정자기장
전하가 가만히 있으면 전기장만 생기지만, 전하가 흐르면 그 둘레에 자기장이 생긴다. 시간에 따라 변하지 않는 전류가 만드는 이 장이 정자기장이다. 정전기장의 원천이 전하라면 정자기장의 원천은 전류이고, 전기력선이 전하에서 시작해 전하에서 끝나는 것과 달리 자기력선은 시작도 끝도 없이 닫힌다. 이 차이 하나에서 비오–사바르 법칙, 앙페르 법칙, 벡터 퍼텐셜, 쌍극자, 인덕턴스가 차례로 나온다. 반도체 공장에서 이 장은 SEM과 전자빔 묘화기의 빔을 휘고, 이온 주입기에서 원하는 이온만 골라내며, RF 칩 위에서는 나선 인덕터 속에 에너지를 담는다. 아래 화면의 도선을 끌어 보자. 같은 방향으로 흐르는 두 전류는 서로 끌어당긴다.
- 로런츠 힘 \(\mathbf F = q(\mathbf E + \mathbf v\times\mathbf B)\)로 사이클로트론 운동, 나선 운동, \(\mathbf E\times\mathbf B\) 표류를 계산하고, 전자빔 편향과 이온 질량 분석에 쓴다.
- 홀 효과에서 홀 계수 \(R_H = 1/nq\)로 캐리어의 부호와 농도를 구한다.
- 비오–사바르 법칙으로 유한 직선 도선, 원형·다각형 고리의 자기장을 구하고, 조각별 기여를 더해 전체 장을 만든다.
- 앙페르 법칙의 적분형 \(\oint\mathbf B\cdot d\mathbf l = \mu_0 I_{enc}\)과 미분형 \(\nabla\times\mathbf B = \mu_0\mathbf J\), 그리고 \(\nabla\cdot\mathbf B = 0\)의 뜻을 말하고, 대칭을 이용해 굵은 도선·동축선·솔레노이드·토로이드의 장을 구한다.
- 자기 벡터 퍼텐셜 \(\mathbf A\)를 정의하고, 2차원에서 \(A_z\)의 등고선이 자기력선이며 두 점의 \(A_z\) 차이가 그 사이를 지나는 선속임을 보인다.
- 작은 전류 고리를 자기 쌍극자 \(\mathbf m = I\mathbf S\)로 보고 먼 곳의 장, 돌림힘 \(\mathbf m\times\mathbf B\), 에너지 \(-\mathbf m\cdot\mathbf B\)를 계산한다.
- 자기 선속과 쇄교 자속에서 인덕턴스를 정의하고, 동축선·평행 두 선·솔레노이드·본딩 와이어·온칩 나선 인덕터의 인덕턴스를 계산한다.
로런츠 힘과 홀 효과
자기장은 그것이 움직이는 전하에 주는 힘으로 정의한다. 속도 \(\mathbf v\)로 움직이는 전하 \(q\)가 전기장 \(\mathbf E\)와 자기장 \(\mathbf B\) 속에서 받는 힘이 로런츠 힘(Lorentz force)이다.
자기력은 언제나 속도에 수직이다. 그래서 \(\mathbf F\cdot\mathbf v = 0\)이고 자기력은 일을 하지 않는다. 자기장은 전하의 운동 방향만 바꿀 뿐 속력(운동 에너지)은 바꾸지 못한다. 균일한 \(\mathbf B\)에 수직으로 들어온 전하는 원을 그리고, 원운동의 구심력 \(mv^2/r = |q|vB\)에서 반지름과 각진동수가 나온다.
전기장과 자기장이 함께 있으면 재미있는 일이 생긴다. \(\mathbf E\perp\mathbf B\)일 때 전하는 원운동을 하면서 전체적으로는 \(\mathbf E\)도 \(\mathbf B\)도 아닌 제3의 방향으로 미끄러진다. 원의 위쪽 반에서는 전기장이 전하를 가속해 반지름이 커지고, 아래쪽 반에서는 감속해 반지름이 작아지기 때문이다. 이 E×B 표류(E×B drift)의 속도는
종이에서 나오는 자기장(⊙) 속에 위쪽을 향하는 전기장을 걸었다. 정지해 있던 양전하와 음전하를 놓으면 둘은 전체적으로 어느 쪽으로 떠내려갈까?
로런츠 힘 사격장: 원운동과 E×B 표류로 과녁 맞히기
로런츠 힘을 도선 속의 전하에 적용하면 전류가 받는 힘이 된다. 단면적 \(A\)인 도선 속에서 밀도 \(n\)인 전하 \(q\)가 표류 속도 \(\mathbf v\)로 흐르면 길이 \(d\mathbf l\)의 조각 속 전하 \(nqA\,dl\)이 받는 힘은 \(nqA\,dl\,\mathbf v\times\mathbf B = I\,d\mathbf l\times\mathbf B\)이다. 일반적인 전류 분포에서는 부피 힘 밀도 \(\mathbf J\times\mathbf B\)를 적분한다.
가속 전압 10로 가속한 전자가 1.0 자기장에 수직으로 들어가면 궤도 반지름은 , 회전 진동수는 다. 이때 속력은 광속의 이고, 비상대론 식 \(p = \sqrt{2mK}\)를 쓰면 반지름을 작게 잡는다.
