KR101192478B1 - Switching device of micro electro mechanical switch, micro electro mechanical switch based on aligned carbon nanotube arrays as contact material and method for fabrication thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 마이크로 기전 스위치의 스위칭 소자, 마이크로 기전 스위치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로 기전 스위치의 접점소자간 접촉재료로서 탄소나노튜브 어레이를 사용하여 접촉성능을 향상시키는 기술에 관한 것이다.
The present invention relates to a switching element of a micromechanical switch, a micromechanical switch, and a manufacturing method thereof. More particularly, the present invention relates to a technique for improving contact performance by using a carbon nanotube array as a contact material between contact elements of a micromechanical switch. will be.
나노/마이크로 기전 시스템(N/MEMS, Nano/Micro Electro Mechanical System)의 발전으로 인해 소형화된 기계적 스위치들이 등장하였으며, 이와 더불어 N/MEMS 스위치를 위한 접촉 재료로서 도핑된 실리콘, 단결정 실리콘 카바이드와 다이아몬드, 그 외 다양한 금속과 합금 등이 개발되어 있다.Advances in nano / micro electromechanical systems (N / MEMS) have led to miniaturized mechanical switches, as well as doped silicon, single crystal silicon carbide and diamond, as contact materials for N / MEMS switches. Various other metals and alloys have been developed.
그러나 이러한 종래의 접촉 재료는 고체-고체간 접촉을 구현함에 따른 점착, 용해, 용접, 기계적 마모와 연마에 의한 표면 기능 퇴화, 좁은 실접촉 면적의 문제점을 가지고 있었다. However, these conventional contact materials have problems of adhesion, dissolution, welding, surface wear deterioration due to mechanical wear and polishing, and narrow real contact area due to solid-solid contact.
이러한 고체-고체간 접촉으로 인한 마이크로 기전 스위치의 낮은 신뢰성과 내구성, 고전류 밀도의 전달 시의 급격한 수명 단축에 관한 문제점을 해결하기 위해, 수은 마이크로 액적 (droplet)을 접촉 재료로 하는 스위치가 개시되어 있으나, 수은의 독성과 액적 크기 조정 한계로 인하여 그 실용화에 한계가 있었다. In order to solve the problems of low reliability and durability of the micromechanical switch due to such solid-solid contact, and a sudden shortening of the life when delivering a high current density, a switch using a mercury microdroplet as a contact material is disclosed. However, due to mercury toxicity and droplet size limitations, its practical use has been limited.
또한, 금속 표면에의 자가정렬된 단일층 윤활 코팅(self-assembled lubricant coating)과 나노입자 코팅(nanoparticle modification)을 이용한 접촉 재료가 개시되어 있으나, 낮은 공정 호환성과 낮은 위치 선택성으로 인하여 그 사용이 제한적으로 이루어지고 있다.In addition, contact materials using self-assembled lubricant coatings and nanoparticle modifications to metal surfaces have been disclosed, but their use is limited due to low process compatibility and low location selectivity. Is done.
최근 B. Bhushana 와 B. Galassob 연구 그룹은 탄소나노튜브가 기계적 접촉에 의해 마모되지 않아 접촉면을 구성하기에 적합한 소재임을 실험적으로 증명하였으며(Philosophical Magazine Letters, Vol. 88, No. 12, 909-916, December 2008), 이를 응용하여 Robert Vajtai, Pulickel M. Ajayan 연구 그룹은 탄소 나노튜브와 금속간의 접촉에 기반한 매크로 스케일의 전기적 브러쉬(brush)를 구현하였다(Advanced Materials, Vol. 21, 2054-2058, 2009), Recently, the B. Bhushana and B. Galassob research groups have experimentally proved that carbon nanotubes are not suitable for mechanical contact because they are not worn by mechanical contact (Philosophical Magazine Letters, Vol. 88, No. 12, 909-916). , December 2008), Robert Vajtai and Pulickel M. Ajayan's research group have implemented a macro-scale electrical brush based on the contact between carbon nanotubes and metals (Advanced Materials, Vol. 21, 2054-2058, 2009),
탄소나노튜브는 접촉 재료로서 적합한 영률(Young’s modulus)과 강도(strength), 내마모성(wear resistance)과 피로저항성(fatigue resistance), 높은 전기, 열 전도성 등과 같은 우수한 기계적, 전기적 특성을 가지나, 탄소 나노튜브-금속간의 기계적 접촉에 의해서는 금속면의 마모가 여전히 발생되며 윤활제와 같은 소비재의 보급 또한 지속적으로 이루어져야 한다는 한계가 있었다.
Carbon nanotubes have excellent mechanical and electrical properties such as Young's modulus and strength, wear and fatigue resistance, high electrical and thermal conductivity, which are suitable as contact materials. The mechanical contact between metals still causes wear of the metal surface, and there was a limit to the continuous supply of consumer goods such as lubricants.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 정렬된 탄소나노튜브 어레이를 이용하여 안정적으로 고전류 밀도를 전달할 수 있고, 수명이 반영구적이며 신뢰성이 높은 마이크로 기전 스위치의 스위칭 소자, 마이크로 기전 스위치 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
The present invention devised to solve the problems described above, using a aligned carbon nanotube array can stably deliver a high current density, a semi-permanent and reliable switching element of the micromechanical switch, micromechanical switch And it aims to provide the manufacturing method.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 마이크로 기전 스위치(micro-mechanical switch)의 스위칭 소자에 있어서, 한쌍의 접점소자(41, 42); 및 탄소나노튜브 어레이(CNT array, Carbon Nano Tube array)를 접촉 재료로 하여 상기 접점소자(41, 42)간의 접촉부 각각에 합성되는 CNT접촉층(50);을 포함하는 정렬된 탄소나노튜브 어레이를 접촉 재료로 사용하는 마이크로 기전 스위치의 스위칭 소자를 기술적 요지로 한다.The present invention for achieving the above object, the switching element of the micro-mechanical switch (micro-mechanical switch), a pair of contact elements (41, 42); And a CNT contact layer (50) synthesized at each contact between the contact elements (41, 42) using a carbon nanotube array (CNT array, Carbon Nano Tube array) as a contact material. The switching element of the micro electromechanical switch used as a contact material is a technical subject matter.
여기서, 상기 접점소자(41, 42)는, 상호 접촉되거나 이격되는 수평방향 상대이동에 의해 온/오프 스위칭을 구현할 수 있다.Here, the
또한, 온/오프 스위칭 구동 시, 상기 CNT접촉층(50)간의 접촉에 의해 상기 접점소자(41, 42)에 연결된 전극간의 통전이 이루어질 수 있다.In addition, during on / off switching driving, energization between electrodes connected to the
또한, 상기 CNT접촉층(50)은, 상기 탄소나노튜브 어레이(CNT array, Carbon Nano Tube array)의 단부가 접촉면 전반에 걸쳐 연속된 경계면을 이룰 수 있다.In addition, the
또한, 상기 CNT접촉층(50)은, 상기 CNT접촉층(50) 중 일측의 접촉면에 볼록한 요철부가 형성되면, 상기 요철부와 접촉되는 타측의 접촉면상에는 상기 접촉부와 대응되는 형상의 오목부가 형성될 수 있다.In addition, when the
또한, 본 발명은, 마이크로 기전 스위치에 구비되는 스위칭 소자의 제조방법에 있어서, 상호 이격되게 배치되는 한쌍의 접점소자(41, 42)를 형성하는 접점소자형성단계; 및 상기 접점소자(41, 42)간의 접촉부 각각에 탄소나노튜브 어레이(CNT array, Carbon Nano Tube array)를 합성하되, 상기 탄소나노튜브의 길이방향 증식에 의해 상기 접점소자(41, 42) 각각에 합성된 탄소나노튜브간의 상호 접촉이 이루어지도록 형성하는 CNT합성단계;를 포함하는 마이크로 기전 스위치의 스위칭 소자 제조방법을 다른 기술적 요지로 한다.In addition, the present invention provides a method of manufacturing a switching device provided in a microvoltaic switch, the contact element forming step of forming a pair of contact elements (41, 42) spaced apart from each other; And synthesizing a carbon nanotube array (CNT array, Carbon Nano Tube array) in each of the contact portions between the contact elements (41, 42), the longitudinal growth of the carbon nanotubes to each of the contact elements (41, 42) The CNT synthesis step of forming a mutual contact between the synthesized carbon nanotubes; manufacturing method of the switching element of the micromechanical switch including the other technical gist.
여기서, 상기 CNT합성단계는, 화학기상증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)에 의해 상기 접점소자(41, 42)간의 접촉부 각각에 상기 탄소나노튜브 어레이(CNT array, Carbon Nano Tube array)를 동시 형성하여 상기 접점소자(41, 42)간의 간극 중간 지점에서 탄소나노튜브 어레이간 접촉이 이루어지도록 할 수 있다.Here, the CNT synthesis step, by simultaneously forming the carbon nanotube array (CNT array, Carbon Nano Tube array) on each contact between the contact elements (41, 42) by chemical vapor deposition (CVD, Chemical Vapor Deposition) The carbon nanotube array may be contacted at an intermediate point between the
또한, 상기 CNT합성단계는, 상호 대향되는 방향으로 성장 중인 탄소나노튜브 어레이(CNT array, Carbon Nano Tube array)간 접촉에 의해 연속된 경계면을 가지는 균일한 두께로 상기 CNT접촉층(50)을 형성할 수 있다.In the CNT synthesis step, the
또한, 상기 CNT합성단계는, 화학기상증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)에 의해 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube)를 합성하되, 상기 접점소자(41, 42)간 초기간격을 초과하여 상기 접점소자(41, 42)를 밀어내도록 성장시켜, 상기 접점소자(41, 42)간의 접촉방향으로 작용하는 가압력에 해당되는 접촉압력으로 상기 탄소나노튜브 어레이가 상호 접촉된 초기 상태를 구현할 수도 있다.In the CNT synthesis step, carbon nanotubes (CNTs) are synthesized by Chemical Vapor Deposition (CVD), but the contact points exceed the initial interval between the
또한, 본 발명은, 마이크로 기전 스위치(micro-mechanical switch)에 있어서, 소스(source) 전극(10); 상기 소스 전극(10) 양측에 형성되는 드레인(drain) 전극(20); 상기 드레인 전극(20)을 사이에 두고 상기 소스 전극(10) 반대측에 형성되는 게이트(gate) 전극(30); 상기 소스 전극(10)에 연결형성되는 제1접점소자(41); 기계적 스프링(22)에 의해 상기 드레인 전극(20)에 이동가능하게 연결되는 셔틀(shuttle)(21); 상기 제1접점소자(41)와 접촉되는 상기 셔틀(21)의 일단부에 형성되는 제2접점소자(42); 탄소나노튜브 어레이(CNT array, Carbon Nano Tube array)를 접촉 재료로 하여 상기 제1, 2접점소자(41, 42)간의 접촉부 각각에 합성되는 CNT접촉층(50); 상기 셔틀(21)의 타단부에 연결형성되는 콤드라이브의 구동자 전극(61); 및 상기 게이트 전극(30)에 연결형성되며, 상기 게이트 전극(30)에 인가된 전압에 의해 상기 구동자 전극(61) 및 셔틀(21)을 이동시켜 상기 CNT접촉층(50)을 상호 이격시키는 콤드라이브의 고정자 전극(62);을 포함하는 정렬된 탄소나노튜브 어레이를 접촉 재료로 사용하는 마이크로 기전 스위치를 또 다른 기술적 요지로 한다.The present invention also provides a micro-mechanical switch comprising: a
여기서, 상기 CNT접촉층(50)은, 상기 제1접점소자(41)의 단부에 합성되는 제1CNT접촉층(51); 및 상기 제1CNT접촉층(51)과 접촉되거나 분리되는 수평방향 변위를 가지는 상기 제2접점소자(42)의 단부에 합성되어 상기 제1CNT접촉층(51)과 함께 상기 탄소나노튜브 어레이-탄소나노튜브 어레이 접촉을 구현하는 제2CNT접촉층(52);을 포함할 수 있다.Here, the
또한, 상기 CNT접촉층(50)은, 상기 제1, 2접점소자(41, 42)간의 접촉부 각각에 동일한 두께로 형성되어 상기 제1, 2접점소자(41, 42)간의 간극 중간 지점에서 상호 접촉이 이루어질 수 있다.In addition, the
또한, 상기 CNT접촉층(50)은, 상기 게이트 전극(30)에 전압이 인가되기 이전에, 상기 스프링(22)에 의해 상호 탄성가압된 상태로 접촉된 초기 상태를 가질 수 있다.In addition, the
또한, 본 발명은, 마이크로 기전 스위치의 제조방법에 있어서, 웨이퍼상에 소스(source) 전극(10), 드레인(drain) 전극(20), 게이트(gate) 전극(30)과, 상기 소스 전극(10)과 드레인 전극(20)에 각각에 연결된 제1, 2접점소자(41, 42)를 가지는 마이크로 구조물을 제작하는 구조물형성단계; 및 상기 마이크로 구조물의 제1, 2접점소자(41, 42)간 접촉부 각각에 탄소나노튜브 어레이를 합성하되, 상기 제1, 2접점소자(41, 42)간 초기간격을 초과하도록 성장시켜, 상기 제1, 2접점소자(41, 42)의 간격변화에 따른 가압력에 해당되는 접촉압력으로 상기 탄소나노튜브 어레이가 상호 접촉된 초기 상태를 구현하는 CNT합성단계;를 포함하는 마이크로 기전 스위치의 제조방법을 또 다른 기술적 요지로 한다.
