KR101259382B1 - 높은 변형율과 빠른 동작 속도를 가진 초소형 작동기와 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

초소형 작동기로서, 일단이 고정된 기판과, 상기 기판 위에 증착된, 상변화시 상변화 속도, 변형율 및 응력이 큰 상변화 막과, 상기 상변화 물질 막 위에 증착된 보호 절연막과, 상기 상변화 막의 상변화를 유도하기 위한 열에너지 공급을 위한 전류 펄스 공급장치를 포함하고, 상기 상변화 막의 상변화에 따른 그 부피 및 잔류응력의 변화로 상기 기판의 타단을 움직이도록 하는 것을 특징으로 한다. 상변화 막은 칼코지나이드 상변화 물질로 형성된다.

Description

높은 변형율과 빠른 동작 속도를 가진 초소형 작동기와 그 제조 방법{MICRO-ACTUATOR WITH LARGE DISPLACEMENT AND HIGH OPERATION SPEED AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 작동기(actuator) 에 관한 것으로, 특히 칼코지나이드 상변화 물질을 이용하여, 변형율이 크고 동작 속도가 빠른 초소형 작동기(micro-actuator) 에 관한 것이다.

작동기는 외부에서 공급되는 에너지(열이나 전기 에너지 등)를 제어 가능한, 기계적인 움직임으로 변환하는 장치를 통칭하는 용어로, 우리가 주변에서 흔히 볼 수 있는 모터, 엔진 등이 이에 속하며, 초소형 작동기는 MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems), NEMS (Nano Electro-Mechanical Systems) 기술을 이용하여 제작 가능한, 매우 작은 크기, 수 μm 이하를 가지는 작동기를 의미한다.

이러한 초소형 작동기는 전기·전자 집적 회로의 초소형 스위치로의 응용으로부터 초소형 진단 및 치료 로봇의 개발을 통한 생체 및 의료 과학 분야, 정밀한 동작 제어가 필요한 로보틱스(robotics) 및 우주선(spaceship) 개발에 이르기까지 그 응용 범위가 매우 넓기 때문에, 연구·개발이 활발히 진행 중이다.

초소형 작동기는 외부에서 공급되는 에너지원의 종류와 그 작동 방식에 따라 여러 가지로 구분될 수 있으나, 그 중 현재 가장 널리 채택되고 있는 작동 방법은 압전(Piezoelectric) 재료를 이용하는 방법과 형상기억합금(shape memory alloy)를 이용하는 방법이다.

압전특성이란 외부에서 전압을 인가하면 기계적인 변형이 생기는 성질을 말한다. 압전재료, 예를 들어 quartz(SiO₂), lead-zirconate-titanate(PZT), polyvinyledene fluoride (PVDF) 등을 이용하는 작동기는 동작 속도가 상대적으로 빠르고, 정밀한 움직임 제어가 가능하다는 장점이 있으나, 변형율이 낮다는, 약 1％ 이하, 단점이 있다. 형상기억 특성이란, 특정 온도 이상에서 변형이 되었다가, 특정 온도 아래로 온도를 낮춰주면 원래의 형태로 복귀하려는 성질을 말한다. 형상기억재료, 예를 들어 Nitinol (NiTi), CuZnAl 등을 이용하는 작동기는 압전 물질을 이용하는 방법에 비해 변형율이 매우 높다는 장점이 있으나, 동작 속도가 매우 느리고, 약, 30×10^-3sec, 주변 환경에 의해 특성이 매우 민감하게 반응하고, 에너지 효율이 낮다는 단점이 있다.

상기한 제작 방법에 따른 초소형 작동기는 그 기능이 제한적으로서 각 제작 방법에 따른 작동기의 장점을 결합하면서 보다 우수한 특성, 대표적으로 동작 속도가 매우 빠르면서도 변형율이 큰 특성을 제공할 수 있는 새로운 작동기의 개발이 필요로 되고 있다.