10 keV 전자빔이 길이 20 mm인 편향 코일을 지난다. 코일 속 자기장은 빔에 수직이고 균일한 1.0 mT이며, 코일 끝에서 시료까지 거리는 100 mm다. (a) 코일 속 궤도 반지름(상대론 보정 포함), (b) 편향각, (c) 시료 위 빔의 이동 거리를 구하라.
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SEM, 리뷰 SEM, CD-SEM, 마스크용 전자빔 묘화기는 모두 자기장으로 전자빔을 다룬다. 축 대칭 코일이 만드는 자기 렌즈는 축에서 먼 전자일수록 \(v\times B\)를 세게 받아 빔을 한 점으로 모으고, 직교한 두 쌍의 편향 코일은 빔을 x·y로 훑는다. 정전 편향은 빠르지만 큰 각에서 수차가 커서, 넓은 시야는 자기 편향이, 빠른 미세 위치 조정은 정전 편향이 맡는 이중 구조가 흔하다. 저가속 전압(1 kV 안팎) 빔은 운동량이 작아, 경로 1 cm에 걸친 0.1 µT의 떠도는 교류 자기장만으로도 수십 nm 흔들릴 수 있다. 그래서 장비 주변 자기 차폐와 전원 배선 관리가 중요하다. → FailureBook · SEM · 전압 대비 · 나노프로빙 · LithoBook · 마스크와 위상 변이(전자빔 묘화)
이온 주입기는 이온원에서 나온 여러 이온(예: BF₃ 플라스마의 B⁺, BF⁺, BF₂⁺, F⁺) 가운데 원하는 하나만 골라야 한다. 전압 \(V\)로 가속한 이온의 운동량은 \(\sqrt{2MqV}\)이므로 반지름 \(r = \sqrt{2MV/q}/B\)가 질량에 따라 달라지고, 분석 자석 출구의 슬릿이 한 질량만 통과시킨다. 40 kV ¹¹B⁺을 반지름 0.5 m로 휘려면 0.191 T, ⁷⁵As⁺이면 0.499 T가 필요하다. 질량 분해능 \(M/\Delta M\)은 슬릿 폭과 빔의 퍼짐으로 정해진다. → DopingBook · 질량 분석
홀 효과
전류가 흐르는 판에 수직으로 자기장을 걸면 캐리어가 \(q\mathbf v\times\mathbf B\)를 받아 판의 한쪽 옆면으로 쏠린다. 쌓인 전하는 가로 방향 전기장 \(E_y\)를 만들고, 이 장의 힘이 자기력과 같아지면 캐리어는 다시 똑바로 흐른다. 이 가로 전기장이 홀 효과(Hall effect)다. \(x\) 방향 전류 밀도 \(J_x = nqv_x\), \(z\) 방향 자기장 \(B_z\)에서 정상 상태 조건 \(E_y = v_xB_z\)를 쓰면
홀 측정은 반도체 공정에서 도핑 농도와 이동도를 재는 표준 방법이고, 홀 센서는 전류 센서와 위치 센서로 칩에 들어간다. 판 모양이 불규칙할 때 쓰는 반 데르 포 방법과 두 종류 캐리어가 함께 있을 때의 홀 계수는 고체물리 책 전자 동역학(홀 효과와 홀 이동도)에서, 소자 관점의 해석은 DeviceBook · 캐리어 수송에서 자세히 다룬다.
두께 10 µm인 실리콘 막에 \(I = 1.0\) mA를 흘리고 수직으로 \(B = 0.50\) T를 걸었더니 \(V_H = E_yw = -31.2\) mV였다. 캐리어 종류와 농도(cm⁻³)를 구하라.
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비오–사바르 법칙
쿨롱 법칙이 점전하 하나의 전기장을 주듯, 비오–사바르 법칙(Biot–Savart law)은 짧은 전류 조각 하나가 만드는 자기장을 준다. 원천 점 \(\mathbf r'\)의 전류 조각 \(I\,d\mathbf l'\)이 관측점 \(\mathbf r\)에 만드는 장은 조각과 거리 벡터 \(\mathbf R = \mathbf r - \mathbf r'\) 모두에 수직이고, 거리의 제곱에 반비례한다.
쿨롱 법칙과 견주면 차이가 분명하다. 원천이 스칼라(전하)가 아니라 벡터(전류 조각)이고, 장이 \(\hat{\mathbf R}\) 방향이 아니라 \(d\mathbf l'\times\hat{\mathbf R}\) 방향이라 원천을 감아 돈다. 가장 기본적인 결과는 직선 도선 조각의 장이다.
- 전류 조각 \(I\,dl'\)과 거리 벡터 \(\mathbf R\). 오른손 규칙으로 \(d\mathbf B\)는 P에서 종이로 들어간다(\(\hat{\boldsymbol\phi}\) 방향). 모든 조각이 같은 방향의 장을 주므로 크기만 적분한다.
- \(z' = \rho\tan\alpha\)로 치환하면 \(\rho\,dz'/R^3 = \cos\alpha\,d\alpha/\rho\)가 되어, 도선 끝을 보는 두 각 \(\alpha_1, \alpha_2\)만으로 결과가 정해진다.
- 무한 도선과 반무한 도선의 극한. 고리나 다각형 도선은 이 식을 변마다 더하면 된다.
EM.Bsegment).반지름 \(R\)인 원형 고리의 중심축 위에서는 고리의 모든 조각이 축과 같은 각을 이루므로, 축에 수직인 성분은 서로 상쇄되고 축 성분만 남는다.