In addition, the present invention provides a method of manufacturing a microvoltaic switch, comprising a
상술한 바와 같은 구성에 의한 본 발명은 탄소나노튜브의 높은 영률과 강도, 높은 복원력과 압축률, 내마모성과 피로 저항성으로 인하여, 기존의 마이크로 기전 스위치에 비하여 수명을 보다 연장시킬 수 있으며, 탄소나노튜브의 넓은 표면적과 높은 전기, 열 전도성으로 인하여 낮은 접촉 저항을 얻을 수 있고, 이로 인하여 전기적 신호 전달의 손실을 최소화할 수 있다. The present invention by the configuration as described above, due to the high Young's modulus and strength of the carbon nanotubes, high restoring force and compression ratio, wear resistance and fatigue resistance, it is possible to extend the life more than the conventional micro-mechanical switch, Due to the large surface area and high electrical and thermal conductivity, low contact resistance can be obtained, thereby minimizing the loss of electrical signal transmission.
탄소나노튜브 어레이간의 접촉을 기반으로 하므로, 실접촉 면적을 기존의 마이크로 기전 접촉에 비하여 현격히 확장시킬 수 있으며, 이에 따라, 고전류 밀도의 신뢰성 있는 전달이 가능하며, 접촉면의 국부적 용해, 용접, 연화를 방지하고 높은 접촉 신뢰성을 구현할 수 있다. Based on the contact between the carbon nanotube arrays, the actual contact area can be significantly expanded compared to the conventional micromechanical contacts, thereby enabling reliable transmission of high current density and providing local dissolution, welding, and softening of the contact surface. Prevent high contact reliability.
탄소나노튜브 어레이간 밀접한 접촉을 구현하는 반면, 탄소나노튜브 어레이간 접촉 경계면상에서의 점착력은 기존의 금속간 점착력에 비하여 현저히 낮아, 마이크로 기전 스위치 구동의 신뢰성을 높일 수 있으며, 탄소나노튜브 어레이간 분리를 위한 인가 전력을 저하시킬 수 있다.While the close contact between the carbon nanotube arrays is realized, the adhesion on the contact interface between the carbon nanotube arrays is significantly lower than that of the existing metal-to-metal bonds, which increases the reliability of the micromechanical switch driving and separates the carbon nanotube arrays. It is possible to lower the applied power for.
기존의 마이크로 기전 스위치는 접촉면의 점착과 접합으로 인하여 고온 환경에서의 사용이 제한적으로 이루어졌으나, 탄소나노튜브가 갖는 기계적 내구성과 열적 안정성을 기반으로 고온 환경에서의 지속적이고 반복적인 스위치 구동이 가능하다. Conventional micromechanical switches have limited use in high temperature environments due to adhesion and bonding of contact surfaces, but can be operated continuously and repeatedly in high temperature environments based on the mechanical durability and thermal stability of carbon nanotubes. .
이에 따라, 기존의 고체-고체간 마이크로 기전 접촉 소자가 갖는 융해, 용접, 마멸, 마모, 부착과 같은 문제점을 해결함과 동시에, 탄소나노튜브만의 고유한 특성을 이용하여 안정적인 전류 전달 성능과 현격히 향상된 기계적, 전기적 접촉 품질을 구현할 수 있다.This solves the problems of melting, welding, abrasion, abrasion, and adhesion of existing solid-solid micromechanical contact elements, and utilizes the unique properties of carbon nanotubes to provide stable current transfer performance Improved mechanical and electrical contact quality can be achieved.
본 발명의 실시예에서 제안된 탄소나노튜브 어레이간 접촉은 다양한 나노/마이크로 기전 시스템(N/MEMS, Nano/Micro Electro Mechanical System) 소자에 걸쳐 광범위하게 적용할 수 있을 뿐 아니라, 매크로(macro) 스케일의 기계, 전기적 접촉을 필요로 하는 소자에도 적용할 수 있다.
The contact between carbon nanotube arrays proposed in the embodiment of the present invention can be widely applied to various nano / micro electromechanical system (N / MEMS) devices as well as macro scale. It can also be applied to devices requiring mechanical and electrical contact.
도 1 - 본 발명의 제1실시예에 따른 정렬된 탄소나노튜브 어레이를 접촉 재료로 사용하는 마이크로 기전 스위치를 실제로 제작하여 촬상한 사진
도 2 - 도 1의 요부확대도
도 3 - 스위칭 소자의 온/오프 스위칭 상태를 도시한 사시도
도 4 - 마이크로 구조물 제조과정을 도시한 개념도
도 5 - 쉐도우 마스크 제조과정을 도시한 개념도
도 6 - 금속 촉매층을 형성하는 과정을 도시한 개념도
도 7 - CNT접촉층을 형성한 상태를 도시한 개념도
도 8 - 접촉소자간 접촉부상에 금속 촉매층을 형성한 상태를 도시한 개념도
도 9 - CNT접촉층 형성과정에서 CNT접촉층간 접촉이 발생된 상태를 도시한 개념도
도 10 - 탄소나노튜브 어레이가 접촉소자간 초기간격보다 과성장된 상태를 도시한 개념도
도 11 - 본 발명의 실시예에 따라 실제로 제작된 마이크로 기전 스위치의 CNT접촉층의 사이즈를 확인가능하게 촬상한 평면사진
도 12 - 접점소자간 초기간격을 확인하기 위해 버니어 게이지를 촬상한 사진
도 13 - 접점소자간 최종간격을 확인하기 위해 버니어 게이지를 촬상한 사진
도 14 - 본 발명의 실시예에 따라 실제로 제작된 마이크로 기전 스위치의 스위칭 소자를 촬상한 평면사진
도 15 - 도 14의 입체사진
도 16 - 탄소나노튜브를 촬영한 투과전자현미경 사진
도 17 - CNT접촉층간 접촉 반복성과 일관성 확인을 위해 소스 전극 인가전압에 따른 소스 전극-드레인 전극간 전류의 측정 결과를 나타낸 그래프
도 18 - 게이트 전극 인가전압에 따른 소스 전극-드레인 전극간 전류 특성을 나타낸 그래프
도 19 - 게이트 전극 인가전압에 따른 CNT접촉층의 접촉상태를 도시한 개념도
도 20 - CNT접촉층간 접촉 및 분리된 상태를 촬상한 평면사진
도 21 - 전류 밀도 전달 성능 확인을 위해 게이지 전극의 주기적 전압인가에 따른 소스 전극-드레인 전극간 전류 측정 결과를 나타낸 그래프
도 22 - 전류 밀도 전달 성능 확인을 위해 소스 전극 인가전압에 따른 전류 밀도 측정 결과를 나타낸 그래프
도 23 - 게이트 전극의 주기적 전압인가에 따른 스위치 응답 성능을 나타낸 그래프
도 24 - 게이트 전극의 인가전압에 따른 CNT접촉층간 접촉상태 변화 및 측정저항을 나타낸 그래프
도 25 - CNT접촉층간 접촉 신뢰성 확인을 위해 스위치의 반복 구동 사이클에 따른 저항변화율을 나타낸 그래프
도 26 - 430K 온도 환경에서의 CNT접촉층간 접촉 신뢰성 확인을 위해 스위치의 반복 구동 사이클에 따른 저항변화율을 나타낸 그래프
도 27 - 소스 전극-드레인 전극간 전류 1mA에서 I(D)/I(G) 변화율 측정 결과를 나타낸 그래프
도 28 - 소스 전극-드레인 전극간 전류 10mA에서 I(D)/I(G) 변화율 측정 결과를 나타낸 그래프1-Photographed by actually fabricating a micromechanical switch using an aligned carbon nanotube array as a contact material according to a first embodiment of the present invention.
Figure 2-Enlarged view of the main part of Figure 1
3-a perspective view showing an on / off switching state of a switching element
4 is a conceptual diagram illustrating a process of manufacturing microstructures
5 is a conceptual diagram illustrating a shadow mask manufacturing process
6 is a conceptual diagram illustrating a process of forming a metal catalyst layer
7-Conceptual view showing a state in which a CNT contact layer is formed
8 is a conceptual diagram illustrating a state in which a metal catalyst layer is formed on a contact portion between contact elements.
9-A conceptual diagram illustrating a state in which contact between CNT contact layers is generated in the process of forming a CNT contact layer.
10 is a conceptual diagram illustrating a state in which carbon nanotube arrays are overgrown than initial intervals between contact elements.
11 is a planar photograph photographing to confirm the size of the CNT contact layer of the micro electromechanical switch actually manufactured according to an embodiment of the present invention.
12-Photographed image of vernier gauge to confirm initial distance between contact elements
Fig. 13-A photograph of a vernier gauge for confirming the final spacing between contact elements
FIG. 14-a plan view photographing a switching element of a micro electromechanical switch actually manufactured according to an embodiment of the present invention
Figure 15-Stereogram of Figure 14
Fig. 16-Transmission electron microscope photograph of carbon nanotubes
17-A graph showing the measurement results of the current between the source electrode and the drain electrode according to the source electrode applied voltage to confirm the contact repeatability and consistency between the CNT contact layers
18 is a graph showing current characteristics between a source electrode and a drain electrode according to a gate electrode applied voltage;
19 is a conceptual diagram illustrating a contact state of a CNT contact layer according to a gate electrode applied voltage
20-Planar photograph photographing the contact and separation state between the CNT contact layer
21-Graph showing the results of measuring the current between the source electrode and the drain electrode according to the application of the periodic voltage of the gauge electrode to confirm the current density transfer performance
22-Graph showing the current density measurement results according to the source electrode applied voltage to confirm the current density transfer performance
Fig. 23-A graph showing the switch response performance according to the periodic voltage application of the gate electrode
24-A graph showing a change in contact state and measurement resistance between CNT contact layers according to an applied voltage of a gate electrode.