그러므로, 본 발명의 목적은 큰 변형율과 빠른 동작 속도를 가진 초소형의 작동기와 그 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 한 양상에 따르면, 초소형 작동기로서, 일단이 고정된 기판과, 상기 기판 위에 증착된, 상변화시 상변화 속도, 변형율 및 응력이 큰 상변화 막과, 상기 상변화 물질 막 위에 증착된 보호 절연막과, 상기 상변화 막의 상변화를 유도하기 위한 열에너지 공급을 위한 전류 펄스 공급장치를 포함하고, 상기 상변화 막의 상변화에 따른 그 부피 및 잔류응력의 변화로 상기 기판의 타단을 움직이도록 하는 것을 특징으로 하는 초소형 작동기가 제공된다.

본 발명의 다른 양상에 따르면, 초소형 작동기의 제조방법에 있어서, 일단이 고정된 기판 상에 상변화시 상변화 속도, 변형율 및 응력이 큰 상변화 막을 증착하는 단계와, 상기 상변화 막 위에 보호 절연막을 증착하는 단계와, 전류 펄스 공급장치를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 작동기의 제조방법이 제공된다.

이상과 같은 구성과 동작을 통하여, 초소형, 약 100nm이하의 작동기의 제작이 가능하며, Se-Ho Lee, Yeonwoong Jung, and Ritesh Agarwal, Nature Nanotechnology, vol. 2, p. 626-629, 2007에 따르면, 20 nm 지름을 가지는 GeTe 또는 GST 나노와이어에 대해서도 정상적인 상전이가 일어나는 것이 보고되었다. 따라서, 수십 nm 크기를 가지는 초소형 작동기를 만드는 것도 가능하다.

또한, 비정질화 및 결정화가 모두 수십 ns 수준에서 일어나기 때문에, 1 MHz 이상의 동작 속도에 해당하는 빠른 동작 속도를 구현할 수 있다.

또한, 본 발명의 초소형 작동기는 압전 물질의 변형율, 약 1％ 이하에 비해 높은 변형율, 약 6.5 ％의 변형율을 갖는다.

게다가, S. Lai and T. Lowrey, "OUM-A 180 nm nonvolatile memory cell element technology for stand alone and embedded applications," in IEDM Tech. Dig., 2001, pp. 803-806에 따르면, 10¹² 이상의 반복 상전이까지도 특성이 변화하지 않는다는 결과가 보고되었다. 따라서, 우수한 반복특성 및 내구성을 갖는다.

본 발명의 상기 및 다른 목적은 첨부한 도면을 참조하여 상세한 설명을 통해 명확해 질 것이다.
도 1은 상변화 물질이 비정질 상태인 경우의 작동기의 형태를 나타내는 개략 단면도이다.
도 2는 상변화 물질이 결정질 상태인 경우의 작동기의 형태를 나타내는 개략 단면도이다.
도 3은 전류 펄스 공급 장치를 이용한 작동기의 개략 단면도이다.
도 4는 비정질 및 결정질로의 각각의 상변화를 발생시키기 위하여 외부에서 공급해주는 전류 펄스 혹은 레이저 펄스의 파워 및 인가 시간을 나타내는 그래프이다.

발명의 실시를 위한 형태

도 1을 참조하여 본 발명이 제공하는 칼코지나이드(chalcogenide) 상변화 물질을 이용한 초소형 작동기의 기본구성을 설명하면 다음과 같다.

기판(10)은 상변화 막(30)이 증착될 구조물로, 상변화 물질의 상전이에 수반되는 기계적 변형을 실제적인 기계적 운동으로 변환하는 역할을 한다. 따라서, 기판은 상변화 물질의 상전이에 의해 발생하는 응력의 변화에 순응하도록 기계적 특성이 결정되어야 하며, 또한 기판의 두께도 이에 맞추어 결정되어야 한다. 기판의 바람직한 예로는 Si 단결정 기판이나 SiO₂와 Si의 이층막 등이 있다.