EM.Bloop).반지름 10인 고리에 1.0를 흘리면 중심의 자기장은 이고, 축을 따라 10 떨어진 곳에서는 , 곧 중심 값의 이다. 같은 자리의 지구 자기장(약 50 µT)과 비교하면 배다.
비오–사바르 조립대: 고리를 조각조각 더하기
한 변이 \(a = 2.0\) cm인 정사각형 고리에 1.0 A가 흐른다. 중심의 자기장을 구하고, 지름이 \(a\)인 원형 고리(내접원)의 중심 장과 비교하라.
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앙페르 법칙: 적분형과 미분형
무한 직선 도선의 장 \(B = \mu_0I/2\pi\rho\)를 반지름 \(\rho\)인 원을 따라 적분하면 \(B\cdot2\pi\rho = \mu_0I\)로 \(\rho\)가 사라진다. 원 대신 어떤 모양의 닫힌 경로를 잡아도 결과는 같고, 경로 밖의 전류는 아무 기여도 하지 않는다. 비오–사바르 법칙에서 일반적으로 증명되는 이 성질이 앙페르 법칙(Ampère's law)이다.
닫힌 경로 \(C\)를 따른 \(\mathbf B\)의 선적분은 \(C\)를 테두리로 하는 면을 꿰뚫는 알짜 전류의 \(\mu_0\)배다. 스토크스 정리로 미분형을 얻는다.
자기장의 또 다른 기본 성질은 발산이 없다는 것이다. 비오–사바르 식은 \(\mathbf B = \nabla\times(\cdots)\)의 꼴로 쓸 수 있고, 회전의 발산은 언제나 0이다.
고리 안에 도선 하나(+2 A)가 있고, 고리 밖에 다른 도선(−1 A)이 있다. 바깥 도선을 고리 바로 옆까지 끌고 오면 고리를 따라 잰 \(\oint\mathbf B\cdot d\mathbf l\)은?
앙페르 고리 그리기: 선적분과 둘러싼 전류
앙페르 법칙은 언제나 성립하지만, 이것만으로 \(\mathbf B\)를 구할 수 있는 것은 대칭 덕분에 고리 위에서 \(B\)가 일정하고 방향이 경로와 나란하거나 수직일 때뿐이다. 원통 대칭(직선 도선, 동축선), 평면 대칭(무한 면전류), 그리고 솔레노이드·토로이드가 그런 경우다.
| 전류 분포 | 앙페르 고리 | 결과 |
|---|---|---|
| 반지름 \(a\)인 굵은 도선, 균일한 전류 \(I\) | 동심원 \(\rho\) | \(\rho < a\): \(B = \mu_0I\rho/2\pi a^2\), \(\rho > a\): \(\mu_0I/2\pi\rho\) |
| 동축선(안 도체 \(a\), 바깥 도체 \(b\)–\(c\), 왕복 \(\pm I\)) | 동심원 \(\rho\) | \(a < \rho < b\): \(\mu_0I/2\pi\rho\), \(\rho > c\): 0 |
| 무한 평면 면전류 \(\mathbf K\) | 면을 가로지르는 직사각형 | \(B = \mu_0K/2\) (양쪽 반대 방향) |
| 긴 솔레노이드(단위 길이당 \(n\)번) | 안팎에 걸친 직사각형 | 안: \(B = \mu_0nI\), 밖: 0 |
| 토로이드(\(N\)번) | 동심원 \(\rho\) | 코어 안: \(B = \mu_0NI/2\pi\rho\), 밖: 0 |
- 긴 솔레노이드의 단면. 대칭 때문에 안의 장은 축 방향이고 위치에 거의 무관하다.
- 한 변은 안, 한 변은 밖에 둔 직사각형 고리를 잡는다. 옆 변은 장에 수직이고, 바깥 장은 (무한히 긴 경우) 0이다.
- 고리가 꿰뚫는 전류는 \(n\ell I\). 그래서 \(B = \mu_0nI\)이고, 안쪽 변의 높이를 바꿔도 같으므로 안의 장은 균일하다.
미분형 \(\nabla\times\mathbf B = \mu_0\mathbf J\)는 "전류가 흐르는 바로 그 자리에서만 자기장이 소용돌이친다"는 뜻이다. 도선 밖에서 \(B\propto1/\rho\)로 휘어 도는 장은 회전이 0이고, 도선 안에서 \(B\propto\rho\)로 강체처럼 도는 장은 회전이 \(\mu_0J\)다. 장 속에 작은 물레방아를 넣어 보면 이 차이가 보인다.
동축 케이블의 안 도체 반지름 \(a = 0.50\) mm, 바깥 도체는 안반지름 \(b = 2.0\) mm, 바깥반지름 \(c = 2.2\) mm다. 안 도체로 2.0 A가 가고 바깥 도체로 돌아온다(두 도체 속 전류는 균일). \(\rho = 0.25,\ 1.0,\ 2.1,\ 3.0\) mm에서 \(B\)를 구하라.
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유한한 솔레노이드와 헬름홀츠 코일
현실의 코일은 유한하다. 길이 \(L\), 반지름 \(R\), 감은 수 \(N\)인 솔레노이드의 축 위 장은 원형 고리 축 장을 길이에 대해 적분해 얻는다. 같은 반지름의 고리 두 개를 반지름만큼 떨어뜨린 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil)은 짧으면서도 가운데 장이 매우 고르다.