25-Graph showing the resistance change rate according to the repeated driving cycle of the switch to confirm the contact reliability between the CNT contact layer
26-Graph showing the resistance change rate according to the repeated driving cycle of the switch to confirm the contact reliability between the CNT contact layer in 430K temperature environment
27-Graph showing the results of measuring the change rate of I (D) / I (G) at a current of 1 mA between the source electrode and the drain electrode
FIG. 28-Graph showing measurement results of I (D) / I (G) change rate at current of 10 mA between source electrode and drain electrode
본 발명은 마이크로 기전 스위치(micro-mechanical switch)의 접촉 재료를 정렬된 탄소나노튜브 어레이(CNT array, Carbon Nano Tube array)로 구성하여, 접촉부의 반복적인 기계적 접촉과 전기적 신호의 전달에도 접촉부의 기능 저하가 없는 내마모성, 고신뢰성 마이크로 기전 스위치의 스위칭 소자, 마이크로 기전 스위치 및 그 제작 방법에 관한 것이다. The present invention configures the contact material of a micro-mechanical switch into an ordered carbon nanotube array (CNT array), so that the contact function is capable of repeating mechanical contact and transmission of electrical signals. The present invention relates to a switching element of a wear-resistant, highly reliable micromechanical switch without deterioration, a micromechanical switch, and a manufacturing method thereof.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 정렬된 탄소나노튜브 어레이를 접촉 재료로 사용하는 마이크로 기전 스위치를 실제로 제작하여 촬상한 주사현미경 사진으로 마이크로 기전 스위치를 구동하기 위한 전기적인 회로가 함께 도시되었으며, 도 2는 도 1의 요부확대도이다.1 is a scanning micrograph photographed by actually fabricating a micromechanical switch using an aligned carbon nanotube array as a contact material according to a first embodiment of the present invention. 2 is an enlarged view illustrating main parts of FIG. 1.
도 1, 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 마이크로 기전 스위치는, 소스(source) 전극(10), 드레인(drain) 전극(20), 게이트(gate) 전극(30), 제1접점소자(41), 셔틀(shuttle)(21), 제2접점소자(42), CNT접촉층(50), 콤드라이브의 구동자 전극(61), 고정자 전극(62)을 포함하는 구성을 가진다. 1 and 2, the micro electromechanical switch according to the first embodiment of the present invention includes a
상기 소스 전극(10)과 상기 드레인 전극(20)은 상기 제1, 2접점소자(41, 42)간 접촉이 이루어진 상태에서 상호 전기적으로 연결되며, 상기 게이트 전극(30)은 상기 제1, 2접점소자(41, 42)를 상호 분리가능한 전기장을 형성하기 위한 전압이 인가되는 전극이다.The
상기 드레인 전극(20)은 상기 소스 전극(10)의 좌, 우 양측에 한쌍이 형성되며, 상기 게이트 전극(30)은 상기 드레인 전극(20)을 사이에 두고 상기 소스 전극(10) 반대측에 형성된다.A pair of the
상기 소스 전극(10)의 일단부상에는 납작한 외팔보형 앵커(anchor)(도면 부호 미표기)가 상기 드레인 전극(20)측으로 돌출형성되며, 상기 소스 전극(10)에 연결형성된 상기 앵커 또는 상기 앵커의 단부가 상기 제1접점소자(41)가 된다.A flat cantilever anchor (not shown) is formed on one end of the
상기 셔틀(21)은 수평방향으로의 탄성복원력을 가지는 기계적 스프링(22)에 의해 좌, 우측 한쌍의 상기 드레인 전극(20)에 이동가능하게 연결되며, 상기 드레인 전극(20)에 연결형성된 상기 셔틀(21) 또는 상기 셔틀의 단부가 상기 제2접점소자(42)가 된다.The
상기 스프링(22)은 선형부재가 좌, 우로 절곡되며 수평방향으로 연장된 구조를 가지며, 상기 스프링(22)의 일단부가 상기 셔틀(21)과 드레인 전극(20)에 각각 연결됨에 따라 상기 셔틀(21)은 좌, 우측 상기 드레인 전극(20)을 기준으로 하여 탄성적으로 전, 후방(수평방향)으로 이동 가능해진다.The
상기 앵커의 일단부에 형성되는 상기 제1접점소자(41)와, 상기 셔틀(21)의 일단부에 형성되는 제2접점소자(42) 각각의 상호 인접한 단부상에는 탄소나노튜브 어레이를 접촉 재료로 하는 CNT접촉층(50)이 형성된다.A carbon nanotube array is formed on the mutually adjacent ends of each of the
상기 제1, 2접점소자(41)간의 상호 인접한 단부는 상기 CNT접촉층(50)을 매개로 하여 상호간의 물리적, 전기적 접촉과 분리가 이루어지는 부분으로, 상호간의 직접적인 접촉이 이루어지지 않더라도 본 발명의 설명에서는 설명의 편의상 '접촉부'라 칭하기로 한다.Adjacent ends between the first and
상기 CNT접촉층(50)은 상기 제1접점소자(41)의 단부에 탄소나노튜브 어레이를 합성하여 형성되는 제1CNT접촉층(51)과, 상기 제1CNT접촉층(51)과 접촉되거나 분리되는 수평방향 변위를 가지는 상기 제2접점소자(42)의 단부에 탄소나노튜브 어레이를 합성하여 형성되는 제2CNT접촉층(52)을 포함한다.The
상기 제1CNT접촉층(51)와 제2CNT접촉층(52)은 상호간의 접촉 시 상기 탄소나노튜브 어레이-탄소나노튜브 어레이간 접촉을 구현하게 되며, 상호 접촉되거나 이격되는 수평방향 상대이동에 의해 스위칭 소자의 온/오프 스위칭을 구현하게 되고, 상기 게이트 전극(30)에 전압이 인가되기 이전에, 상기 스프링(22)에 의해 상호 탄성가압된 상태로 접촉된 초기 상태를 가진다.(이하 설명)The first
상기 콤드라이브의 구동자 전극(61)은 상기 게이트 전극(30)에 인접한 상기 셔틀(21)의 타단부상에 연결형성되며, 상기 고정자 전극(62)은 상기 게이트 전극(30)에 연결형성된다.The
콤드라이브 구동기는 콤(comb)형태의 구동자 전극과 고정자 전극이 교대로 엇갈려 있는 구조를 가지며, 양 전극에 전위차를 인가하여 둘 사이의 인력으로 인해 구동자를 고정자측으로 이동시키는 작동을 구현하게 되는 정전용량형 마이크로 구동기(electrostatic actuator)이다.The comdrive driver has a structure in which a comb-shaped driver electrode and a stator electrode are alternately alternately arranged, and an electrostatic force is applied to apply a potential difference to both electrodes to move the driver to the stator side due to the attraction force between the two. It is a capacitive microstatic actuator.
콤드라이브 구동기는 평행형 콤드라이브 타입과, SVC(Staggered Vertical Comb-drive), AVC(Angular Vertical Comb-drive)의 수직형 콤드라이브 타입으로 구분할 수 있으며, 본 발명의 제1실시예로 도시된 평행형 콤드라이브 타입의 구동기는 한 평면상에 구동자 전극과 고정자 전극이 선치되어 전위차에 의해 고동자 전극이 고정자 방향으로 이동되는 평면내 직선운동을 발생시키게 된다.The comdrive driver can be classified into a parallel comdrive type, a vertical comb-drive (SVC) and a vertical comb-drive type (AVC), and the parallel drive shown in the first embodiment of the present invention. In the type comb-drive type driver, the driver electrode and the stator electrode are pre-set on one plane to generate an in-plane linear motion in which the oscillator electrode is moved in the stator direction by a potential difference.
상기 게이트 전극(30)에 구동전압 인가 시, 상기와 같은 작동 원리에 따라 상기 고정자 전극(62)과 구동자 전극(61)사이의 전위차에 의해, 상기 구동자 전극(61) 및 셔틀(21)이 상기 게이트 전극(30) 및 고정자 전극(62)측으로 이동되며 상기 CNT접촉층(50)이 상호 이격된다.When the driving voltage is applied to the
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 기전 스위치의 스위칭 소자는, 상기 한쌍의 접점소자(41, 42)와, 탄소나노튜브 어레이를 접촉 재료로 하여 상기 제1, 2접점소자(41, 42)간의 접촉부 각각에 합성되는 CNT접촉층(50)을 포함하는 구성을 가진다.The switching element of the micromechanical switch according to the embodiment of the present invention comprises a contact portion between the pair of
도 3의 (a), (b)는 각각 상기 스위칭 소자의 온/오프 스위칭 상태를 도시한 사시도이다.3A and 3B are perspective views illustrating on / off switching states of the switching elements, respectively.
상기 CNT접촉층(50)이 상호 접촉된 초기 상태에서는, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 제1접점소자(41)가 연결된 상기 소스 전극(10)에서 상기 제2접점소자(42)가 연결된 드레인 전극(20)측으로의 전류 흐름(통전)이 이루어지는 스위치 온 상태가 된다.In the initial state in which the CNT contact layers 50 are in contact with each other, as shown in FIG. 3A, the second contact element (or the second contact element) may be formed at the
상기 소스 전극(10)과 드레인 전극(20) 사이의 바이어스(bias) 전압 VSD인가에 의해 상기 소스 전극(10)에서 드레인 전극(20) 사이에서 흐르게 되는 전류 ISD는 상기 소스 전극(10)에서 상기 CNT접촉층(50), 셔틀(21), 스프링(22)을 순차적으로 통과하게 되며, 상기 CNT접촉층(50)을 통하여 흐르는 전류 ISD는 상기 소스 전극(10)과 드레인 전극(20) 사이의 바이어스(bias) 전압 VSD을 통하여 조정된다.The current I SD flowing between the
상기 게이트 전극(30)에 상기 CNT접촉층(50)간 분리가 이루어질 정도의 구동(driving) 전압 VG이 인가되면, 상기 셔틀(21)이 정전용량형 콤드라이브의 평면상 구동(in plane electrostatic comb-drive)에 의해 구동되어, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 제2접점소자(42) 및 제2CNT접촉층(52)이 상기 제1접점소자(41) 및 제1CNT접촉층(51)으로부터 이격되며 스위치 오프 상태로 전환된다.
When a driving voltage V G is applied to the
다음으로, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 제1실시예에 따른 마이크로 기전 스위치(및 스위칭 소자)를 제작하는 과정을, 본 발명의 제1실시예에 따른 마이크로 기전 스위치 제조방법을 들어 설명하기로 한다.Next, a process of manufacturing the micromechanical switch (and the switching element) according to the first embodiment of the present invention having the configuration as described above will be described with the manufacturing method of the micromechanical switch according to the first embodiment of the present invention. Shall be.
본 발명의 제1실시예에 따른 마이크로 기전 스위치 제조방법은, 크게 구조물형성단계와 CNT합성단계로 이루어진다.The method for manufacturing a micro electromechanical switch according to the first embodiment of the present invention comprises a structure forming step and a CNT synthesis step.
