전기전자 3D 마이크로 프린팅 기술 응용 연구

2015.05.11 17:41

3D 마이크로 프린팅 기술 응용 연구 http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2015040411&service_code=03
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-04-29

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3차원 마이크로 기계 전기 시스템(MEMS)은 체적이 작고, 무게가 가벼우며, 에너지 소모가 적고, 감광도가 높은 등 특징을 보유하고 있기 때문에 정밀기계, 바이오 의료, 국방, 우주항공, 원자력 산업 등 분야에서 폭넓게 응용되고 있다.

MEMS 구조는 주로 마이크로 센서, 마이크로 액추에이터(Micro Actuators) 및 처리 회로 3개 부분으로 구성되어 있으며, 그 중 핵심 부품인 마이크로 액추에이터는 주로 물리 혹은 화학 기상 증착(Chemical vapor deposition), 리소그래피(Lithography) 등 기술을 이용하여 개발한 2차원 캔틸레버 구조(Cantilever structure)에 속한다. 3차원 마이크로 나노 구동 유닛은 한층 더 기계 풀링 역할(Mechanical pulling action)을 통해야만 준(準) 3차원 구조를 형성할 수 있는 상황이다.

디바이스 소형화가 발전되고 유닛 밀도가 지속적으로 향상됨에 따라 전통적인 2차원 가공 기술은 제조 과정이 길고, 공법이 복잡할 뿐만 아니라 구조가 단일하기 때문에 마이크로 나노 구동 유닛(예를 들면 캔틸레버)의 사이즈, 위치와 방향을 동시에 제어할 수 없어 집중 정도와 작업 속도의 향상에 심각한 영향을 끼치고 있는 상황이다.

중국과학원 닝보(寧波) 재료 기술 및 공정 연구소 산하 ‘마이크로 나노 기능 재료 및 디바이스 연구팀’은 최근 관련 연구를 통해 3D 마이크로 프린팅 기술 응용 연구에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다. 연구팀은 3D 마이크로 나노 구조 제조 시스템을 기반으로 하고, 다양한 재료를 이용한 마이크로 프린팅 기술을 통해 정전기 제어가 가능한 3D 마이크로 기계 스위치를 개발하는데 성공하였다. 연구팀은 관련 연구개발 성과에 기반하여 중국 ‘국가 발명 특허’(2014106929420)를 신청한 상황이다.

연구팀은 우선 직접 쓰기(Direct Writing) 기술을 통해 쌍을 이룬 휘어지는 구리 나노 와이어로 구성된 마이크로 스위치를 개발하였다. 다음 이론 분석 결과에 근거하여 구리 나노 와이어 디바이스가 정전기장(Electrostatic field) 영향을 받아 변형이 발생하는 법칙에 대한 연구를 실행하였을 뿐만 아니라 3차원 스위치 시스템 구조에 대해 혁신적인 새로운 디자인 작업을 실행하였다.

전통적인 단일 이동 캔틸레버(Single movable cantilever)로 구성된 마이크로 액추에이터(Micro actuators)와는 달리 3차원 마이크로 기계식 스위치는 두 개의 이동 단말 부분으로 구성되었다(그림 참조). 이런 기계식 스위치는 유연성이 이상적이며 구동 전압이 6.4V 이하 수준에 달하여 전통적인 MEMS 디바이스보다 64% 이상 수준에 달하는 것으로 나타났다.

연구팀이 개발한 3차원 마이크로 기계식 스위치는 3차원 칩 제어 회로, 자동차 및 우주 산업 분야 가속도 스위치 분야에 사용될 수 있을 뿐만 아니라 회로 디자인과 결합하여 로직 제어 부품을 개발하는데 사용될 수 있다. 특히 MEMS 스위치 통합화 및 소형화 요구에 근거하여 응답성 나노 재료의 선택성 복합을 실행하고 전기학 특성 및 시스템 응답성과의 결합을 통해 마이크로 나노 정밀도를 보유한 제어 가능하고 응답성이 높은 고집적 나노 시스템(Highly Integrated Nanosystems)을 개발할 수 있다.

3차원 마이크로 프린팅 기술은 전통적인 가공 공법 제한에서 벗어나 층마다 쌓아 올리는 방식을 사용하여 어떠한 복잡 형태의 3차원 마이크로 구조와 디바이스라도 신속하고 정밀하게 직접 제조할 수 있게끔 한다. 공법 분야에서 3차원 마이크로 와이어의 직접 쓰기 과정은 일상적인 조건 하에서 실행될 수 있기 때문에 심층적인 에칭 및 반복적인 리소그래피 코팅 막 공법을 피할 수 있어 공법이 간단하고 디바이스 가공 사이클을 대폭 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라 재료 원가를 대폭 감소시킬 수 있도록 한다.

현재 동 기술을 이용하여 특징 사이즈가 200nm 이하 수준에 달하는 3차원 마이크로 구조를 직접 가공할 수 있다. 동 기술을 응용할 수 있는 재료로는 금속, 유리와 전기전도 폴리머 등이 포함되고 있다. 동 기술과 관련 공법이 한층 더 최적화됨에 따라 특징 사이즈는 한층 더 줄어들고 가공 속도는 한층 더 효과적으로 향상될 것으로 전망된다. 동 기술과 관련 공법은 3차원 칩의 직접적인 성형(Forming) 및 3차원 통합 기술의 신속한 발전을 추진하는 면에서 중대한 역할을 발휘하게 될 것으로 전망된다.

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그림 1. 3차원 마이크로 액추에이터(Micro actuators)

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그림 2. 3차원 마이크로 액추에이터(Micro actuators) 스위치 특성

[출처] http://www.cas.cn/syky/201504/t20150421_4342203.shtml

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