡수가 거의 없다는 장점이 있다. 또한, 다중경로로 인한 시그널 감쇄도 없고, 자기장 안테나가 코일 형태로 구성되어 있어 저주파를 이용해 통신하더라도 안테나를 작은 사이즈로 개발할 수 있다는 장점이 있다. 이런 측면에서 지중에서의 무선통신에 있어 자기장을 사용한 방법은 매우 효율적인 방법이라고 할 수 있다. 현재 자기장을 이용한 무선통신 방법에 대한 다양한 연구 결과가 있지만 자기장 발생기와 안테나, 센서 간의 주파수 대역폭과 임피던스 매칭 등을 고려해서 설계된 실제 필드에서 응용할 수 있는 연구는 보고된바 없다.

본 연구에서는 지상으로부터 자기장을 발산하여 지중의 표면탄성파 온도센서를 무선으로 동작시키고 센서로부터 되돌아온 온도의 정보를 측정 해석하는 지중에서의 무선 자기장 센서 시스템을 개발하였다. 그림 1은 개발된 전체 시스템의 구현도를 보인다. 지상에 위치한 NiFe 코어에 Cu 코일을 감은 형태로 제작된 자기장 발생기와 동일한 형태의 지중의 안테나, 압전 기판 위에 제작된 표면탄성파 온도센서 그리고 리더기로 구성된다. 지상의 자기장 안테나에 AC 전류가 인가되면, 이 전류는 AC 자기장을 발생시킨다. 유도된 자기장은 지중의 자기장 안테나로 전달되어, 다시 전기 에너지로 전환되며, 지중의 표면탄성파 온도센서를 구동시킨다. 표면탄성파 온도센서에서 감지된 정보는 interdigital transducer(IDT)에 의해 전기에너지로 전환된 뒤 자기장 안테나를 경유하여 지상의 자기장 안테나에 전달되며 이후 네트워크 분석기를 통해 지중의 온도정보가 읽혀지게 된다. 본 시스템의 주요 특성은 지상에서 발산하는 AC 자기장에 의해, 지중에 위치한 안테나와 센서를 모두 무선으로 구동시킬 수 있다는 점, 소비 전력이 기존의 시스템들에 비해서 매우 낮다는 점, 무전원 시스템이라는 점, 응답 시간이 빠르고 자기장을 주요 신호로 사용하기 때문에 주변 환경에 의한 간섭이나 손실 노이즈 등의 영향이 적다는 점 등이 있다.

그림. 1. 2개의 자기장 안테나, SAW 온도센서 및 리더기로 구성된 전체 시스템 구현도

Fig. 1. Overall system consisting of two magnetic field antennas, SAW temperature sensor, and reader

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본 연구에서는 센서로써 표면탄성파 온도센서만을 동작시키고 있지만, 지중의 센서에 200mVp-p 이상의 큰 신호가 인가되기 때문에 압력, 습도, 가스 등 다양한 무선 센서시스템으로 활용 가능할 것으로 사료된다.

2.COMSOL 시뮬레이션 및 Coupling of Mode (COM) 모델링을 통한 시스템 최적화

2.1 COMSOL 시뮬레이션

자기장 안테나를 구성하는 코어물질, 코어 반경, 코일 턴 수, 코어 끝 부분의 렌즈형태의 구조 등에 따른 자기장 세기를 미리 예측하는 COMSOL 시뮬레이션을 수행하였다. 그림 2는 COMSOL 시뮬레이션을 통해 얻어진 결과를 보인다. 자기장 발생기와 안테나 사이의 거리가 증가할수록 자기장 퍼텐셜이 감소하는 경향을 보인다. 또한 자기장 발생기의 끝부분을 반구형 형태로 제작하였을 때, 수신 안테나에서 보다 큰 자기 퍼텐셜이 수신되는 것을 확인 하였다. 이러한 COMSOL 시뮬레이션 결과를 바탕으로 자기장 발생기의 설계 파라미터 결정 및 자기장 안테나의 코어 끝 부분을 반구 형태로 제작하였다.