헬름홀츠 코일의 간격을 반지름의 두 배(\(d = 2R\))로 벌리면 축 위 \(B_z(z)\)의 모양은?
코일의 자기력선과 축 위 장: 헬름홀츠 균일도 도전
길이 10 cm, 반지름 2.0 cm에 200번 감은 솔레노이드에 1.0 A가 흐른다. 중심과 한쪽 끝(축 위)의 자기장을 구하고 무한 솔레노이드 값과 비교하라.
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자기 벡터 퍼텐셜
정전기장은 회전이 없어서 스칼라 퍼텐셜의 기울기 \(\mathbf E = -\nabla V\)로 쓸 수 있었다. 자기장은 발산이 없다. 발산이 없는 벡터장은 언제나 어떤 벡터장의 회전으로 쓸 수 있으므로(1장 헬름홀츠 정리), 자기 벡터 퍼텐셜(magnetic vector potential) \(\mathbf A\)를 다음처럼 정의한다.
푸아송 방정식의 해는 정전기에서 이미 알고 있다. \(\nabla^2V = -\rho_v/\varepsilon_0\)의 해가 \(V = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\int\frac{\rho_v}{R}dv'\)이었으니, 성분별로 같은 꼴을 쓰면
| 정전기 | 정자기 | |
|---|---|---|
| 원천 | 전하 밀도 \(\rho_v\) | 전류 밀도 \(\mathbf J\) |
| 기본 법칙 | \(\nabla\cdot\mathbf E = \rho_v/\varepsilon_0\), \(\nabla\times\mathbf E = 0\) | \(\nabla\times\mathbf B = \mu_0\mathbf J\), \(\nabla\cdot\mathbf B = 0\) |
| 퍼텐셜 | \(\mathbf E = -\nabla V\), \(\nabla^2V = -\rho_v/\varepsilon_0\) | \(\mathbf B = \nabla\times\mathbf A\), \(\nabla^2\mathbf A = -\mu_0\mathbf J\) |
| 적분 해 | \(V = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_0}\displaystyle\int\frac{\rho_v}{R}dv'\) | \(\mathbf A = \dfrac{\mu_0}{4\pi}\displaystyle\int\frac{\mathbf J}{R}dv'\) |
| 무한 선원천 | \(V = -\dfrac{\lambda}{2\pi\varepsilon_0}\ln\dfrac{\rho}{\rho_0}\) | \(A_z = -\dfrac{\mu_0I}{2\pi}\ln\dfrac{\rho}{\rho_0}\) |
| 쌍극자 먼 장 | \(\propto p/r^3\) | \(\propto m/r^3\) |
| 회로 상수 | \(C = Q/V\) | \(L = \Lambda/I\) |
전류가 모두 \(z\) 방향인 2차원 문제(나란한 도선들, 전송선 단면)에서 \(\mathbf A = A_z(x, y)\hat{\mathbf z}\)이고 \(\mathbf B = \nabla\times\mathbf A = (\partial_yA_z,\ -\partial_xA_z,\ 0)\)이다. 그러면 \(\mathbf B\cdot\nabla A_z = 0\): 자기장은 \(A_z\)의 등고선을 따라 흐른다. 게다가 두 점 \(P_1, P_2\)를 잇는 선분과 \(z\) 방향 1 m가 만드는 띠를 지나는 선속은 \(\Phi' = A_z(P_2) - A_z(P_1)\)이다. 등고선을 같은 간격 \(\Delta A_z\)로 그리면 이웃한 자기력선 사이로 같은 선속이 지나고, 선이 촘촘한 곳이 장이 센 곳이다.
벡터 퍼텐셜 지도: 등고선이 자기력선이다
1.0가 흐르는 긴 직선 도선에서 거리 1.0와 10.0 사이, 길이 1 m의 띠를 지나는 자기 선속은 \(\Phi' = \frac{\mu_0I}{2\pi}\ln\frac{\rho_2}{\rho_1}\) = 이다. 두 반지름의 비만 중요하므로, 거리를 열 배로 늘릴 때마다 씩 더해진다.
반지름 \(a = 0.50\) mm인 두 도선이 중심 간격 \(D = 10\) mm로 나란히 놓여 \(\pm I\)를 나른다. 도선 속 전류가 중심에 모여 있다고 보고(가는 도선 근사), 두 도선 사이를 지나는 단위 길이당 선속 \(\Phi'/I\)를 벡터 퍼텐셜로 구하라.
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자기 쌍극자
전류 고리를 그 크기보다 훨씬 먼 곳에서 보면 모양은 사라지고 하나의 벡터만 남는다. 고리 면적 벡터 \(\mathbf S\)(오른손 규칙으로 전류 방향을 감싸는 법선)에 전류를 곱한 자기 쌍극자 모멘트(magnetic dipole moment)다.
균일한 자기장 속의 쌍극자는 알짜 힘을 받지 않지만 돌림힘을 받아 \(\mathbf B\)와 나란해지려 한다. 나침반 바늘, 전동기, 원자의 자기 모멘트가 모두 이렇게 행동한다. 장이 균일하지 않으면 알짜 힘도 생긴다.
반지름 1.0 mm인 원형 고리에 10 mA가 흐른다. (a) 자기 쌍극자 모멘트, (b) 축 위 10 mm에서 정확한 장과 쌍극자 근사, (c) 50 mT 균일 자기장에 수직으로 놓였을 때 돌림힘을 구하라.