도 1에서 보이는 바와 같이 기판은 한쪽 끝이 단단히 고정되어 기계적 변형을 통한 움직임의 기준점이 되도록 하여야 한다. 이를 위해서는, MEMS 혹은 NEMS 기술을 이용하여 기판 자체를 도 1에 보이는 바와 같은 외팔보(cantilever)형태로 제작하는 방법이나, 또는 얇게 만든 기판을 다른 구조체에 단단히 고정시키는 방법을 사용할 수도 있다.

기판이 준비된 후에는 기판 위에 스퍼터링(sputtering) 혹은 증발 증착법(evaporation deposition)을 사용하여 버퍼 막(20)을 증착한다. 버퍼 막(20)은 기판(10)과 상변화 막(30) 사이에 위치함으로써, 기판(10)과 상변화 막(30) 사이의 화학적 반응을 방지하고, 또한 상변화 막(30)에서 발생하는 기계적 변형을 기판(10)에 잘 전달할 수 있도록 기판(10)과 상변화 막(30)을 잘 접착시켜주는 접착제 역할을 할 수 있는 것이어야 한다. 이러한 물질의 예로서 SiO₂ 또는 ZnS-SiO₂ 또는 SiN 등이 있으며 경우에 따라서는 다층 막을 사용할 수도 있는데, 대표적 예로서 타이타늄 질화물(TiN)과 타이타늄(Ti)의 이층막이 있다. 상변화 막과 기판 물질의 접착성이 매우 우수하며, 또한 두 층 사이의 화학적 반응이 없는 경우, 이 버퍼 막(20)은 생략되어질 수 있다.

그 후에는, 버퍼 막(20) 위에 스퍼터링 혹은 증발 증착법을 이용하여 상변화 막(30)을 증착한다.

칼코지나이드 물질은 주기율표의 16족 원소 중 황(S), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te)을 포함하는 화합물을 의미하며, 그 중에서 상온에서 비정질 상태와 결정질 상태로 안정적으로 존재하는 것이 가능하며, 또한 외부에서 적당한 열을 가하여 비정질-결정질 간의 상(phase)을 변화시키는 것이 가능한 특성을 가지는 물질을 칼코지나이드 상변화 물질이라고 한다. 일반적으로 대부분의 물질은 상태, 즉, 결정질, 비정질에 따라 부피 변화가 수반되는데, 이러한 부피 변화에 따른 수축, 팽창을 이용하여 기계적 운동을 발생시킬 수 있다. 본 발명의 목표인 높은 변형율과 빠른 동작 속도를 가진 초소형 작동기를 제작하기 위해서는 사용되는 칼코지나이드 상변화 물질의 변형율이 커야 하고, 비정질에서 결정질 혹은 결정질에서 비정질로 바뀔 때 발생하는 응력이 커야 하고, 고속 동작을 위해서는 빠른 시간 내에 결정화 및 비정질화가 이루어져야 한다. 이러한 특성을 가진 대표적인 칼코지나이드 상변화 물질로는 Ge₂Sb₂Te₅, AgInSbTe 등이 있다. 예를 들어, Ge₂Sb₂Te₅의 경우 약 6.5 ％의 높은 변형율과, 1×10^-6 sec보다 작은 상전이 소요 시간을 갖춘 것으로 W. K. Njoroge, H.-W. Woltgens, and M. Wuttig, J. Vac. Sci. Technol. A20, p. 23, 2002에 보고되었다. 뿐만 아니라, 결정질과 비정질 간의 상전이 과정에 대한 반복 특성 및 내구 특성이 매우 뛰어나며, 약 10¹² 회, 수십 nm 크기의 지름을 가지는 나노 와이어에서도 상전이가 가능하다는 것이 보고되었다.