그림. 2. 자기코어 끝부분의 구조에 따른 COMSOL 시뮬레이션 결과

Fig. 2. COMSOL simulation results according to the structure of magnetic core ends

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2.2 Coupling of Mode (COM) 모델링 시뮬레이션

지중 무선통신 시스템에서 자기장 발생기와 안테나 사이의 거리가 멀어짐에 따라 시그널 손실, 왜곡, 간섭 등이 발생하며, 자기장 안테나와 표면탄성파 센서 간에도 임피던스 비 매칭 등에 의해 손실이 존재한다. 긴 무선 리딩거리를 지닌 지중 센서시스템을 구현하기 위해서는 높은 감도를 지닌 표면탄성파 온도센서의 최적 설계가 필요하다. COM 모델링을 이용하여 단일 포트 표면탄성파 온도센서의 최적설계를 진행하였다. 기판은 128° YX LiNbO3을 선택하였으며, 이유로는 기판의 Temperature Coefficient of Delay (TCD)가 75 ppm/℃으로써 41° YX LiNbO3에 비교하여 온도민감도가 매우 우수하며, 또한 전기기계결합계수(K2)에 있어서도 5.6%로 YZ LiNbO3 기판보다 1%정도 더 높은 특성을 지니기 때문이다(13). 압전기판, 중심주파수, IDT와 리플렉터의 수, aperture 길이, cavity 길이, IDT 금속 및 두께 등을 변화시키며 COM 모델링을 수행하였다. 지중 무선통신 시스템에서 각 소자별 중심주파수 대역을 맞춰 주는 것이 손실과 간섭 등을 줄이기 위해 매우 중요하다(14). SAW 온도센서의 중심 주파수는 자기장 발생기와 수신 안테나의 중심 주파수와 유사한 250MHz 정도로 최적화하였다. COM 모델링을 통해 최적화 된 설계 파라미터는 표 1과 같다. IDT의 수를 늘리면, 중심주파수 영역에서 손실은 작아지지만 대역폭이 좁아진다. 모델링 결과에 기반하여 IDT의 수를 120개로 최적화하였다. IDT의 폭과, IDT 간의 거리는 목표로 하는 중심주파수 대역에 따라 정해지는데 그 값은 파장에 관해서는 λ/4로 일정한 값을 갖는다. 250MHz에서 중심주파수를 갖도록 설계하기 위해 λ는 15.9μm로 설계하였다.

그림 3은 온도에 따른 SAW 센서의 중심주파수가 시프트 되는 결과를 보여준다. 표면이 상온일때와, 150℃일 경우의 두 조건에서 시뮬레이션을 진행하였다. 표면의 온도가 증가함에 따라 중심주파수가 다운시프트 되는 것을 확인할 수 있다. SAW 온도센서는 온도가 증가하게 되면, 표면탄성파의 속도가 감소하게 되고, v=λf 수식에 따라 중심주파수가 다운시프트하게 된다. 본 연구에서 사용한 128° YX LiNbO3 기판의 경우, 표면의 온도가 100℃ 증가할 때마다 약 30m/s 표면탄성파의 속도가 감소하게 되고, 표면탄성파 속도의 감소는 중심주파수의 다운시프트를 야기한다. 온도에 따른 표면탄성파의 속도 변화가 중심주파수 시프트의 가장 중요한 요인이지만, 이 외에도 SAW IDT의 열팽창에 의한 SAW 센서의 IDT 간의 간격 변화도 중심주파수 변화에 영향을 미치게 된다. 지역난방공사에서 공급하는 열 공급 파이프라인의 누수감지 및 각종 전력선, 케이블선의 화재를 미연에 방지하기 위해서 100도 이상의 온도도 감지할 수 있는 센서를 설계 하였다.

그림. 3. 단일 포트 SAW 온도센서 COM 모델링 결과

Fig. 3. COM modeling result from one port SAW temperature sensor

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Table 1. Optimal parameters of SAW resonator

Parameter

Value

IDT pairs

80

Reflector bars

120

IDT length

20λ ( λ = 15.9um)

Aperture length

16λ ( λ = 15.9um)

Cavity length

3λ/4 ( λ = 15.9um)

IDT metal

Ti/Pt (10/100nm)