도 4의 (a), (b)는 마이크로 구조물 제조과정을 도시한 개념도이고, 도 5의 (a), (b)는 쉐도우 마스크 제조과정을 도시한 개념도이며, 도 6은 금속 촉매층을 형성하는 과정을 도시한 개념도이고, 도 7은 상기 CNT접촉층(50)을 형성한 상태를 도시한 개념도이다.4A and 4B are conceptual views illustrating a microstructure manufacturing process, and FIGS. 5A and 5B are conceptual views illustrating a shadow mask manufacturing process, and FIG. 6 illustrates a metal catalyst layer. 7 is a conceptual diagram illustrating a process, and FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating a state in which the
도 4의 (a), (b)를 참조하면, 상기 구조물형성단계에서는 웨이퍼상에 소스(source) 전극(10), 드레인(drain) 전극(20), 게이트(gate) 전극(30)과, 상기 소스 전극(10)과 드레인 전극(20)에 각각에 연결된 제1, 2접점소자(41, 42)를 가지는 마이크로 구조물을 제작한다.Referring to (a) and (b) of FIG. 4, in the structure forming step, a
상기와 같은 구성의 마이크로 구조물을 마이크로 가공공정 기술로 제작함에 있어서는, 벌크 마이크로머시닝(bulk micromachining)과 표면 마이크로머시닝 (surface micromachining) 중 어느 하나, 또는 벌크 마이크로머시닝과 표면 마이크로머시닝의 조합에 의해 이루어질 수 있다.In manufacturing the microstructure having the above-described configuration by the micro machining process technology, it can be made by any one of bulk micromachining and surface micromachining, or a combination of bulk micromachining and surface micromachining. have.
본 발명의 제1실시예에서는, 마이크로 구조물의 형성하기 위한 마이크로 가공대상으로, 하측으로부터 하부 실리콘층, 매몰산화층(buried oxide layer), 상부 실리콘층이 적층형성된 구조를 가지는 SOI(Silicon on Insulator) 기판을 채택한다.In a first embodiment of the present invention, a silicon on insulator (SOI) substrate having a structure in which a lower silicon layer, a buried oxide layer, and an upper silicon layer are laminated from a lower side as a micro fabrication target for forming a microstructure. Adopt.
열산화(thermal oxidation) 공정으로 상기 SOI기판 양면(하부 실리콘층, 상부 실리콘층)에 이산화규소층(SiO2)을 형성하고, 포토리소그래피(photo lithography) 공정으로 PR(photoresist)을 상기 SOI기판 양면에 패터닝한 후, 상기 PR을 마스크로 이용하여 반응성 이온식각(RIE, Reactive Ion Etching) 공정으로 상기 이산화규소층에 패턴을 전사한다.A silicon dioxide layer (SiO 2 ) is formed on both surfaces of the SOI substrate (lower silicon layer and upper silicon layer) by a thermal oxidation process, and PR (photoresist) is formed on both sides of the SOI substrate by photolithography. After patterning, the pattern is transferred to the silicon dioxide layer using a reactive ion etching (RIE) process using the PR as a mask.
다음으로, 패터닝된 상기 이산화규소층을 마스크로 이용하여 심도 반응성 이온식각(DRIE, Deep Reactive Ion Etching) 공정으로 SOI기판의 상, 하부 실리콘층(silocone layer)을 선택적으로 식각하면, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같은 종단면 구조를 가지는 마이크로 구조물을 형성할 수 있다.Next, by selectively etching the upper and lower silicon layers (silocone layer) of the SOI substrate using a deep reactive ion etching (DRIE) process using the patterned silicon dioxide layer as a mask, It is possible to form a microstructure having a longitudinal cross-sectional structure as shown in a).
다음으로, 습식식각(wet etching) 방식으로 상기 상, 하부 실리콘층 사이의 매몰산화층(buried oxide layer)을 제거함과 동시에 상기 SOI기판 양면에 형성된 상기 이산화규소층을 함께 제거하여, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같은 종단면 구조를 가지는 마이크로 구조물 형상을 완성하게 된다.Next, the buried oxide layer between the upper and lower silicon layers is removed by a wet etching method, and the silicon dioxide layers formed on both surfaces of the SOI substrate are removed together, and FIG. This completes the microstructure shape having a longitudinal cross-sectional structure as shown in FIG.
도 6을 참조하면, 상기 CNT합성단계는 상기 제1, 2접점소자(41, 42)의 접촉부에 대응되는 위치에만 미세 홀이 형성된 쉐도우 마스크(shadow mask)(도면부호 미표기)를 이용하며, 전자빔 진공증착법 (E-beam evaporation) 등의 방식으로 상기 제1, 2접점소자(41, 42)의 접촉부 표면에 금속 촉매(iron catalyst)(예를 들어, Fe)를 증착하는 과정을 거친 후 이루어지게 된다.Referring to FIG. 6, the CNT synthesis step uses a shadow mask (not shown) in which fine holes are formed only at positions corresponding to contact portions of the first and
상기 쉐도우 마스크를 제작함에 있어서는, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같은 마이크로 구조물의 제작과정과 동일한 방식을 거쳐 도 5의 (a)에 도시된 바와 같은 형태로 제작한 후, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 매몰산화층 및 이산화규소층을 제거하는 것에 의해 도 5의 (b)에 도시된 바와 같은 형태로 완성할 수 있다.In the manufacture of the shadow mask, after the manufacturing process in the form as shown in Fig. 5 (a) through the same method as the manufacturing process of the microstructure as shown in Fig. 4 (a), By removing the buried oxide layer and silicon dioxide layer as shown in b) it can be completed in the form as shown in Figure 5 (b).
도 5의 (b)에 도시된 바와 같은 형태로 완성된 상기 쉐도우 마스크를 상, 하로 뒤집어 상기 마이크로 구조물상에 안착시키면, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 쉐도우 마스크레 형성된 미세 홀이 상기 제1, 2접점소자(41, 42)간 접촉부에 위치하게 된다.When the shadow mask completed in the form as shown in (b) of FIG. 5 is placed upside down and seated on the microstructure, as shown in FIG. 6, the fine holes formed in the shadow mask are formed in the first hole. And the contact portion between the two
이에 따라, 상기 마이크로 구조물 상측으로부터 금속 촉매를 증착형성함에 있어서, 상기 마이크로 구조물상에는 상기 쉐도우 마스크의 미세 홀에 의해 상기 제1, 2접점소자(41, 42)간 접촉부상에만 증착이 이루어지게 된다.Accordingly, in the deposition of the metal catalyst from the upper side of the microstructure, the deposition is performed only on the contact portion between the first and
탄소나노튜브 어레이의 합성 영역은, 도 6의 과정을 거쳐 상기 마이크로 구조물상에 패터닝된 금속 촉매층의 크기(형상)에 의존하며, 상기 쉐도우 마스크를 이용함으로써 수직 정렬된 형태의 탄소나노튜브 어레이를 마이크로 사이즈로 미세하게 축소형성할 수 있다. The synthesis region of the carbon nanotube array depends on the size (shape) of the metal catalyst layer patterned on the microstructure through the process of FIG. 6, and microstructures the carbon nanotube array of vertically aligned form by using the shadow mask. It can be finely reduced in size.
도 7을 참조하면, 상기 CNT합성단계에서는, 상기 마이크로 구조물의 제1, 2접점소자(41, 42)간 접촉부 각각, 즉, 상기 금속 촉매가 증착된 부분에 탄소나노튜브 어레이를 합성하되, 상기 탄소나노튜브의 길이방향 증식에 의해 제1, 2접점소자(41, 42) 각각에 합성된 탄소나노튜브간의 상호 접촉이 이루어지도록 형성한다.Referring to FIG. 7, in the CNT synthesizing step, a carbon nanotube array is synthesized on each of contact portions between the first and
또한, 상기 탄소나노튜브 어레이간 상호 접촉이 이루어지도록 함에 있어서는, 상기 구조물형성단계에서 제작된 상기 제1, 2접점소자(41, 42)간 초기간격을 초과하도록 성장시켜, 상기 제1, 2접점소자(41, 42)의 간격변화에 따른 가압력에 해당되는 접촉압력으로 상기 탄소나노튜브 어레이가 상호 접촉된 초기 상태를 구현한다.In addition, in the mutual contact between the carbon nanotube array is made, by growing to exceed the initial interval between the first,
도 8은 상기 접촉소자(41, 42)간 접촉부상에 금속 촉매층을 형성한 상태를 도시한 개념도이고, 도 9는 상기 CNT접촉층(50) 형성과정에서 상기 CNT접촉층(50)간 접촉이 발생된 상태를 도시한 개념도이며, 도 10은 탄소나노튜브 어레이가 상기 접촉소자(41, 42)간 초기간격보다 과성장된 상태를 도시한 개념도이다.FIG. 8 is a conceptual view showing a state in which a metal catalyst layer is formed on a contact portion between the
상기 구조물형성단계를 거쳐 제작된 마이크로 구조물상의 상기 제1, 2접점소자(41, 42)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 지정 초기 간격(initial gap)을 두고 상호 대향되게 배치되며, 탄소나노튜브의 합성이 이루어지는 부분만에 선택적으로 상기 금속 촉매가 형성된다.The first and
상기 CNT합성단계에서는 퍼니스 챔버(furnace chamber)내에 상기 금속 촉매가 증착된 마이크로 구조물을 삽입하고, 고온에서 암모니아(NH3)와 아세틸렌(C2H2) 가스 전구체(precursor)를 주입시키며 화학기상증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)에 의해 상기 금속 촉매가 증착된 부분에 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube)를 합성한다.In the CNT synthesis step, a microstructure in which the metal catalyst is deposited is inserted into a furnace chamber, and ammonia (NH 3 ) and acetylene (C 2 H 2 ) gas precursors are injected at a high temperature, and chemical vapor deposition is performed. Carbon nanotubes (CNT) are synthesized on the metal catalyst deposited portion by (CVD, Chemical Vapor Deposition).
화학기상증착법에 의한 탄소나노튜브 어레이 통합은 유전영동 포지셔닝(dielectrophoresis positioning)과 분산된 탄소나노튜브(dispersed CNTs)의 e-빔 리소그래피(electron-beam lithography) 패터닝 방식과 비교해, 마이크로 구조물을 가로지르는 공중부유된 형상의 탄소나노튜브를 넓은 면적에 걸쳐 용이하게 확장, 형성할 수 있다.Incorporation of carbon nanotube arrays by chemical vapor deposition is a method of air traversal across microstructures, compared to dielectrophoresis positioning and electron-beam lithography patterning of disperse CNTs. The suspended carbon nanotubes can be easily expanded and formed over a large area.
화학기상증착 공정 중, 촉매의 전처리(pretreatment)나 전구체(precursor)의 전열처리(preheating)에 의해 집적회로와의 공정 호환성에 악영향을 끼치지 않도록 상기 탄소나노튜브의 합성온도를 낮출 수 있다.During the chemical vapor deposition process, the synthesis temperature of the carbon nanotubes can be lowered so as not to adversely affect the process compatibility with the integrated circuit by pretreatment of the catalyst or preheating of the precursor.