본 발명에서 상변화 물질로 칼코지나이드 상변화 물질이 사용되었으나 이에 한정되지 않고, 상변화 속도가 빠르고, 상변화시 변형 및 이에 따른 응력변화가 큰 경우 다른 종류의 상변화 물질이 사용될 수 있다.

상변화 막의 증착이 끝나면 원하는 형태를 가지도록 패터닝을 한다. 또는 shadow 마스크를 이용하여 증착과 동시에 상변화 막이 원하는 형태를 가지도록 증착하는 방법을 사용할 수도 있다.

상변화 막이 준비된 후에는, 상변화 막의 상전이에 필요한 열 에너지의 공급 장치의 종류, 예를 들어, 레이저 펄스 공급 장치(50) 및 전류 펄스 공급 장치(60)에 따라 소자의 제작 과정이 달라진다.

먼저, 전류 펄스 공급 장치(60)를 이용하는 경우에는 도 3에서와 같이 상변화 막(30) 형성 후에 전극(31) 형성이 필요하다. 전극 물질이 갖추어야 할 조건은 상변화 물질과 화학적 반응을 하지 않아야 하며, 열적 안정성이 우수해야 한다. 전극 물질로는 타이타늄 질화막(TiN), 알루미늄(Al), 금(Au) 등을 사용할 수 있으며, 박막을 형성한 이후 포토 리소그래피(photo-lithography) 등의 방법을 통해 형성할 수도 있고, 혹은 증착과 동시에 패터닝이 되도록 하는 방법을 사용할 수도 있다. 또한, 레이저 펄스 공급 장치(50)는 상변화시 상변화막이 움직여 상변화막과의 초점거리가 변하는 문제점이 있지만, 전류 펄스 공급 장치(60)는 상변화막에 안정적인 열의 공급이 가능하다.

레이저 펄스 공급 장치(50)를 이용하는 경우에는 전극 형성(31) 공정을 생략할 수 있는 반면, 독립된 레이저 펄스 공급 장치를 갖추어야 하기 때문에 소자 크기에 제한 요소가 될 수 있다는 단점이 있다.

상변화 막 패턴 공정 및 전극 형성 공정이 완료된 후에는 보호 절연막(40)을 증착한다. 보호 절연막은, 상변화 물질의 가열, 용융에 따른 산화 및 휘발을 막는 한편, 전류 펄스를 이용하는 경우 효과적 가열을 위한 전기적 절연을 위해 필요하다. 보호 절연막이 갖추어야 할 조건은 상변화 물질과 화학적 반응이 일어나지 않아야 하며, 열적 안정성이 우수해야 한다. 또한, 상전이에 필요한 열에너지의 외부 공급 장치로 레이저 펄스를 이용하는 경우, 보호 절연막은 투명해야 한다는 조건이 있다. 이러한 보호 절연막으로는 SiO₂ 또는 ZnS- SiO₂ 또는 SiN 막 등이 있다.

아래의 실시예는, 본 발명의 핵심 요소인 일부 상변화 막의 상전이에 수반되는 변형 및 잔류 응력을 실제로 나타낸다.

(실시예)

SiO₂와 Si의 이층막 기판 위에 스퍼터링 방법을 이용하여 Ge₂Sb₂Te₅, Ge-doped SbTe 상변화 막을 100 nm 증착하여, line pattern을 형성한 후, annealing 전 후의 line pattern의 두께를 측정하여 선 변형율을 구하고, 가늘고 긴 형태(strip)의 상기 기판 위에 증착된 상기 상변화막의 곡률을 annealing 전 후에 측정하여 잔류 응력을 구하였다. Annealing은 각 조성의 결정화 온도, 예를 들어, Ge₂Sb₂Te₅의 경우 약 152℃, Ge-doped SbTe의 경우 약 163℃보다 높은 200℃에서 10분간 진행되었다. 표 1에서 보이는 바와 같이, Ge₂Sb₂Te₅ 및 Ge-doped SbTe 모두에서 높은 변형율 및 높은 잔류 응력을 얻을 수 있었다.