3. NiFe 자기코어 공정 최적화

자기코어의 투자율은 신호의 세기와 송수신 거리에 많은 영향을 미친다. 따라서 고주파에서 높은 투자율을 가지는 코어 물질을 선택하는 것이 매우 중요하다. 또한, 코어의 단면적을 최대한 크게 하는 것과, 보다 고른 표면 거칠기를 얻는 것 역시 크고 안정적인 자기장을 얻는데 있어서 중요하다. 본 연구에서는 자기코어의 단면적을 증대시키기 위해 전기도금법을 이용하여 50μm 정도의 두께로 NiFe을 도금하였다. 또한, 고주파에서 높은 투자율을 가진다고 알려져 있는 Ni(80%)-Fe(20%) 퍼멀로이 코어를 사용함으로써, 안테나에서 발생하는 자기장의 크기를 최대화하였다(15). 전기 도금 공정에서 조건에 따라 박막의 성질이 달라지기 때문에 도금된 코어는 최대한 Ni:Fe 질량비가 80:20에 유사한 비율을 가지고, 표면의 거칠기가 작은 양질의 박막을 얻을 수 있도록 전기도금액의 구성성분, 도금온도, 용액 pH 농도, 도금속도, 열처리, 첨가물 여부 등을 조절함으로써 최적화되었다. NiFe 전기도금을 위해 사용한 상대전극은 4인치 (지름 10cm) 쿼츠 웨이퍼에 스퍼터링을 이용해 NiFe를 증착해서 상대전극으로 사용하였다. 증착한 NiFe 두께는 ~500nm였다. 최적화 도금 공정 조건을 찾기 위하여 다양한 온도, 전류밀도, pH 농도하에서 NiFe 도금을 시도하였다. 총 9개의 NiFe 샘플을 제작하였으며 온도는 20도, 50도, 70도, 전류밀도는 0.5mA/cm, 2.7mA/cm, 6mA/cm로 설정하고 도금을 진행하였다. 스터링(stiring)은 NiFe 용액을 혼합하는데에는 1150rpm을 사용하였으며, 도금 과정중 기포가 표면에 발생하는 것을 막기 위해선 80rpm으로 진행하였다. 다양한 조건에서 도금된 NiFe 자기코어는 Energy Dispersive X-ray Spectrometer(EDS), Scanning Electron Microscope(SEM), Atomic Force Microscope(AFM)을 이용해 분석하였으며 측정 데이터를 기반으로 최적화 도금공정 파라미터를 유출하였다. NiFe 전기도금 용액 내의 기본 조성은 표 2와 같다. 표 2의 조성을 바탕으로, Ni와 Fe이온의 함량을 조절하였다. 씨앗층으로는 Ti 10nm, Au 100nm를 사용했는데, NiFe 전기도금을 할 때 Ti/Au의 접착력이 좋지 않아 NiFe를 두껍게 도금하는 것은 쉽지 아니했다. 이 때문에 접착력을 향상시키고자 NiCl2를 혼합하였다. pH 농도는 NaCl을 이용해 조절하였으며, 핫 플레이트를 이용해 용액의 온도는 20~70℃로 조절하였다.

그림 4(a)는 전기 도금액 내의 조성과 전류 밀도에 따른 박막의 질량 성분비를 보여준다. 각각의 도금된 박막은 EDS를 이용해 분석되었다. 용액내의 Ni이온의 함량이 많을수록, 전기도금 된 박막의 Ni 성분의 함량이 증가하는 것을 관찰하였다. 이는 전자를 얻고 환원되어 씨앗층에 도금될 수 있는 Ni이온의 수가 증가하기 때문이다. 또한 전류 밀도가 증가할수록 역시 Ni 성분의 함량이 증가하는 것을 확인하였다. 그림 4(b)은 다른 온도에서 도금된 박막의 Ni-Fe 질량 성분비를 보여준다. 온도가 증가함에 따라, Ni 성분의 함량이 증가하는 것을 확인할 수 있다.

그림 5는 전류밀도와 온도에 따른 NiFe 표면의 AFM 표면 분석 결과를 보여준다. 전류밀도가 증가할수록 표면의 거칠기가 증가하지만, 일정 전류 밀도까지는 오히려 감소하는 경향을 보여준다(그림 6). 이는 전기도금 속도가 너무 느릴 경우 박막이 고루 도금이 되지 않고 박막의 가장자리와 중심부의 도금속도가 다르기 때문이다. 실제로 두께를 측정했을 때, 전류 밀도가 너무 낮을 경우 박막의 두께가 부분별로 서로 다른 것이 확인되었다. 또한, 온도가 너무 높은 조건에서 전기 도금 공정을 진행하면 도금 과정에서 표면에 기포가 발생하고, 이 부분의 도금이 잘 진행되지 않아 거칠기가 더 크게 발생하게 된다. 표 3은 최적화된 조건에서 도금된 NiFe 자기코어의 EDS 측정 결과를 보여준다. 목표로 한 투자율이 크다고 알려진 Ni(80%)-Fe(20%) 조건에 거의 유사한 질량비로 도금된 것을 확인할 수 있다. 작은 표면거칠기를 지닌 양질의 NiFe 코어는 250MHz 주파수 변화에 높은 자기장 세기 제공 및 Q factor 향상에 기여한다. 또한 표면거칠기가 작을수록 두꺼운 NiFe의 도금시 기계적 스트레스에 의한 떨어짐이 방지되었다.