상기 접점소자(41, 42)간의 접촉부 각각에 상기 탄소나노튜브 어레이가 동시 형성되고 동일한 정도로 성장됨에 따라, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 접점소자(41, 42)간의 간극 중간 지점에서 탄소나노튜브 어레이(상기 CNT접촉층(50))간 접촉이 이루어지게 된다.As the carbon nanotube array is simultaneously formed on each of the contact portions between the
도 9는 탄소나노튜브가 길이방향(상기 접점소자(41, 42)간 상호 대향되는 방향)으로 성장하면서 상기 CNT접촉층(50)간 상호 접촉이 이루어지는 시점을 도시한 것으로, 도 9에 도시된 바와 같은 상태에서 탄소나노튜브 어레이 합성을 중단하지 않고, 상기 CNT접촉층(50)의 두께(성장 길이)가 상기 접점소자(41, 42)간 초기간격을 초과하도록 지속할 수도 있다.FIG. 9 illustrates a point in time at which carbon nanotubes grow in the longitudinal direction (directions in which the
상기 CNT접촉층(50)의 탄소나노튜브는 서로 뚫고 들어가지 않기 때문에 탄소나노튜브의 합성에서 발생하는 길이 방향의 힘(extrusive growth force)은 상기 셔틀(21)에 연결된 상기 기계적 스프링(22)에 전달된다.Since the carbon nanotubes of the
상기 CNT접촉층(50)을 형성함에 있어서, 도 10에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브 어레이가 상기 접점소자(41, 42)간 초기 간격을 초과하여 상기 접점소자(41, 42)의 이동에 의한 간격 확장이 발생되도록 성장시키면, 상기 접점소자(41, 42)간의 접촉방향으로 작용하는 가압력에 해당되는 접촉압력으로 상기 탄소나노튜브 어레이가 상호 접촉된 초기 상태를 구현할 수도 있다.In forming the
화학기상증착법에 의해 서로 마주보는 방향으로 합성, 성장되는 탄소나노튜브 어레이는 상기 제1, 2접촉소자(41, 42)간 간극의 중간 지점에서 만나고 서로 침투하지 못하여 자연히 접촉 경계면을 형성하게 된다.Carbon nanotube arrays synthesized and grown in a direction facing each other by chemical vapor deposition meet at intermediate points of the gap between the first and
탄소나노튜브 어레이의 합성 시 발생하는 힘(탄소나노튜브 성장력)과 상기 스프링(22)의 탄성복원력간의 평형을 이용하여 상기 접촉 경계면에 상기 탄소나노튜브 어레이간 마주보는 방향으로 인가되는 힘을 결정할 수 있으며, 이는 탄소나노튜브 어레이간의 밀접한 접촉을 형성할 수 있도록 하는 가압 밀착력이 된다. The force applied in the direction of facing the carbon nanotube array to the contact interface can be determined by using a balance between the force generated during the synthesis of the carbon nanotube array (carbon nanotube growth force) and the elastic restoring force of the
본 발명의 제1실시예에서는 상기 제1접점소자(41)가 정지된 상태를 유지하고, 상기 스프링(22)에 의해 수평방향으로 이동가능하게 상기 드레인 전극(20)에 연결된 상기 제2접점소자(42)가 상기 CNT접촉층(50)의 성장력에 의해 상기 게이트 전극(30)측으로 밀려 이동된다.In the first embodiment of the present invention, the second contact element is connected to the
상기 제2접점소자(42)가 이동변위에 비례하여 상기 스프링(22)의 탄성변형이 발생되며, 상기 스프링(22)의 탄성복원력에 대응되는 가압력으로 상기 CNT접촉층(50)간 상호 가압 접촉된 상태가 된다.An elastic deformation of the
탄소나노튜브의 합성이 완료된 상태에서, 상기 CNT접촉층(50)에 의한 마이크로 기전(micromechanical) 접촉은 탄소나노튜브 어레이의 합성 과정에서 인장된 상기 스프링(22)의 복원력에 의하여 예하중(preload)을 받게되며, 이는 상기 CNT접촉층(50)간 접촉힘(contact force)을 결정하게 된다.In the state where the synthesis of carbon nanotubes is completed, the micromechanical contact by the
이러한 상기 CNT접촉층(50)간의 초기 접촉압력(예하중(preload))은 상기 탄소나노튜브 어레이의 성장 길이(상기 제2접점소자(42)의 변위)를 제어함으로써 조정할 수 있다.The initial contact pressure (preload) between the CNT contact layers 50 may be adjusted by controlling the growth length (displacement of the second contact element 42) of the carbon nanotube array.
상기 CNT접촉층(50)은 상호 대향되는 방향으로 성장 중인 탄소나노튜브 어레이간 접촉에 의해 접촉면 전반에 걸쳐 연속된 경계면을 가지는 균일한 두께로 형성되며, 상기 CNT접촉층(50) 중 일측과 타측에 형성된 탄소나노튜브 어레이간 기밀한 접촉이 구현된다.The
종래는 전기적 접점부를 위하여 금속소재를 평탄하게 가공함에 있어서 가공 오차 등으로 표면에 미세요철이 형성되는 경우, 해당 요철부에서만 국소적으로 전류흐름이 밀집되게 이루어지게 되어 신뢰성과 내구성이 저하되는 문제점이 있었다.Conventionally, in the case of flat machining of a metal material for an electrical contact part, when irregularities are formed on the surface due to machining error, the current flow is densely localized only in the uneven part, thereby reducing reliability and durability. there was.
그러나, 상기와 같은 제작방법에 의하면 탄소나노튜브 성장속도 미세 차에 의해 상기 CNT접촉층(50) 중 일측의 접촉면 일부에 볼록한 요철부가 형성되더라도, 상기 요철부와 접촉되는 타측의 접촉면상에는 자연히 상기 접촉부와 대응되는 형상의 오목부가 형성됨에 따라, 별도의 표면 후처리 가공을 거치지 않고도 경계면 전체에 걸쳐 연속된 실접촉 면적을 확보할 수 있다.However, according to the manufacturing method as described above, even if convex and concave portions are formed on a part of the contact surface of one side of the
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 실제로 제작된 마이크로 기전 스위치의 상기 CNT접촉층(50)의 사이즈를 확인가능하게 주사현미경(SEM; scanning electron microscopy)으로 촬상한 평면사진이며, 도 12, 13은 각각 상기 접점소자(41, 42)간 초기간격, 최종간격을 확인하기 위해 도 1에 도시된 버니어 게이지(Vernier gauge)를 확대하여 촬상한 평면사진이다.FIG. 11 is a planar photograph photographed by a scanning electron microscopy (SEM) so as to check the size of the
도 11, 12, 13을 참조하면 상기 구조물제작단계에서 형성된 상기 접점소자(41, 42)간 초기간격은 7㎛이며, 상기 CNT합성단계에서 상기 CNT접촉층(50)이 상기 접점소자(41, 42) 각각에 8㎛ 두께로 합성되어 상기 CNT합성단계를 거친 후 상기 접점소자(41, 42)간의 최종간격은 16㎛로, 초기간격에 비해 9㎛만큼 더 이격된 것을 확인할 수 있으며, 측정된 스프링 상수 1.14N/m 에 의하여 예하중은 10.3uN으로 계산될 수 있다. 11, 12, and 13, the initial spacing between the contact elements (41, 42) formed in the structure fabrication step is 7㎛, the
도 14, 15는 각각 본 발명의 실시예에 따라 실제로 제작된 마이크로 기전 스위치의 스위칭 소자를 촬상한 평면사진, 입체사진이며, 도 16은 탄소나노튜브의 투과전자현미경(transmission electron microscopy)(TEM; JEOL JEM-4010) 이미지이다.14 and 15 are planar photographs and stereoscopic photographs of the switching elements of the micro-electromechanical switch actually fabricated according to an embodiment of the present invention, respectively, and FIG. 16 is a transmission electron microscopy (TEM) of carbon nanotubes; JEOL JEM-4010)
도 14, 15를 참조하면, 상기 CNT접촉층(50)이 상기 접점소자(41, 42)간의 간극을 완전히 채우면서 상기 CNT접촉층(50) 상호간의 접촉면 전반에 걸쳐 연속된 경계면을 가지는 균일한 두께로 형성된 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 14 and 15, the
또한, 탄소나노튜브 어레이가 상기 CNT접촉층(50)간의 경계면을 가로질러서 과성장(overgrowth)되지 않으면서도, 상기 CNT접촉층(50)간의 접촉이 상기 CNT접촉층(50)의 경계면 전체에 걸쳐 연속되고 밀접하게 실접촉되는 것을 확인할 수 있다.In addition, the contact between the
탄소나노튜브 어레이가 상기 CNT접촉층(50)간의 경계면을 가로질러서 과성장되지 않는 것은, 탄소나노튜브 어레이를 구성하는 탄소나노튜브의 높은 밀도 및 탄소나노튜브 어레이 내부의 반데르발스(van der Waals) 상호작용에 의한 것이다.The carbon nanotube array is not overgrown across the interface between the CNT contact layers 50, because of the high density of the carbon nanotubes constituting the carbon nanotube array and the van der Waals inside the carbon nanotube array. ) By interaction.
도 16의 이미지로부터 다중벽 탄소나노튜브(multiwalled CNT)의 구조를 확인할 수 있으며, 평균 외부 지름은 10 nm, 평균 내부 지름은 4 nm이다.
The structure of the multiwalled CNTs can be confirmed from the image of FIG. 16. The average outer diameter is 10 nm and the average inner diameter is 4 nm.
다음으로, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시예에 따라 실제로 제작된 마이크로 기전 스위치 내지 스위칭 소자의 내마모성, 고신뢰성을 다양한 실험을 통해 확인하기로 한다.Next, the wear resistance and high reliability of the micromechanical switch to the switching device actually manufactured according to the embodiment of the present invention having the above configuration will be confirmed through various experiments.
이하, 실험에 의해서 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 기전 스위치 내지 스위칭 소자가 구현하는 탄소나노튜브 어레이-탄소나노튜브 어레이간 접촉에 의해, 용융(melting), 접합(welding), 마멸(wear), 마모(abrasion)와 같은 기존의 고체 -고체 간 마이크로 기전 접촉 소자가 갖는 문제점을 해결할 수 있는, 안정적인 전류 전달 성능과 우수한 기계적, 전기적 접촉 성능을 구현할 수 있음을 증명하고자 한다.Hereinafter, by the contact between the carbon nanotube array and the carbon nanotube array implemented by the micromechanical switch to the switching device according to an embodiment of the present invention by experiment, melting, welding, wear, This paper demonstrates that stable current transfer performance and excellent mechanical and electrical contact performances can be solved to solve the problems of conventional solid-solid micromechanical contact elements such as abrasion.
도 17은 상기 CNT접촉층(50)간 접촉 반복성과 일관성 확인을 위해 상기 소스 전극(10) 인가전압에 따른 소스 전극-드레인 전극간 전류의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 17 is a graph illustrating a measurement result of current between a source electrode and a drain electrode according to an applied voltage of the
도 17은 마이크로 기전 접촉(micro mechanical contact)의 전류(current)-전압(voltage)(ISD-VSD) 커브(curves)를 나타내며, 상기 소스 전극(10)과 드레인 전극(20) 사이의 전류 경로(current path)는 직렬로 연결된 한쌍의 상기 기계적 스프링(mechanical springs), 상기 CNT접촉층(50)의 탄소나노튜브와 접촉소자(41, 42)간의 접합부(CNT/Si junctions), 상기 CNT접촉층(50)의 탄소나노튜브 어레이(CNT array) 자체, 그리고 상기 CNT접촉층(50)간 접촉부(CNT/CNT contacts)를 포함한다.FIG. 17 shows the current-voltage (I SD -V SD ) curves of the micro mechanical contact, the current between the
1mA를 상기 소스 전극(10)의 입력 전류로 했을 때, 직렬로 연결된 탄소나노튜브와 접촉소자(41, 42)간의 접합부(CNT/Si junctions)-탄소나노튜브 어레이(CNT array) 자체-CNT접촉층(50)간 접촉부(CNT/CNT contacts)의 저항값은 285 Ω으로 측정되었다.When 1mA is set as the input current of the
일반적으로 단일 다중벽 탄소나노튜브(single multiwalled CNT)와 n-타입의 도핑된 실리콘 마이크로 전극(n-type heavily doped silicon microelectrode) 사이의 접촉저항은 금속-실리콘 접합 모델(metal-silicon junction model)을 기반으로 MΩ 단위를 지닌다.In general, the contact resistance between a single multiwalled CNT and an n-type heavily doped silicon microelectrode results in a metal-silicon junction model. Based on MΩ unit.