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자기 선속과 인덕턴스
면 \(S\)를 지나는 자기 선속(magnetic flux)은 \(\Phi = \int_S\mathbf B\cdot d\mathbf S\)(단위 웨버, Wb = T·m²)이다. \(\nabla\cdot\mathbf B = 0\)이므로 같은 테두리를 가진 면이면 어떤 면을 잡아도 값이 같다. 코일처럼 도선이 여러 번 감겨 있으면 각 바퀴가 감싸는 선속을 모두 더한 쇄교 자속(flux linkage) \(\Lambda\)를 쓴다. \(N\)번 감은 코일의 모든 바퀴가 같은 선속을 감싸면 \(\Lambda = N\Phi\)다. 정자기장에서 \(\Lambda\)는 전류에 비례하고, 그 비례 상수가 인덕턴스(inductance)다.
계산 순서는 정전 용량과 같다. ① 전류 \(I\)를 가정한다. ② 앙페르 법칙이나 비오–사바르로 \(\mathbf B\)를 구한다. ③ 쇄교 자속 \(\Lambda\)를 적분한다(또는 에너지 \(W_m\)을 적분한다). ④ \(L = \Lambda/I\). 도체 내부의 장이 만드는 몫(내부 인덕턴스(internal inductance))은 감싸는 전류가 일부뿐이라 선속으로 세기 까다로우므로 에너지 식으로 구한다. 반지름 \(a\)인 도선 속 \(B = \mu_0I\rho/2\pi a^2\)을 \(W_m\)에 넣으면 단위 길이당 \(\mu_0/8\pi = 0.05\ \mu\)H/m로, 반지름에 무관하다.
| 구조 | 인덕턴스 | 비고 |
|---|---|---|
| 동축선(안 \(a\), 바깥 \(b\)) | \(L' = \dfrac{\mu}{2\pi}\ln\dfrac ba\) | 저주파에서는 안 도체 내부 \(\mu/8\pi\)를 더한다 |
| 평행 두 선(반지름 \(a\), 간격 \(D\)) | \(L' = \dfrac{\mu}{\pi}\cosh^{-1}\dfrac{D}{2a} \approx \dfrac{\mu}{\pi}\ln\dfrac Da\) | 왕복 회로 전체, 표피 효과로 전류가 표면에 있을 때 |
| 긴 솔레노이드 | \(L = \dfrac{\mu N^2A}{\ell}\) | 끝 효과로 실제는 조금 작다(나가오카 계수) |
| 토로이드(직사각 단면 높이 \(h\)) | \(L = \dfrac{\mu N^2h}{2\pi}\ln\dfrac ba\) | 새는 장이 거의 없다 |
| 곧은 도선(길이 \(\ell \gg a\)) 부분 자기 인덕턴스 | \(L \approx \dfrac{\mu_0\ell}{2\pi}\left(\ln\dfrac{2\ell}{a} - \dfrac34\right)\) | 본딩 와이어 약 1 nH/mm |
| 평면 나선(정사각, \(n\)번) | \(L = \dfrac{2.34\mu_0n^2d_{avg}}{1 + 2.75\rho}\) | 수정 휠러 식, 오차 수 % |
동축선과 평행 두 선의 단위 길이 인덕턴스와 정전 용량(3장)을 곱하면 \(L'C' = \mu\varepsilon\)이다. 이것은 우연이 아니라, 두 도체 사이를 지나는 TEM 파의 속도가 \(1/\sqrt{\mu\varepsilon}\)이라는 사실의 다른 얼굴이다. 그래서 \(L'\)만 알면 \(C'\)과 특성 임피던스 \(Z_0 = \sqrt{L'/C'}\)가 함께 나온다(12장).
지름 25, 길이 1.0인 금 본딩 와이어의 부분 자기 인덕턴스는 \(L \approx \frac{\mu_0\ell}{2\pi}(\ln\frac{2\ell}{a} - \frac34)\) = 이다. 이 와이어로 전원을 공급하는데 전류가 100를 1.0 동안 바뀌면 \(L\,di/dt\) = 의 전원 잡음(그라운드 바운스)이 생기고, 5 GHz에서 리액턴스는 이다.
와이어 본딩 패키지에서 칩과 기판을 잇는 금·구리 와이어는 길이 1–3 mm에 1 nH/mm 정도의 인덕턴스를 가진다. 수백 개 출력이 동시에 바뀌면 전원·접지 와이어의 \(L\,di/dt\)가 수백 mV에 이르러 논리 오류를 부르고(동시 스위칭 잡음), 수 GHz 신호선에서는 \(\omega L\)이 수십 Ω이 되어 임피던스 정합을 깬다. 플립칩 범프(높이 수십 µm, 수십 pH)와 실리콘 인터포저·TSV가 고속 칩의 표준이 된 이유가 인덕턴스다. 전원 핀을 여러 개 병렬로 두고 왕복 경로를 가깝게 붙이는 것도 쇄교 자속을 줄여 \(L\)을 낮추는 방법이다. → PackagingBook · 와이어 본딩
온칩 나선 인덕터
RF 송수신기, LC 발진기(VCO), 정합 회로, 전원 변환기는 칩 위에 인덕터를 만든다. 가장 두꺼운 위층 금속으로 사각·팔각 나선을 그리고, 안쪽 끝은 아래층 금속(언더패스)으로 빼낸다. 면적이 작으면서 인덕턴스가 커야 하므로 같은 방향으로 감긴 이웃 변 사이의 상호 인덕턴스가 \(L\)을 \(n^2\)에 가깝게 키운다. 설계에는 모한(Mohan) 등이 정리한 수정 휠러 식을 흔히 쓴다.