4. 제 작

그림 7은 자기장 발생기와 안테나의 제작 과정을 보여준다. 500μm 두께의 쿼츠 웨이퍼 위에, 코일의 하부 전극으로 Au/Cr이 각각 200nm, 20nm 두께로 패터닝 되었다. 그 후, 각 하부 코일 사이의 단차를 없애기 위해 plasma enhanced chemical vapor deposition(PECVD)을 이용해서 Au와 Cr이 증착된 두께인 약 220nm 높이로 SiO2를 증착하였다. 다음으로 하단부 전극과 절연을 위해 폴리이미드가 약 1μm 두께로 코팅되었다. 폴리이미드는 100℃에서 1시간, 200℃에서 2시간동안 열처리되었다. 충분한 시간동안 열처리를 한 후, reactive ion etch(RIE)를 이용하여 에칭 및 패터닝하였다. 이때 O 40sccm, 압력 140 mtorr의 조건에서 에칭하였다. 다음으로, 폴리이미드의 씨앗 층에 대한 접착력 문제로 인해 리프트 오프 공정을 이용한 씨앗 층의 증착이 어려워서 쉐도우 마스크를 사용해서 Au/Cr을 증착하였다. 자기코어의 씨앗 층으로써 E-beam 증착기를 이용하여 Au/Cr를 100nm/10nm 증착하였다.

Table 2. Optimal parameters of NiFe solution

파라미터

Ni2SO46H2O

200g/L

NiCl26H2O

20g/L

FeSO46H2O

10g/L

FeCl26H2O

5g/L

Boric acid

40g/L

Saccharin

3g/L

NaCl

10g/L

pH

4.5

Temperature

20~70℃

그림. 4. (a) 전기 도금액 내의 조성과 전류 밀도에 따른 NiFe의 질량 성분비(b)전기도금 온도에 따른 박막의 NiFe 질량 성분비

Fig. 4. (a) Mass component ratio of NiFe in terms of the composition and current density in an electroplating solution. (b) NiFe mass component ratio in terms of the electroplating temperature

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그림. 5. (a) 전류 밀도에 따른 NiFe 표면 AFM 측정 결과. (0.5(왼쪽), 2.7, 6 mA/cm2(오른쪽)). (b) 온도에 따른 AFM 측정 결과. (20(왼쪽), 50, 70℃(오른쪽)).

Fig. 5. (a) NiFe magnetic core AFM measurement results in different current density. (0.5(left), 2.7, 6mA/cm2(right)). (b) NiFe magnetic core AFM measurement in different temperature. (20(left), 50, 70℃(right)).

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그림. 6. 전기 도금 전류 밀도와 온도에 따른 NiFe 표면의 거칠기

Fig. 6. urface roughness of NiFe magnetic core in terms of the electroplating current density and temperature

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Table 3. EDX results of the electroplated NiFe

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전기 도금 공정에서 씨앗 층의 표면의 질이 매우 중요하므로, RIE를 이용해 표면을 플라즈마를 이용해 처리하였다. NiFe 자기코어는 앞에서 최적화한 조건에서 전기도금 하였다. 자기코어는 Ni(80%)-Fe(20%) 퍼멀로이 코어를 사용한 경우와, Ni만을 사용한 경우 두 가지로 제작하였다. 앞에서 최적화한 2.7 mA/cm 전류밀도 조건에서 도금속도가 1.2μm/h 정도 되었기 때문에, 30~50um 두께로 도금하기 위해선 약 25~40 시간 정도 소요되었다. 그 후, 상단부 코일과 절연을 위해 폴리이미드를 코팅하였다. 이 때, 하부 코일과의 절연을 위해 사용한 폴리이미드 열처리 조건인 200℃에서 장시간 큐어링하게 되면 NiFe 자기코어에 손상을 주기 때문에 보다 저온인 100℃에서 1시간, 150℃에서 3시간 동안 큐어링하였다. 폴리이미드 위에는 Cu 전기도금을 위한 씨앗층으로써 구리를 약 200nm 스퍼터를 이용하여 증착하였다. 하부 전극인 Au 위에 Cu를 바로 전기 도금할 경우, 접착력이 매우 좋지 않고, 절연물인 폴리이미드 위에는 전기도금이 불가능하기 때문에 양쪽 모두 씨앗층을 증착하는 것이 매우 중요하다. 이 때, 스퍼터를 사용해서 증착하면, 폴리이미드 옆부분에도 증착이 되어 폴리이미드 위의 부분과 Au 전극 간의 sidewall 부분에도 씨앗층이 증착되어 전기도금을 수월하게 진행할 수 있다.