그러므로, 전형적인 금 기반의 마이크로 기전 접촉(micromechanical contacts)과 비교했을 때, 더 높은 저항은 탄소나노튜브와 접촉소자(41, 42)간의 접합부(CNT/Si junctions)로 인한 것으로 예상되며, 금속 촉매와 실리콘(Si) 사이에 인코넬(Inconel)과 같은 금속 합금 완충층(metallic alloy buffer layer)을 이용함으로써 탄소나노튜브와 접촉소자(41, 42)간의 접합부에서의 낮은 접촉저항을 구현할 수 있다. Therefore, when compared to typical gold-based micromechanical contacts, higher resistance is expected due to the junctions (CNT / Si junctions) between the carbon nanotubes and the
도 17은 정렬된 탄소나노튜브 어레이 사이의 접촉의 반복성과 일관성을 확인하기 위해, 탄소나노튜브 합성 직후의 ISD-VSD 특성과, 3번의 반복적인 off/on 구동 후의 ISD-VSD 특성을 비교하여 나타낸 것이나, 4개의 ISD-VSD 커브에서 눈에 띄는 차이가 발견되지 않고 하나의 커브로 중복되어 나타나며, 이로부터 정렬된 탄소나노튜브 어레이간의 접촉 특성(contact property)이 안정적이며 반복 가능함을 확인할 수 있다.17 is aligned carbon nanotubes in order to check the repeatability and consistency of contact between the array, I SD -V SD property of the synthesized carbon nanotubes, and immediately after, I SD after a single three repeated off / on driving -V SD property However, no noticeable difference was found in the four I SD -V SD curves, but overlapped in one curve, from which the contact properties between the aligned carbon nanotube arrays were stable and repeated. It can be confirmed.
도 18은 상기 게이트 전극(30) 인가전압에 따른 소스 전극-드레인 전극간 전류 특성을 나타낸 그래프이며, 도 19는 상기 게이트 전극(30) 인가전압에 따른 상기 CNT접촉층(50)의 접촉상태를 도시한 개념도이고, 도 20의 (a), (b)는 각각 상기 CNT접촉층(50)간 접촉 및 분리된 상태를 촬상한 평면사진이다.18 is a graph showing current characteristics between a source electrode and a drain electrode according to the voltage applied to the
도 18에 도시된 그래프는 상기 소스 전극(10)의 전압 VSD를 1V로 일정하게 인가시킨 상태에서의 상기 소스 전극-드레인 전극간 전류와 상기 게이트 전극(30) 인가 전압(ISD-VG)의 히스테리틱(hysteretic) 스위치 특성을 측정한 결과를 나타낸 것으로, VG를 0V와 56V 사이에서 서서히 증가시키고 감소시키는 동안, 탄소나노튜브 어레이간 접촉을 통하여 전달되는 ISD의 변화를 관찰하였다.The graph shown in FIG. 18 shows the current between the source electrode and the drain electrode and the voltage applied to the gate electrode 30 (I SD -V G ) while the voltage V SD of the
0V의 VG에서 초기의 탄소나노튜브 어레이는 압축 하중하의 접촉 상태에 있으며(도 19의 (a) 참조), 이러한 접촉 상태는 예하중(preload)과 상기 SNT접촉층(50)간 점착력(adhesive force)로 인하여 50V까지 유지되었다(도 19의 (b) 참조). 0V에서 56V로의 정방향 스위프(forward sweep)에서 탄소나노튜브 어레이를 완전히 분리시키기 위한 풀-아웃 전압(Pull-out voltage)은 52V였으며(도 19의 (c) 참조), 역방향 스위프(reverse sweep)에서는 44V에 초기 접촉 상태로 복귀(도 19의 (d) 참조), 유지(도 19의 (e) 참조)되는 것을 확인할 수 있었다. At 0 V V G , the initial carbon nanotube array is in contact under a compressive load (see FIG. 19A), which is in contact with the preload and the
상기 두 가지 상태에서의 기계적 스프링의 복원력을 비교함으로써 점착력 2.3uN을 계산해 낼 수 있으며, 이 값은 44V와 52V에서의 정전기력(electrostatic force)의 차이인 2.1uN과 일치한다.By comparing the restoring force of the mechanical springs in the two states, 2.3uN of adhesive force can be calculated, which is consistent with 2.1uN, the difference in electrostatic force at 44V and 52V.
일반적으로 Au기반 마이크로 기전 접촉을 분리시키기 위한 해제력(release forces)이 100-2700uN의 범위내에 있다는 것을 고려할 때, 탄소나노튜브간의 접촉은 밀접한 접촉(intimate contact)을 유지하면서도 마이크로 기전 접촉에 적합한 낮은 점착력을 가지는 것을 확인할 수 있다. In general, considering that the release forces for separating Au-based micromechanical contacts are in the range of 100-2700 uN, the contact between carbon nanotubes is low enough for micromechanical contact while maintaining intimate contact. It can be confirmed that the adhesive force.
그림 20의 (a), (b)는 각각 온/오프 상태에 있는 상기 CNT접촉체(50) 영역의 광학현미경 이미지로, ISD는 VG 0V에서 상기 CNT접촉체(50)간 접촉을 통하여 흐르게 되며, VG=52V에서 상기 셔틀(21)이 상기 게이트 전극(30) 방향으로 구동되어 상기 CNT접촉체(50)간 접촉이 완전히 분리되는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 턴오프(turn off) 구동을 위한 VG는 콤드라이브(comb drive) 구조의 최적화를 통하여 저감시킬 수 있다.(A) and (b) of FIG. 20 are optical microscopy images of the
도 21은 전류 밀도 전달 성능 확인을 위해 VG의 주기적 전압인가에 따른 ISD 측정 결과를 나타낸 그래프이고, 도 22는 VSD에 따른 전류 밀도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.FIG. 21 is a graph illustrating I SD measurement results according to application of a periodic voltage of V G to confirm current density transfer performance, and FIG. 22 is a graph illustrating results of current density measurement according to V SD .
전류 밀도의 전달 능력을 평가하기 위하여, 상기 소스 전극(10)과 드레인 전극(20)간의 인가전압 VSD을 일정하게 유지하면서, 도 21에 도시된 바와 같이, 상기 게이트 전극(30)에 1Hz 50% duty square-wave 형태로 0-54V 전압신호를 가하여 측정하였다.In order to evaluate the transfer capability of the current density, as shown in FIG. 21, the applied voltage V SD between the
도 22에 도시된 그래프로부터, 스위치 온(on) 상태의 ISD는 VSD에 대해 선형적으로 증가하고, VSD 10V에서 307.4 A/cm2의 전류밀도를 안정적으로 전달하는 것을 확인할 수 있다.From the graph shown in Fig. 22, I SD of the switch-on (on) state it can be found to increase linearly for V SD, reliable delivery of a current density of 307.4 A / cm 2 at V SD 10V.
도 23은 VG의 주기적 인가에 따른 스위치 응답 성능을 나타낸 그래프이며, 도 24는 VG에 따른 상기 CNT접촉층(50)간 접촉상태 변화 및 측정저항을 나타낸 그래프이다.FIG. 23 is a graph showing the switch response performance according to the periodic application of V G , and FIG. 24 is a graph showing the change of contact state and the measurement resistance between the CNT contact layers 50 according to V G.
동적 스위칭 응답(dynamic switching response)은 VSD를 3V로 유지하면서 50% duty square-wave VG of 0-54V로 100, 200, 300 Hz에서 관찰하였으며, 2kΩ의 외부 저항과 VG 사이의 전압 강하는 오실로스코프로를 이용하여 동시에 기록하였다.Dynamic switching response was observed at 100, 200, and 300 Hz with 50% duty square-wave V G of 0-54 V while maintaining V SD at 3 V, with a voltage drop between 2 kΩ external resistance and V G. Simultaneously recorded using an oscilloscope.
도 23에서 확인할 수 있는 바와 같이 스위칭 응답(switching responses)의 왜곡(distortion)이나 노이지 반응(noisy behavior)은 발견되지 않았으며, 과도 전류 스위칭 응답(transient switching responses)도 관측되었다.As can be seen in FIG. 23, no distortion or noisy behavior of switching responses was found, and transient switching responses were also observed.
또한, 스위치 온 상태의 응답(switch-on behavior)은, 도 24의 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이, 전형적인 2차 언더댐프드 응답(second-order underdamped response) 특성을 가지는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 상기 기계적 스프링(22)과 상기 CNT접촉층(50)의 탄성에 의한 것이다.In addition, it can be seen that the switch-on behavior has typical second-order underdamped response characteristics, as can be seen in the graph of FIG. This is due to the elasticity of the
턴 오프 작동(turn-off operation) 동안 상기 CNT접촉층(50)간 접촉 저항이 균일한 정도로 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 상호 접촉하는 탄소나노튜브의 수가 급작스럽지 않게 점차적으로 감소하는 것을 의미한다.It could be seen that the contact resistance between the CNT contact layers 50 increases uniformly during a turn-off operation, which means that the number of carbon nanotubes in contact with each other gradually decreases not suddenly. .
이러한 현상은 탄소나노튜브 어레이 단부의 버클드된 기하학적 형상(Buckled geometry of the aligned CNTs)에 의해 일어날 수 있으며, 기계적 압력으로 인해 단부가 버클드(buckled)된 형상을 가지는 탄소나노튜브는, 마주한 탄소나노튜브간의 점착력(adhesive force)로 인해 턴 오프 작동이 이루어지는 동안 바르게 펴져 길이가 길어질 수 있으며, 이러한 과정에서 접촉저항의 점차적인 증가를 보이면서 최종적으로 분리된다.This phenomenon can be caused by the buckled geometry of the aligned CNTs at the end of the carbon nanotube array, and the carbon nanotubes having the shape buckled at the end due to the mechanical pressure, Due to the adhesive force between the nanotubes, they can be straightened and lengthened during the turn-off operation and finally separated while showing a gradual increase in contact resistance.
스위치 온(switch-on), 스위치 오프(switch-off) 응답 시간(times)은 정전용량형 콤드라이브 구동기(electrostatic comb-drive actuator)의 설계에 의존하며, 상기 기계적 스프링(22)의 강도를 증가시키고 상기 셔틀(21)의 질량을 감소시킴으로써 가속화시킬 수 있다.Switch-on, switch-off response times depend on the design of the electrostatic comb-drive actuator and increase the strength of the
도 25, 26은 각각 290K, 430K 온도 환경에서의 상기 CNT접촉층(50)간 접촉 신뢰성 확인을 위해 스위치의 반복 구동 사이클에 따른 저항변화율을 나타낸 그래프이고, 도 27, 28은 각각 ISD 1mA, 10mA에서 I(D)/I(G) 변화율 측정 결과를 나타낸 그래프이다.25 and 26 are graphs showing the resistance change rate according to the repetitive driving cycle of the switch to confirm the contact reliability between the
마이크로 기전 접촉으로서의 탄소나노튜브 어레이간 접촉의 신뢰성을 증명하기 위하여, 스위치의 반복적인 구동 사이클(cycle)에 따른 상기 소스 전극(10)과 드레인 전극(20) 간의 저항을 측정한 것으로, 탄소나노튜브 어레이를 통하여 전달되는 전류 ISD가 각각 10uA, 1mA, 10mA일 때, 1.1×106 스위칭 사이클(hot-switching cycle) 동안 측정하였다.In order to prove the reliability of the contact between the carbon nanotube arrays as micromechanical contacts, the resistance between the
도 25에 도시된 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이, 심각한 접촉 성능 저하(degradation)나 단락(failure)은 발견되지 않았으며, 최대 저항 변화율은 ISD가 10uA, 1mA, and 10mA일 때 각각 0.3%, 1.4%, 그리고 2%였다.As can be seen in the graph shown in FIG. 25, no significant contact degradation or failure was found, and the maximum resistance change rate was 0.3% when I SD was 10uA, 1mA, and 10mA, respectively. 1.4% and 2%.