EM.ind.spiral). 품질 계수 \(Q = \omega L/R\)는 금속 저항(표피 효과로 GHz에서 커짐)과 기판 손실이 제한한다.바깥 지름 \(d_{out}\)과 선폭·간격을 그대로 두고 감은 수만 2번에서 4번으로 늘리면 인덕턴스는 대략 몇 배가 될까?
온칩 나선 인덕터 설계: 목표 nH를 가장 작은 면적에
바깥 지름 200 µm, 선폭 10 µm, 간격 2 µm로 정사각 나선을 3번 감았다. (a) 안 지름, (b) 수정 휠러 식의 인덕턴스, (c) 도선 길이를 \(4nd_{avg}\)로 어림하고 5 GHz에서 두께 3 µm 구리의 표피 효과를 고려한 저항과 \(Q\)를 구하라(\(\sigma = 5.8\times10^7\) S/m).
풀이 보기
PLL 속 LC-VCO의 발진 주파수는 \(f_0 = 1/2\pi\sqrt{LC}\)이고, 인덕터의 \(Q\)가 탱크의 손실 저항 \(R_p = Q\omega_0L\)을 정한다. \(Q\)가 두 배면 같은 전력에서 위상 잡음이 약 6 dB 좋아진다(리슨 식). 그래서 RF 공정은 3–4 µm 두께의 최상층 구리나 알루미늄 재배선층, 고저항 기판, 패턴 접지 차폐(기판 와전류를 끊되 전기장은 막는 빗살 무늬 접지)를 제공한다. 인덕터 하나가 디지털 게이트 수만 개 면적을 차지하고, 주변 회로와 자기 결합을 피하려 거리를 두어야 하므로 칩 면적에서 큰 비용이 된다. → AnalogBook · 발진기와 PLL
핵심 정리
- 로런츠 힘 \(\mathbf F = q(\mathbf E + \mathbf v\times\mathbf B)\). 자기력은 일을 하지 않는다. 균일한 \(\mathbf B\)에서 \(r = p_\perp/|q|B\), \(\omega_c = |q|B/m\)(속력 무관), 나란한 성분이 있으면 나선. \(\mathbf E\perp\mathbf B\)이면 부호·질량과 무관한 표류 \(\mathbf v_d = \mathbf E\times\mathbf B/B^2\). 전류가 받는 힘 \(I\,d\mathbf l\times\mathbf B\), 평행 도선 \(\mu_0I_1I_2/2\pi d\).
- 홀 효과: \(E_y = R_HJ_xB_z\), \(R_H = 1/nq\), \(V_H = IB/nqt\). 홀 전압의 부호가 캐리어 종류를, 크기가 농도를, 비저항과 함께 이동도를 준다.
- 비오–사바르 \(d\mathbf B = \frac{\mu_0}{4\pi}\frac{I\,d\mathbf l'\times\hat{\mathbf R}}{R^2}\). 유한 직선 \(B = \frac{\mu_0I}{4\pi\rho}(\sin\alpha_2 - \sin\alpha_1)\), 무한 직선 \(\mu_0I/2\pi\rho\), 고리 축 \(\mu_0IR^2/2(R^2 + z^2)^{3/2}\), 고리 중심 \(\mu_0I/2R\).
- 앙페르 \(\oint\mathbf B\cdot d\mathbf l = \mu_0I_{enc}\) ⇔ \(\nabla\times\mathbf B = \mu_0\mathbf J\), 그리고 \(\nabla\cdot\mathbf B = 0\)(단극 없음, 자기력선은 닫힌다). 대칭이 있을 때만 B를 구하는 도구가 된다: 굵은 도선 안 \(\mu_0I\rho/2\pi a^2\), 동축선 밖 0, 솔레노이드 \(\mu_0nI\), 토로이드 \(\mu_0NI/2\pi\rho\), 면전류 \(\mu_0K/2\), 헬름홀츠 중심 \((4/5)^{3/2}\mu_0NI/R\).
- 벡터 퍼텐셜 \(\mathbf B = \nabla\times\mathbf A\), 쿨롱 게이지에서 \(\nabla^2\mathbf A = -\mu_0\mathbf J\), \(\mathbf A = \frac{\mu_0}{4\pi}\int\frac{\mathbf J}{R}dv'\), \(\Phi = \oint\mathbf A\cdot d\mathbf l\). 2차원에서 \(A_z\) 등고선이 자기력선이고 두 점의 \(A_z\) 차가 그 사이 단위 길이당 선속이다.
- 자기 쌍극자 \(\mathbf m = I\mathbf S\): 먼 장 \(\frac{\mu_0m}{4\pi r^3}(2\cos\theta\,\hat{\mathbf r} + \sin\theta\,\hat{\boldsymbol\theta})\), 돌림힘 \(\mathbf m\times\mathbf B\), 에너지 \(-\mathbf m\cdot\mathbf B\), 힘 \(\nabla(\mathbf m\cdot\mathbf B)\). 원자 단위 \(\mu_B = 9.274\times10^{-24}\) A·m².