씨앗층 위에 Poly-dimethylphenylsiloxane(PDMS)를 이용해 100μm 두께의 전기도금 몰드를 형성하였다. PDMS를 이용한 몰드는 수백 μm까지 두껍게 형성이 가능하고, Cu 전기도금액 내에서 잘 용해되거나 변형되지 않고, 추후 제거하는데 있어서 용이하다는 장점이 있어 사용되었다. 스퍼터만을 사용해 상부 코일을 얇게 증착할 경우, 저항이 매우 커서 전류의 흐름을 방해하기 때문에 전기 도금을 이용하여 상단부 전극을 두껍게 형성시켰다. Cu 전기도금에서 사용된 용액의 조성은 CuSO 200g/L, HSO 100g/L으로 이루어졌으며, 30도에서 도금하였다. 이 조건에서 약 30 시간 4 mA/cm 전류밀도에서 전기도금을 진행하였다. 마지막으로 전기도금 시 사용한 PDMS를 제거하였다.

그림 8은 SAW 온도 센서의 제작 과정을 보여준다. 압전기판인 128° YX LiNbO 기판에 PR로 패터닝 하고, Ti/Pt를 약 10/100nm 리프트 오프 공정을 사용해 증착하였다. 앞의 COMSOL 시뮬레이션을 통해 최적화 된 파라미터를 바탕으로, 250MHz 중심주파수를 갖도록 제작하였다. 지중에 위치하는 센서시스템을 오염 및 부식 등으로부터 보호하기 위해서 제작된 안테나 및 센서는 속이 비어있는 얇은 PDMS 구조체 속에 위치시켰다. 이를 위해서 쿼츠 웨이퍼위에 PDMS(sylgard 184(10:1))를 스핀 코팅 후 경화시켰으며 shadow mask, RIE를 이용해 선택적으로 에칭하였다. RIE 에칭은 O 10sccm, SF4 40sccm, 200W Power 조건에서 진행하였다. 이후 안테나 및 센서를 위치시킨 후 두 PDMS는 oxygen plasma를 이용하면서 본딩하였다.

그림. 7. 자기장 안테나 제작 공정. (a) Cr/Au 증착 및 패터닝, (b) 폴리이미드 코팅, (c) Cr/Au 씨앗층 증착, (d) Ni-Fe 전기도금, (e) 절연을 위한 폴리이미드 코팅, (f) Cu 씨앗층 증착, (g) PDMS를 사용한 Cu elec- troplating mold 형성, h) Cu 전기도금, i) 완성된 자기장 안테나

Fig. 7. Magnetic antenna manufacturing process. (a) Cr/Au deposition and patterning, (b) polyimide coating, (c) Cr/Au seed layer deposition, (d) Ni-Fe elec- troplating, (e) polyimide coating for insulation, (f) Cu seed layer deposition, (g) Cu electroplating mold formation using PDMS, h) Cu electroplating, i) completed magnetic field antenna

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그림. 8. SAW 온도센서 제작 과정 (a) PR 패터닝 (b) Ti/Pt 10/100nm 증착

Fig. 8. SAW temperature sensor fabrication process (a) PR patterning (b) Ti/Pt 10/100nm deposition