기존의 전형적인 Au 코팅(Au-coated) 마이크로 기전 접촉에서는 수 mA의 유사한 환경 아래 105 cycles 스위칭 구동 전에 장애(fail)가 발생되는데, 이는 요철부(asperities)에서의 과도한 가열과 일렉트로 마이그레이션(electro-migration)으로 인한 국부적인 용해 때문이다.Conventional Au-coated micromechanical contacts fail before the 10 5 cycles switching drive under a similar environment of several mA, resulting in excessive heating and electro-migration in asperities. This is due to local dissolution due to migration.
수 uA 주변의 상대적으로 낮은 전류 스위칭에서 부착으로 인한 정지 마찰(stiction)은 Au 접촉의 또 다른 단락 요인이며, 전류 세기(current level)와 관계없이 고체-고체간(solid-to-solid) 접촉에서의 표면 마모는 불가피하여 접촉 저항을 증가시킨다. Static friction due to adhesion at relatively low current switching around a few uA is another short-circuit factor for Au contacts, and at solid-to-solid contacts regardless of the current level. Surface wear is inevitable and increases contact resistance.
그러나, 탄소나노튜브 어레이-탄소나노튜브 어레이간 접촉에서 구현되는 다중 전류 로우 패스(current low paths)와 높은 면접촉(interfacial contact) 면적은 접촉 경계면(contact interface)에서의 지나친 가열을 방지한다.However, the multiple current low paths and high interfacial contact area implemented at the contact between the carbon nanotube arrays and the carbon nanotube arrays prevent excessive heating at the contact interface.
또한, 높은 전류 밀도가 접촉면을 연속적으로 통과하는 상황에서도 탄소나노튜브 어레이간의 낮은 점착력, 결합 견고성(robustness) 및 내마모성으로 인하여, 접촉 경계면상에의 우수한 접촉 신뢰성과 내구성을 구현할 수 있다.In addition, even in a situation where a high current density continuously passes through the contact surface, it is possible to realize excellent contact reliability and durability on the contact interface due to the low adhesion between the carbon nanotube arrays, bonding robustness and wear resistance.
도 26에 도시된 그래프는 탄소나노튜브 어레이간 접촉의 고온에 대한 안정성을 검증하기 위한 것으로, 스위칭 구동 전에 측정된 상기 소스 전극(10)과 드레인 전극(20) 사이의 저항 온도 계수(temperature coefficient of resistance)는 -0.075%K-1 였으며, 430K에서 1mA의 일정한 전류 ISD 가 최대 1.1x106 사이클(cycles)의 스위칭 구동(hot-switching operation)으로 형성되었으나 뚜렷한 접촉 성능(contact characteristics) 저하는 발견되지 않았다. The graph shown in FIG. 26 is for verifying the stability of the contact between the carbon nanotube arrays at high temperature, and the temperature coefficient of resistance between the
기존의 Au 접촉에서 부착(adhesion)과 접합(welding)을 발생시키는 연화 온도(softening temperature)가 373K인 것과 비교하면, 탄소나노튜브 어레이간 접촉은 보다 고온의 혹독한 환경에서 현격히 우수한 기계적 내구성과 전기적 안정성을 구현하는 것을 확인할 수 있다.Compared to the softening temperature of 373K, which causes adhesion and welding in conventional Au contacts, the contact between carbon nanotube arrays is significantly better in mechanical and electrical stability in harsh environments with higher temperatures. You can see that we implement
사이클릭 스위칭 구동(Cyclic switching operations) 후 찍은 주사현미경(SEM) 사진에서 눈에 띄는 탄소나노튜브 어레이의 버클링(buckling), 변형(deformation), 또는 길이 감소는 발견되지 않았으며, 다음으로, 마이크로 라만 분광기(micro -Raman spectroscopy)를 이용해서 탄소나노튜브 어레이의 구조적인 안정성을 조사하였다.No noticeable buckling, deformation, or length reduction of carbon nanotube arrays was observed in SEM images taken after cyclic switching operations. The structural stability of carbon nanotube arrays was investigated using micro-Raman spectroscopy.
도 27, 28에 각각 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브 합성 직후 ISD 1mA, 10mA에서 3.6x10 5, 7.2 x10 5, 그리고 1.1 x10 6 사이클(cycles) 스위칭 구동의 라만 스펙트라(Raman spectra)를 획득하여, D-와 G- band 사이의 강도비(intensity ratio)를 분석하였다. As shown in FIGS. 27 and 28, I SD immediately after carbon nanotube synthesis, respectively. Raman spectra of 3.6x10 5 , 7.2 x10 5 , and 1.1 x10 6 cycles switching drive at 1mA, 10mA were obtained, and the intensity ratio between D- and G-bands was analyzed. .
강도비(I(D)/I(G) ratio)의 변화는 1mA를 전달하는 경우에서는 0.01 보다 작았고, 10mA를 전달하는 경우에서는 0.02보다 작았으며, 이는 탄소나노튜브 어레이의 스위칭 구동(hot-switching operations)에 의해 접촉 경계면(contact interface)에서의 관측 가능한 구조적 손상과 결함의 증가가 일어나지 않았다는 것을 의미한다.The change in intensity ratio (I (D) / I (G) ratio) was less than 0.01 at 1 mA and less than 0.02 at 10 mA, which is the hot-switching of the carbon nanotube array. operations means no observable structural damage and no increase in defects at the contact interface.
상기의 다양한 실험은 탄소나노튜브 어레이간의 접촉은 낮은 점착력(adhesive force), 106 이상의 높은 점멸비(on/off ratio), 고전류 밀도 전달 능력(high current density transmission), 고온에 대한 안정성(430K in air), 106 사이클(cycle) 이상의 반복적인 스위칭(hot -switching) 구동에서 일관적인 접촉 특성을 가지는 것을 증명한다.The various experiments described above show that the contact between the carbon nanotube arrays is characterized by low adhesive force, high on / off ratio of more than 10 6 , high current density transmission, stability against high temperature (430K in air, which demonstrates consistent contact characteristics in hot-switching drives of more than 10 6 cycles.
기존의 고체-고체 간의 접촉을 구현함에 있어서는, 고체 표면의 요철부(surface asperity)에 의하여 디자인한 접촉면적에 비해 실접촉 면적이 현저히 협소해지게 되며, 이는 전류 전달 능력의 제한을 가져오게 된다.In the conventional solid-solid contact, the actual contact area becomes significantly narrower than the contact area designed by the surface asperity of the solid surface, which causes a limitation of the current carrying ability.
또한, 상대적으로 작은 실접촉 면적은 접촉 저항 상승에 의해 전류의 전달 시 과도한 가열을 초래함으로써, 국부적인 용융, 접합, 요철부의 연화 등을 야기하여 마이크로 접촉면의 이른 장애(failure)를 발생시키게 된다. In addition, the relatively small real contact area causes excessive heating in the transfer of current by the increase of the contact resistance, thereby causing local melting, bonding, softening of uneven parts, and so on, causing early failure of the micro contact surface.
또한, 고체-고체간 접촉력의 증가는 실접촉 면적을 확장시키지만, 과도한 경우 기계적인 마모를 가속시키며, 접촉소자간 점착력(adhesive force)를 증가시키게 된다. In addition, the increase of the solid-solid contact force expands the real contact area, but if excessive, accelerates mechanical wear and increases the adhesive force between the contact elements.
그러나, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시예에 의하면 탄소나노튜브 어레이간의 무수한 접촉 개소들이(numerous contact sites)이 고면적의 확장된 접촉 면적(high interfacial contact area)과 다수의 전류 전달의 통로(multiple current flow paths)를 제공하며, 이에 따라 접촉면의 과도한 국부적 가열을 억제할 수 있어 마이크로 기전 스위치의 전류 전달 능력을 현저히 향상시키고 수명을 연장시킬 수 있다.However, according to the embodiment of the present invention having the configuration as described above, numerous contact sites between the carbon nanotube arrays (numerous contact sites) is a high interfacial contact area (high interfacial contact area) and a plurality of passages of current transfer (multiple current flow paths), which can suppress excessive local heating of the contact surface, significantly improving the current carrying capability of the micromechanical switch and extending its life.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 상기 실시예들을 기존의 공지기술과 단순히 조합적용한 실시예와 함께 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 변형하여 이용할 수 있는 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.The present invention has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to these embodiments, and the claims and detailed description of the present invention together with the embodiments in which the above embodiments are simply combined with existing known technologies. In the present invention, it can be seen that the technology that can be modified and used by those skilled in the art are naturally included in the technical scope of the present invention.
10 : 소스 전극 20 : 드레인 전극
21 : 셔틀 22 : 스프링
30 : 게이트 전극 41 : 제1접점소자
42 : 제2접점소자 50 : CNT접촉층
51 : 제1CNT접촉층 52 : 제2CNT접촉층
60 : 콤드라이브 61 : 구동자 전극
62 : 고정자 전극10
21: shuttle 22: spring
30
42: second contact element 50: CNT contact layer
51: first CNT contact layer 52: second CNT contact layer
60: comdrive 61: driver electrode
62: stator electrode
Claims (14)
한쌍의 접점소자(41, 42); 및
탄소나노튜브 어레이(CNT array, Carbon Nano Tube array)를 접촉 재료로 하여 상기 접점소자(41, 42)간의 접촉부 각각에 합성되는 CNT접촉층(50);
을 포함하는 정렬된 탄소나노튜브 어레이를 접촉 재료로 사용하는 마이크로 기전 스위치의 스위칭 소자.
In the switching element of a micro-mechanical switch,
A pair of contact elements 41 and 42; And
A CNT contact layer 50 synthesized on each of the contacts between the contact elements 41 and 42 using a carbon nanotube array (CNT array) as a contact material;
Switching element of a micro-electromechanical switch using an aligned carbon nanotube array comprising a contact material.
상기 접점소자(41, 42)는,
상호 접촉되거나 이격되는 수평방향 상대이동에 의해 온/오프 스위칭을 구현하는 것을 특징으로 하는 정렬된 탄소나노튜브 어레이를 접촉 재료로 사용하는 마이크로 기전 스위치의 스위칭 소자.
The method of claim 1,
The contact element (41, 42),
A switching element of a microvoltaic switch using an aligned carbon nanotube array as a contact material, characterized in that on / off switching is implemented by horizontal relative movements which are mutually contacted or spaced apart.
온/오프 스위칭 구동 시, 상기 CNT접촉층(50)간의 접촉에 의해 상기 접점소자(41, 42)에 연결된 전극간의 통전이 이루어지는 것을 특징으로 하는 정렬된 탄소나노튜브 어레이를 접촉 재료로 사용하는 마이크로 기전 스위치의 스위칭 소자.
The method of claim 1,
In the on / off switching operation, the micro-column using the aligned carbon nanotube array as a contact material, characterized in that the electric current between the electrodes connected to the contact element (41, 42) is made by the contact between the CNT contact layer (50). Switching element of a mechanical switch.
상기 CNT접촉층(50)은,
상기 탄소나노튜브 어레이(CNT array, Carbon Nano Tube array)의 단부가 접촉면 전반에 걸쳐 연속된 경계면을 이루는 것을 특징으로 하는 마이크로 기전 스위치의 스위칭 소자.
The method of claim 1,
The CNT contact layer 50,
Switching element of the microvoltaic switch, characterized in that the end of the carbon nanotube array (CNT array, Carbon Nano Tube array) forms a continuous interface throughout the contact surface.