- 인덕턴스 \(L = \Lambda/I = 2W_m/I^2\). 동축 \(\frac{\mu}{2\pi}\ln\frac ba\)(+내부 \(\mu/8\pi\)), 평행 두 선 \(\frac\mu\pi\cosh^{-1}\frac{D}{2a}\), 솔레노이드 \(\mu N^2A/\ell\), 본딩 와이어 약 1 nH/mm, 나선 \(2.34\mu_0n^2d_{avg}/(1 + 2.75\rho)\). TEM 선로에서 \(L'C' = \mu\varepsilon\).
연습문제
\(\mu_0 = 4\pi\times10^{-7}\) H/m, \(\varepsilon_0 = 8.854\times10^{-12}\) F/m, \(e = 1.602\times10^{-19}\) C, \(m_e = 9.109\times10^{-31}\) kg, \(m_p = 1.673\times10^{-27}\) kg. 답이 ±1% 이내면 정답이다.
양성자가 \(1.0\times10^6\) m/s로 0.50 T 균일 자기장에 수직으로 들어간다. 궤도 반지름과 사이클로트론 진동수는?
\(r = m_pv/eB = (1.673\times10^{-27})(10^6)/(1.602\times10^{-19}\times0.50) = 2.09\times10^{-2}\) m = 2.09 cm. \(f_c = eB/2\pi m_p = 7.62\) MHz(속력에 무관).
ECR(전자 사이클로트론 공명) 플라스마 장비는 2.45 GHz 마이크로파를 쓴다. 전자의 사이클로트론 진동수가 이와 같아지는 자기장은?
\(B = 2\pi fm_e/e = 2\pi(2.45\times10^9)(9.109\times10^{-31})/1.602\times10^{-19} = 0.0875\) T = 87.5 mT. 이 자기장 면에서 전자가 마이크로파 에너지를 공명 흡수해 낮은 압력에서도 고밀도 플라스마가 생긴다.
두께 2.0 µm인 실리콘 막에 \(I = 0.50\) mA, \(B = 0.40\) T를 걸었더니 \(V_H = E_yw = +5.2\) mV였다. 막의 비저항은 0.10 Ω·cm다. 다수 캐리어의 농도(cm⁻³)와 홀 이동도는?
\(p = (0.50\times10^{-3})(0.40)/[(1.602\times10^{-19})(2.0\times10^{-6})(5.2\times10^{-3})] = 1.20\times10^{23}\) m⁻³ = \(1.20\times10^{17}\) cm⁻³. \(R_H = 1/pe = 5.2\times10^{-5}\) m³/C, \(\rho = 1.0\times10^{-3}\) Ω·m → \(\mu_H = 0.052\) m²/(V·s) = 520 cm²/(V·s).
긴 직선 전원 케이블에 10 A가 흐른다. 5.0 cm 떨어진 곳의 자기장은? (지구 자기장과 비교해 보라.)
\(B = \mu_0I/2\pi\rho = (2\times10^{-7})(10)/0.050 = 4.00\times10^{-5}\) T = 40.0 µT — 지구 자기장과 비슷해 나침반을 흔든다.
칩 위 길이 100 µm인 전원 배선에 10 mA가 흐른다(돌아오는 경로는 멀리 있다고 본다). 배선 가운데에서 수직으로 1.0 µm 떨어진 점과, 한쪽 끝에서 수직으로 1.0 µm 떨어진 점의 자기장은?
가운데: \(\frac{\mu_0I}{4\pi\rho}\cdot2\cdot\frac{50}{\sqrt{50^2 + 1^2}} = (10^{-7})(0.010)/(10^{-6})\times1.9996 = 2.00\) mT. 끝: \(\frac{\mu_0I}{4\pi\rho}\cdot\frac{100}{\sqrt{100^2 + 1}} = 1.00\) mT. 1 µm 거리에서 배선은 거의 무한 도선(가운데)·반무한 도선(끝)으로 보인다.
반지름 10 cm, 코일당 100번 감은 헬름홀츠 코일(간격 10 cm)에 1.0 A가 흐른다. 중심의 자기장은?
고리 하나가 \(z = R/2\)에서 주는 장 \(\mu_0NIR^2/2(R^2 + R^2/4)^{3/2}\)의 두 배 \(= (4/5)^{3/2}\mu_0NI/R = 0.7155\times(4\pi\times10^{-7})(100)(1.0)/0.10 = 8.99\times10^{-4}\) T = 0.899 mT.
반지름 1.0 mm인 구리 도선에 10 A가 균일하게 흐른다. 중심에서 0.50 mm인 곳의 \(B\)와, 그 점에서 \(|\nabla\times\mathbf B|\)는?
\(B = \mu_0I\rho/2\pi a^2 = (2\times10^{-7})(10)(0.5\times10^{-3})/(10^{-6}) = 1.00\) mT. \(|\nabla\times\mathbf B| = \mu_0J = \mu_0I/\pi a^2 = (4\pi\times10^{-7})(10)/(\pi\times10^{-6}) = 4.00\) T/m. 확인: 원통 좌표 \(\frac1\rho\frac{d}{d\rho}(\rho B_\phi) = \frac1\rho\frac{d}{d\rho}\left(\frac{\mu_0I\rho^2}{2\pi a^2}\right) = \frac{\mu_0I}{\pi a^2}\).
마그네트론 음극 앞의 플라스마 덮개에서 전기장 \(1.0\times10^4\) V/m와 그에 수직인 자기장 0.10 T가 만난다. 전자의 \(\mathbf E\times\mathbf B\) 표류 속력은? (표류는 음극 표면을 따라 닫힌 고리를 돈다.)