표 1. Ge₂Sb₂Te₅ 및 Ge-doped SbTe 상변화 막의 변형율 및 잔류 응력

이하, 본 발명의 초소형 작동기의 작동과정에 대해 설명한다.

도 1은 상변화 물질이 비정질 상태일 때의 작동기의 상태를 표시한 것이다. 이때의 상태를 "0"의 위치에 있다고 정의한다. 이와 같은 상태에서 외부에서 전류 펄스 혹은 레이저 펄스를 인가하면, 그 때 발생하는 열로 인하여 상변화 물질이 결정화되는 경우에는 앞서 말한 바와 같이 부피에 변화가 발생하게 되어 도 2와 같이 기판이 위로 휘는 현상이 발생하게 된다.

또한, 이와 같은 형태를 "1"의 위치에 있다고 정의하고, 이러한 상태는 외부의 에너지 공급이 중단된 후에도 유지된다.

작동기의 형태를 다시 "0"의 위치로 되돌리려면 다시 전류 펄스 혹은 레이저 펄스를 인가하여, 상변화 물질의 온도를 녹는 점 이상으로 증가시킨 후 급랭시키는 방법을 사용한다. 이를 위해 전류 펄스 혹은 레이저 펄스의 충분한 출력과 빠른 주파수가 고려되어야 한다. 이러한 방법을 통하여 상변화 물질을 다시 비정질 상태로 되돌릴 수 있으며, 작동기의 상태는 다시 "0"의 위치로 되돌아 갈 수 있다.

도 4에서는 "0"의 위치에서 "1"의 위치로, 그리고 "1"의 위치에서 "0"의 위치로 바꾸기 위하여 외부에서 공급하는 전류 펄스 혹은 레이저 펄스의 형태를 개략적으로 표시하였다.

대개의 상변화 물질의 경우, "0" 상태에서 "1" 상태로의 상전이에 필요한 시간은 10 ∼ 500 ns 정도이고, "1" 상태에서 "0" 상태로의 상전이에 필요한 시간은 10 ∼ 50 ns 이기 때문에 매우 빠른 예를 들어, 약 수 MHz의 동작 속도를 가지는 작동기를 구현할 수 있다.

또한, 소형 작동기의 실제 구현시, 원하는 작동 속도와 변위에 맞춰, 기판 및 상변화 막의 크기와 모양, 전류 펄스 혹은 레이저 펄스의 출력 및 구동 주파수가 정해진다.

이상에서 설명한 상세한 설명 및 도면의 내용은, 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명한 것이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변경 또는 삭제가 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 설명 및 도면에 의해 결정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위에 의해 결정되어져야 한다.

Claims (22)