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5. 결 과

5.1 자기장 발생기와 안테나 특성

무선 통신에 있어, 각 소자 간의 주파수 대역을 매칭해 주는 것은 적은 손실과 간섭을 위해 매우 중요하다. 그림 9는 제작된 자기장 발생기와 안테나의 S11 주파수 특성을 보여준다. 제작된 소자는 네트워크 분석기를 통해 측정되었다. 자기장 발생기와 안테나 모두 250MHz 대역을 기준으로 설계되었고, 실제로 거의 매칭이 되는 모습을 보여준다. 이 결과로부터, 자기장 발생기의 신호가 안테나로 전달 될 때 신호의 손실이 최소화 될 것을 예측할 수 있다. 주파수 대역이 매칭된 후에, 중요한 파라미터는 자기장 발생기의 인덕턴스의 크기이다. 인덕턴스의 크기가 클수록, 자기장 발생기에서 발산하는 자기장의 크기는 커지게 된다. 이론적으로 코일의 턴 수와 인덕턴스 간에는

$$L=\dfrac{n^{2}A\mu_{0}\mu_{r}}{l}$$

의 관계식이 잘 알려져 있다(L: 인덕턴스, n: 코일 턴 수, A: 코어 단면적, μ: 투자율, l: 코어길이). 본 연구에서는 각각 7턴, 15턴, 1턴으로 제작되었고, 7턴과 15턴으로 제작된 소자가 비교 분석되었다. 그림 10은 제작된 자기장 발생기의 코일 턴 수에 따른 인덕턴스 변화를 보여준다. 코일의 턴 수가 15회일 때, 7회일 때보다 인덕턴스 값이 증가하는 것을 볼 수 있다. 본 연구에서 무선 통신에 사용되는 250MHz 대역에서는 15턴일 때 인덕턴스 값이 약 450nH 정도로 측정되었다(그림 10). 그림 11은 제작된 자기장 발생기와 안테나를 보여준다. 그림에서 볼 수 있듯이, 코어의 물질, 두께, 코일의 턴 수 등을 고려해 제작되었다. 그림 11(b)에서는 최적화된 조건에서 전기도금된 NiFe 자기코어와 구리 코일의 SEM 이미지를 보여준다. 250MHz 중심주파수에 맞춰 제작된 안테나의 경우 코어는 1cm x 6cm x 40μm로 제작되었으며, 코일의 선폭은 200μm, 코일의 두께는 약 50μm로 제작되었다. Q-factor를 개선하기 위하여 코어 단면적은 최대화 되었으며 코일 등을 포함한 저항은 최소화 되었다. 코어의 크기 및 두께가 증가할수록 중심 주파수 대역이 감소하는 경향을 보였다.

그림. 9. 지상의 자기장 발생기와 지중의 자기장 안테나 S11 특성

Fig. 9. Ground magnetic field generator and underground magnetic field antenna S11

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그림. 10. 코일 턴 수에 따른 지상의 자기장 발생기 인덕턴스

Fig. 10. Magnetic field generator inductance in terms of the number of coil turns

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그림. 11. (a) 제작된 자기장 발생기와 안테나 사진, (b) 전기도금된 NiFe 자기코어(좌)와 구리코일(우) SEM 사진

Fig. 11. (a) Phothos of manufactured magnetic field generator and antenna. (b) SEM image of electroplated NiFe magnetic core (left) and copper coil (right)

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5.2 SAW 공진기 온도센서

그림 12는 제작된 SAW 온도센서 및 온도변화에 따른 공진기의 중심주파수의 변화를 네크워크 분석기로 측정한 결과를 보여준다. 온도가 증가함에 따라, 중심주파수가 다운시프트 하는 것을 확인할 수 있다. 약 100도 온도가 증가함에 따라 3MHz 정도주파수가 시프트 되었다. SAW 온도센서의 전체 사이즈는 0.5cm x 0.8cm이다.

그림. 12. 제작된 단일 포트 SAW 공진기의 IDT 사진 및 온도변화에 따른 주파수 시프트 측정결과

Fig. 12. IDT photograph and frequency shifts of the fabricated one port SAW resonator in terms of the temperature

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5.3 자기장 발생기와 안테나 사이의 신호 전달

그림 13은 자기장 발생기 신호유무에 따른 안테나의 수신 전압을 보여준다. 자기장 발생기에는 function generator를 이용해 250MHz 2.2Vp-p를 인가하였으며, 약 25ns 간격으로 신호를 보내다 차단하여 측정하였다. 측정은 약 30cm에서 진행되었다, 자기장 발생기에서 발생한 신호의 주파수와 동일한 250MHz의 AC 신호가 안테나에서 수신되는 것을 확인하였다. 그림 14는 지상의 자기장 발생기와 지하의 안테나 간에 주파수 특성을 보여준다. 본 연구에서 통신에 사용한 주파수 대역인 250MHz 정도에서, 손실이 가장 적은 것을 확인할 수 있다. 또한, 자기장 전달 매질이 흙이나 물일 경우에 공기일 때보다 손실 없이 전달되는 것을 확인할 수 있는데, 이는 공기 중에서보다 주변 환경의 영향을 덜 받기 때문으로 분석된다.