\(v_d = E/B = 10^4/0.10 = 1.00\times10^5\) m/s. 전자가 표면을 따라 맴돌며 이온화 충돌을 많이 일으켜 낮은 압력에서도 스퍼터링이 잘 된다(7장 마그네트론).
균일한 자기장 \(\mathbf B = B_0\hat{\mathbf z}\)에 대해 \(\mathbf A = \tfrac12B_0(-y\hat{\mathbf x} + x\hat{\mathbf y})\)는 쿨롱 게이지를 만족하는 벡터 퍼텐셜이다. \(B_0 = 0.10\) T일 때 반지름 2.0 cm인 원(xy 평면, 반시계)을 따라 \(\oint\mathbf A\cdot d\mathbf l\)을 구하라.
\(\nabla\times\mathbf A = \hat{\mathbf z}(\partial_xA_y - \partial_yA_x) = B_0\hat{\mathbf z}\), \(\nabla\cdot\mathbf A = 0\). 원 위 \(\oint\mathbf A\cdot d\mathbf l = \tfrac12B_0R\cdot2\pi R = \pi R^2B_0 = \pi(0.020)^2(0.10) = 1.26\times10^{-4}\) Wb. 원을 지나는 선속 \(\pi R^2B_0\)와 같다.
길이 20 cm, 반지름 1.0 cm에 500번 감은 공심 솔레노이드의 인덕턴스는(끝 효과 무시)?
\(L = \mu_0N^2A/\ell = (4\pi\times10^{-7})(500)^2\pi(0.010)^2/0.20 = 4.93\times10^{-4}\) H = 0.493 mH.
안 도체 반지름 1.0 mm, 바깥 도체 안반지름 4.0 mm인 동축선의 단위 길이 외부 인덕턴스와, 저주파에서 안 도체 내부 인덕턴스까지 더한 값은?
외부: \((\mu_0/2\pi)\ln4 = (2\times10^{-7})(1.386) = 0.277\ \mu\)H/m. 내부 \(\mu_0/8\pi = 0.050\ \mu\)H/m를 더하면 0.327 µH/m. 고주파에서는 표피 효과로 전류가 도체 표면으로 몰려 내부 몫이 사라진다.
반지름 1.0 mm인 두 도선이 중심 간격 3.0 mm로 공기 중에 나란히 있다. 정확한 식으로 단위 길이 인덕턴스를 구하고, \(L'C' = \mu_0\varepsilon_0\)로 단위 길이 정전 용량을 구하라. \(\ln(D/a)\) 근사는 몇 % 틀리는가?
\(\cosh^{-1}1.5 = \ln(1.5 + 1.118) = 0.9624\). \(L' = (4\times10^{-7})(0.9624) = 0.385\ \mu\)H/m. \(C' = \mu_0\varepsilon_0/L' = 1.1127\times10^{-17}/3.850\times10^{-7} = 28.9\) pF/m. 근사 \((\mu_0/\pi)\ln3 = 0.439\ \mu\)H/m는 14% 크다 — 도선이 가까우면 근접 효과로 전류가 마주 보는 쪽에 몰려 쇄교 자속이 줄어든다.
바깥 지름 250 µm, 선폭 8 µm, 간격 2 µm로 정사각 나선을 4번 감는다. 안 지름과 수정 휠러 식의 인덕턴스는?
\(d_{in} = 250 - 2(4)(8) - 2(3)(2) = 174\ \mu\)m. \(d_{avg} = 212\ \mu\)m, \(\rho = 76/424 = 0.179\). \(L = 2.34(4\pi\times10^{-7})(16)(212\times10^{-6})/(1 + 2.75\times0.179) = 6.68\) nH.
앙페르 고리 위의 모든 점에서 \(\oint\mathbf B\cdot d\mathbf l = 0\)이었다. 옳은 결론은?
선적분이 0이라는 것은 \(I_{enc} = 0\)이라는 뜻일 뿐이다. 바깥 전류의 장이나, 크기가 같고 방향이 반대인 두 전류를 함께 감싼 경우에도 고리 위에 장이 있다. 대칭이 없으면 앙페르 법칙만으로 B를 구할 수 없다.
같은 크기·모양의 n형과 p형 실리콘 막에 같은 방향의 전류 \(I\)와 자기장 \(B\)를 걸었다. 두 막에서 일어나는 일로 옳은 것은?
\(q\mathbf v\)는 두 경우 모두 전류 방향(\(\mathbf J = nq\mathbf v\))이므로 \(q\mathbf v\times\mathbf B\)의 방향이 같다. 같은 쪽에 음전하(n형) 또는 양전하(p형)가 쌓여 \(E_y\)의 부호가 반대가 된다. 이것이 정공이 실제로 양전하처럼 행동한다는 실험적 증거다.
개념 확인 퀴즈
균일한 자기장만 있는 공간에서 전자가 나선 운동을 한다. 시간이 지나면 전자의 운동 에너지는?
\(\nabla\cdot\mathbf B = 0\)에서 곧바로 나오는 결론이 아닌 것은?
다음 중 앙페르 법칙 하나만으로 자기장을 구할 수 없는 것은?
나란한 도선들의 2차원 문제에서 \(A_z\)의 등고선을 같은 간격으로 그렸다. 옳은 해석은?
동축선의 모든 치수(안 반지름, 바깥 반지름)를 절반으로 줄이면 단위 길이 외부 인덕턴스는?