상기 CNT접촉층(50)은,
상기 CNT접촉층(50) 중 일측의 접촉면에 볼록한 요철부가 형성되면, 상기 요철부와 접촉되는 타측의 접촉면상에는 상기 접촉부와 대응되는 형상의 오목부가 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 기전 스위치의 스위칭 소자.
The method of claim 4, wherein
The CNT contact layer 50,
When the convex concave-convex portion is formed on the contact surface on one side of the CNT contact layer 50, the concave portion of the shape corresponding to the contact portion is formed on the contact surface of the other side in contact with the concave-convex portion.
상호 이격되게 배치되는 한쌍의 접점소자(41, 42)를 형성하는 접점소자형성단계; 및
상기 접점소자(41, 42)간의 접촉부 각각에 탄소나노튜브 어레이(CNT array, Carbon Nano Tube array)를 합성하되, 상기 탄소나노튜브의 길이방향 증식에 의해 상기 접점소자(41, 42) 각각에 합성된 탄소나노튜브간의 상호 접촉이 이루어지도록 형성하는 CNT합성단계;
를 포함하는 마이크로 기전 스위치의 스위칭 소자 제조방법.
In the manufacturing method of the switching element provided in a micro electromechanical switch,
A contact element forming step of forming a pair of contact elements 41 and 42 spaced apart from each other; And
A carbon nanotube array (CNT array) is synthesized on each of the contact portions between the contact elements 41 and 42, and is synthesized to each of the contact elements 41 and 42 by longitudinal proliferation of the carbon nanotubes. CNT synthesis step of forming a mutual contact between the carbon nanotubes;
Method of manufacturing a switching device of a microvoltaic switch comprising a.
상기 CNT합성단계는,
화학기상증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)에 의해 상기 접점소자(41, 42)간의 접촉부 각각에 상기 탄소나노튜브 어레이(CNT array, Carbon Nano Tube array)를 동시 형성하여 상기 접점소자(41, 42)간의 간극 중간 지점에서 탄소나노튜브 어레이간 접촉이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로 기전 스위치의 스위칭 소자 제조방법.
The method of claim 6,
The CNT synthesis step,
The CNT array and the carbon nano tube array are simultaneously formed on each of the contact portions between the contact elements 41 and 42 by chemical vapor deposition (CVD). Method of manufacturing a switching element of a micro-electromechanical switch characterized in that the contact between the carbon nanotube array is made at the intermediate point of the gap.
상기 CNT합성단계는,
상호 대향되는 방향으로 성장 중인 탄소나노튜브 어레이(CNT array, Carbon Nano Tube array)간 접촉에 의해 연속된 경계면을 가지는 균일한 두께로 CNT접촉층(50)을 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 기전 스위치의 스위칭 소자 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The CNT synthesis step,
The CNT contact layer 50 of claim 1, wherein the CNT contact layer 50 is formed to have a uniform thickness by contact between carbon nanotube arrays growing in opposite directions. Method for manufacturing a switching device.
상기 CNT합성단계는,
화학기상증착법(CVD, Chemical Vapor Deposition)에 의해 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube)를 합성하되, 상기 접점소자(41, 42)간 초기간격을 초과하여 상기 접점소자(41, 42)를 밀어내도록 성장시켜, 상기 접점소자(41, 42)간의 접촉방향으로 작용하는 가압력에 해당되는 접촉압력으로 상기 탄소나노튜브 어레이가 상호 접촉된 초기 상태를 구현하는 것을 특징으로 하는 마이크로 기전 스위치의 스위칭 소자 제조방법.
The method of claim 6,
The CNT synthesis step,
Synthesize carbon nanotubes (CNT) by chemical vapor deposition (CVD), but push the contact elements (41, 42) beyond the initial interval between the contact elements (41, 42) To produce a switching element of a microvoltaic switch characterized in that an initial state in which the carbon nanotube arrays are in contact with each other at a contact pressure corresponding to a pressing force acting in the contact direction between the contact elements 41 and 42 is implemented. Way.
소스(source) 전극(10);
상기 소스 전극(10) 양측에 형성되는 드레인(drain) 전극(20);
상기 드레인 전극(20)을 사이에 두고 상기 소스 전극(10) 반대측에 형성되는 게이트(gate) 전극(30);
상기 소스 전극(10)에 연결형성되는 제1접점소자(41);
기계적 스프링(22)에 의해 상기 드레인 전극(20)에 이동가능하게 연결되는 셔틀(shuttle)(21);
상기 제1접점소자(41)와 접촉되는 상기 셔틀(21)의 일단부에 형성되는 제2접점소자(42);
탄소나노튜브 어레이(CNT array, Carbon Nano Tube array)를 접촉 재료로 하여 상기 제1, 2접점소자(41, 42)간의 접촉부 각각에 합성되는 CNT접촉층(50);
상기 셔틀(21)의 타단부에 연결형성되는 콤드라이브의 구동자 전극(61); 및
상기 게이트 전극(30)에 연결형성되며, 상기 게이트 전극(30)에 인가된 전압에 의해 상기 구동자 전극(61) 및 셔틀(21)을 이동시켜 상기 CNT접촉층(50)을 상호 이격시키는 콤드라이브의 고정자 전극(62);
을 포함하는 정렬된 탄소나노튜브 어레이를 접촉 재료로 사용하는 마이크로 기전 스위치.
In a micro-mechanical switch,
A source electrode 10;
A drain electrode 20 formed on both sides of the source electrode 10;
A gate electrode 30 formed on the opposite side of the source electrode 10 with the drain electrode 20 therebetween;
A first contact element 41 connected to the source electrode 10;
A shuttle (21) movably connected to the drain electrode (20) by a mechanical spring (22);
A second contact element 42 formed at one end of the shuttle 21 in contact with the first contact element 41;
A CNT contact layer 50 synthesized on each of the contacts between the first and second contact elements 41 and 42 using a carbon nanotube array (CNT array) as a contact material;
A driver electrode 61 of a comdrive connected to the other end of the shuttle 21; And
The comb is connected to the gate electrode 30 and moves the driver electrode 61 and the shuttle 21 by a voltage applied to the gate electrode 30 to space the CNT contact layer 50 from each other. A stator electrode 62 of the drive;
Micromechanical switch using an aligned carbon nanotube array comprising a contact material.
상기 CNT접촉층(50)은,
상기 제1접점소자(41)의 단부에 합성되는 제1CNT접촉층(51); 및
상기 제1CNT접촉층(51)과 접촉되거나 분리되는 수평방향 변위를 가지는 상기 제2접점소자(42)의 단부에 합성되어 상기 제1CNT접촉층(51)과 함께 상기 탄소나노튜브 어레이-탄소나노튜브 어레이 접촉을 구현하는 제2CNT접촉층(52);
을 포함하는 정렬된 탄소나노튜브 어레이를 접촉 재료로 사용하는 마이크로 기전 스위치.
The method of claim 10,
The CNT contact layer 50,
A first CNT contact layer 51 synthesized at an end of the first contact element 41; And
The carbon nanotube array-carbon nanotubes, which are combined with the first CNT contact layer 51, are synthesized at an end of the second contact element 42 having a horizontal displacement contacting or separating from the first CNT contact layer 51. A second CNT contact layer 52 for implementing array contact;
Micromechanical switch using an aligned carbon nanotube array comprising a contact material.
상기 CNT접촉층(50)은,
상기 제1, 2접점소자(41, 42)간의 접촉부 각각에 동일한 두께로 형성되어 상기 제1, 2접점소자(41, 42)간의 간극 중간 지점에서 상호 접촉이 이루어지는 것을 특징으로 하는 정렬된 탄소나노튜브 어레이를 접촉 재료로 사용하는 마이크로 기전 스위치.
The method of claim 10,
The CNT contact layer 50,
Aligned carbon nano, characterized in that formed in the contact portion between the first, second contact elements (41, 42) with the same thickness, mutual contact at the intermediate point between the first, second contact elements (41, 42) Micromechanical switch using tube array as contact material.
상기 CNT접촉층(50)은,
상기 게이트 전극(30)에 전압이 인가되기 이전에, 상기 스프링(22)에 의해 상호 탄성가압된 상태로 접촉된 초기 상태를 가지는 것을 특징으로 하는 정렬된 탄소나노튜브 어레이를 접촉 재료로 사용하는 마이크로 기전 스위치.
The method of claim 10,
The CNT contact layer 50,
Before the voltage is applied to the gate electrode 30, the micro-use using the aligned carbon nanotube array as a contact material, characterized in that it has an initial state of contact with each other by the spring 22 elastically pressed state Mechanism switch.
웨이퍼상에 소스(source) 전극(10), 드레인(drain) 전극(20), 게이트(gate) 전극(30)과, 상기 소스 전극(10)과 드레인 전극(20)에 각각에 연결된 제1, 2접점소자(41, 42)를 가지는 마이크로 구조물을 제작하는 구조물형성단계; 및
상기 마이크로 구조물의 제1, 2접점소자(41, 42)간 접촉부 각각에 탄소나노튜브 어레이를 합성하되, 상기 제1, 2접점소자(41, 42)간 초기간격을 초과하도록 성장시켜, 상기 제1, 2접점소자(41, 42)의 간격변화에 따른 가압력에 해당되는 접촉압력으로 상기 탄소나노튜브 어레이가 상호 접촉된 초기 상태를 구현하는 CNT합성단계;
를 포함하는 마이크로 기전 스위치의 제조방법.In the manufacturing method of the micro electromechanical switch,
A first electrode connected to the source electrode 10, the drain electrode 20, the gate electrode 30, and the source electrode 10 and the drain electrode 20, respectively, on the wafer; A structure forming step of manufacturing a microstructure having two contact elements (41, 42); And
Synthesizing a carbon nanotube array on each of the contact portions between the first and second contact elements 41 and 42 of the microstructure, but growing to exceed the initial interval between the first and second contact elements 41 and 42, A CNT synthesis step of implementing an initial state in which the carbon nanotube arrays are in contact with each other at a contact pressure corresponding to a pressing force according to a change in distance between one and two contact elements 41 and 42;
Method of manufacturing a micromechanical switch comprising a.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110052834A KR101192478B1 (en) | 2011-06-01 | 2011-06-01 | Switching device of micro electro mechanical switch, micro electro mechanical switch based on aligned carbon nanotube arrays as contact material and method for fabrication thereof |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020110052834A KR101192478B1 (en) | 2011-06-01 | 2011-06-01 | Switching device of micro electro mechanical switch, micro electro mechanical switch based on aligned carbon nanotube arrays as contact material and method for fabrication thereof |
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| KR1020110052834A KR101192478B1 (en) | 2011-06-01 | 2011-06-01 | Switching device of micro electro mechanical switch, micro electro mechanical switch based on aligned carbon nanotube arrays as contact material and method for fabrication thereof |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101828491B1 (en) * | 2016-04-28 | 2018-03-29 | 연세대학교 산학협력단 | Shock Protection Structure Based on Coulomb Damping for Microstructure and Its Manufacturing Method |
Citations (3)
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| JPH11139815A (en) | 1997-11-07 | 1999-05-25 | Canon Inc | Carbon nanotube device and its manufacture |
| US7161403B2 (en) | 2004-06-18 | 2007-01-09 | Nantero, Inc. | Storage elements using nanotube switching elements |
| US7719318B1 (en) | 2008-11-05 | 2010-05-18 | Sandia Corporation | Nanoeletromechanical switch and logic circuits formed therefrom |
-
2011
- 2011-06-01 KR KR1020110052834A patent/KR101192478B1/en active IP Right Grant
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