그림. 13. 자기장 발생기의 신호 유무에 따른 안테나 수신 전압 변화

Fig. 13. Variation of antenna receiver voltage with or without magnetic field generator signal

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그림. 14. 다양한 매질에서, 자기장 발생기와 안테나 사이의 신호 전달 손실 비교

Fig. 14. Comparison of signal transmission losses between magnetic field generators and antennas in various media

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5.4 전체 시스템 측정 결과

그림 15는 전체 지중 무선 온도센서 시스템의 측정 셋업을 보여준다. 전체 측정 시스템에서는 지중에서의 측정을 위해 전선이 필요하지 않도록, 무선으로 시스템을 구현하였다. 지상의 자기장 발생기, 지중의 자기장 안테나와 단일 포트 SAW 온도센서로 구성되며, 지하의 안테나와 SAW 온도센서는 외부로부터의 오염 및 부식 등을 막기 위해 PDMS로 쉴딩하였다. 전체시스템은 네트워크 분석기를 이용해, 지상의 자기장 발생기에서의 S 측정을 통해 분석하였다. 지상의 자기장 발생기에 신호가 인가되면, 자기장의 형태로 지하의 안테나에 전달되고, 이 신호가 다시 전기 에너지로 변형되어 SAW 센서를 구동시킨 후, 반사된 신호가 다시 지상으로 전달되어 네트워크 분석기를 통해 분석된다. 그림 16은 전체 시스템의 측정 결과를 보여준다. 그림 16(a)은 SAW 센서의 온도가 증가함에 따라, 지상의 안테나에서 수신되는 주파수 대역이 다운시프트하는 것을 보여준다. 이는 지중의 SAW 센서의 온도가 변화함에 따라, SAW 센서의 중심주파수가 변화하고, 지상으로 전달되는 신호의 주파수도 다운시프트 되기 때문이다. 그림 16(b)은 전체시스템의 감도 측정 결과를 보여준다. 지중에서의 감도는 약 0.3MHz/℃ , 선형성은 96%로 분석되었다. 매질의 조건(흙, 물, 공기)에 따른 감도변화는 매우 미약했다.

그림. 15. 전체 시스템 테스팅 셋업

Fig. 15. Total testing set up

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그림. 16. (a) 지중 온도센서의 무선 측정 결과 및 (b) 매질에 따른 온도센서 감도 비교도

Fig. 16. (a) Wireless measurement result of underground temperature sensor and (b) comparison of temperature sensor sensitivity in terms of the medium

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6. 결 론

본 연구에서는 SAW 온도센서와 두 개의 자기 코일 안테나를 사용하는 지중 무선 센서시스템을 개발하였다. 안테나 사이의 통신 주파수로써 250MHz를 사용하여 지중환경에서 50cm의 리딩거리를 확보하였다. 대부분의 지하 구성 물질들(흙, 물, 유리 등)은 상대 투자율 ~1의 값을 지니기 때문에 거리에 따른 자기장 신호의 감쇠가 최소화되었으며 지중 환경에서 자기장 무선통신 기법의 적합성을 확인하였다. 또한 250MHz 중심주파수를 지닌 자기장 안테나에 의한 표면탄성파 생성 및 출력 IDT에서 전기신호로 전환됨을 확인하였다. 개발된 SAW 온도센서는 0.3MHz/℃와 0.96의 감도와 선형성을 보였다.

Acknowledgements

본 연구는 2018년도 한국전력연구원을 통해 한국전력공사의 지원(과제번호 : R18XA06-22)에 의하여 이루어진 연구로서, 관계부처에 감사드립니다.

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저자소개

김시혁(SiHyeok Kim)
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학사 아주대학교 전자공학과

현 아주대학교 전자공학과 석사과정

이기근(Keekeun Lee)
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박사 Arizona State University (2000) 석사 University of Florida (1993)

현 아주대학교 전자공학과 교수 (2004~)

연구분야 Surface Acoustic Wave (SAW), DGA Transformer Sensor, Wireless Underground Sensor, Acoustic-optic (AO) Holographic Display, Ultra- sound