1. 초소형 작동기로서,
   일단이 고정된 기판과,
   상기 기판 위에 증착된 상변화 막과,
   상기 상변화 막 위에 증착된 보호 절연막과,
   상변화를 유도하기 위해 상기 상변화 막에 열에너지 공급을 위한 전류 펄스를 공급하는 전류 펄스 공급 장치를 포함하고,
   상기 상변화에 따른 상기 상변화 막의 부피 및 잔류응력의 변화에 의해 상기 기판의 타단이 움직이는
   초소형 작동기.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 상변화 막은 칼코지나이드 상변화 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 초소형 작동기.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 칼코지나이드 상변화 물질은 Ge₂Sb₂Te₅ 또는 AgInSbTe 인것을 특징으로 하는 초소형 작동기.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 기판은 상기 상변화 막의 잔류응력 변화에 따라 움직이도록 그 크기와 모양이 결정되는 것을 특징으로 하는 초소형 작동기.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 기판은 단결정 SiO₂ 또는 SiO₂와 Si의 이층막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 초소형 작동기.
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,
   상기 초소형 작동기는,
   상기 상변화 막 상에 형성되어 상기 전류 펄스가 인가되는 전극
   을 더 포함하는 초소형 작동기.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 보호 절연막은 상기 상변화막의 가열 효율을 높이기 위해 전기적 절연물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 초소형 작동기.
9. 제 1항에 있어서,
   상기 보호 절연막은 SiO₂, ZnS- SiO₂, 또는 SiN 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 초소형 작동기.
10. 제 1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 상변화 막의 화학반응을 차단하고 상기 상변화 막의 변형이 상기 기판에 잘 전달되도록 접착성을 갖는 버퍼막을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 작동기.
11. 제 10항에 있어서,
    상기 버퍼막은 SiO₂, ZnS- SiO₂, SiN, 또는 TiN과 Ti의 이층막 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 초소형 작동기.
12. 제 1항에 있어서,
    상기 기판의 타단은 상기 상변화 막을 상기 전류 펄스 공급장치로 결정화 온도 이상으로 가열하여 결정화시키고 이때 발생하는 부피 감소 및 잔류 응력으로 휘는 것을 특징으로 하는 초소형 작동기.
13. 제 12항에 있어서,
    상기 휜 기판의 타단은 상기 결정화된 상변화 막을 상기 전류 펄스 공급장치로 녹는점 이상으로 가열후 급랭하여 비정질화시키고 이때 발생하는 부피 증가 및 잔류 응력의 해제로 원위치로 돌아가는 것을 특징으로 하는 초소형 작동기.
14. 초소형 작동기의 제조방법에 있어서,
    일단이 고정된 기판상에 상변화 막을 증착하는 단계와,
    상기 상변화 막 위에 보호 절연막을 증착하는 단계와,
    상기 상변화 막에서의 상변화를 통해 그 부피 및 잔류응력이 변화되어 상기 기판의 타단이 움직이도록 상기 상변화 막에 전류 펄스를 공급하는 전류 펄스 공급장치를 제공하는 단계
    를 포함하는 초소형 작동기의 제조방법.
15. 제 14항에 있어서,
    상기 상변화 막은 스퍼터링 또는 증발 증착 방법으로 증착되는 것을 특징으로 하는 초소형 작동기의 제조방법.
16. 제 14항에 있어서,
    상기 상변화 막은 증착후 원하는 모양으로 패터닝되거나 섀도우 마스크로 원하는 모양으로 증착되는 것을 특징으로 하는 초소형 작동기의 제조방법.
17. 제 14항에 있어서,
    상기 제조 방법은,
    상기 보호 절연막의 증착 전에, 상기 상변화 막의 상부 일부에 상기 전류 펄스가 인가되는 전극을 형성하는 단계
    를 더 포함하는 초소형 작동기의 제조 방법.
18. 제 14항에 있어서,
    상기 기판과 상기 상변화 막 사이에 상기 기판과 상기 상변화 막의 화학반응을 차단하고 상기 상변화 막의 변형이 상기 기판에 잘 전달되도록 접착성을 갖는 버퍼막을 증착하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 작동기의 제조방법.
19. 제 14항에 있어서,
    상기 상변화 막은 Ge₂Sb₂Te₅ 또는 AgInSbTe로 구성되는 것을 특징으로 하는 초소형 작동기의 제조방법.
20. 제 14항에 있어서,
    상기 기판은 단결정 SiO₂ 또는 SiO₂와 Si의 이층막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 초소형 작동기의 제조방법.
21. 제 14항에 있어서,
    상기 보호 절연막은 SiO₂, ZnS- SiO₂, 또는 SiN 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 초소형 작동기의 제조방법.
22. 제 18항에 있어서,
    상기 버퍼막은 SiO₂, ZnS- SiO₂, SiN, 또는 TiN과 Ti의 이층막 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 초소형 작동기의 제조방법.

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