KR101285226B1 - 공차 보상 기능을 갖는 나노/마이크로 롤러 베어링 및 그 제조방법 - Google Patents

공차 보상 기능을 갖는 나노/마이크로 롤러 베어링 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상대운동하는 2개의 MEMS 구조물 사이에 설치되어 구름운동 하는 나노/마이크로 롤러 베어링에 관한 것으로서, 특히, MEMS 구조물의 가공 공차를 효과적으로 흡수할 수 있고, MEMS 구조물로부터 가해지는 수직하중을 고르게 분산시켜 변형을 최소화하는 동시에 MEMS 구조물과 원활한 접촉상태를 유지하며 롤링(rolling)될 수 있도록 하여 베어링의 마모 발생을 최소화하고 베어링의 파손을 방지할 수 있는 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은 서로 상대운동하는 2개의 MEMS 구조물 사이에 설치되는 베어링에 있어서, 상기 베어링을 일측에 일정 간격의 갭(gap)이 형성된 'C'자형 횡단면 구조를 가지는 튜브(tube) 형태의 롤러 베어링(roller bearing)으로 채용한 것을 특징으로 한다.

Description

공차 보상 기능을 갖는 나노/마이크로 롤러 베어링 및 그 제조방법{tolerance compensating nano/micro roller bearing and method for manufacturing the same}
본 발명은 서로 상대운동하는 2개의 MEMS 구조물 사이에 설치되어 구름운동 하는 베어링에 관한 것으로서, MEMS 구조물의 가공 공차로 인해 MEMS 구조물 사이의 간격 변화가 발생하더라도 탄성 영역 범위 내에서 적절히 변형되며 가공 공차를 흡수할 수 있고, MEMS 구조물로부터 가해지는 수직하중을 복수의 베어링을 통해 고르게 분산시켜 베어링의 변형을 최소화하는 동시에 MEMS 구조물과 원활한 접촉상태를 유지하며 롤링(rolling)될 수 있도록 함으로써 베어링의 마모 발생을 최소화할 수 있고 베어링의 파손을 방지할 수 있는 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근에 들어, 마이크로/나노 스케일(micro/nano scale)에서의 파손 및 마모현상에 관한 연구는 기존 매크로 스케일(macro scale)에서의 마모현상의 근원을 파악하려는 시도에서 더욱 발전하여, 전세계적으로 대두되고 있는 각종 마이크로/나노 시스템의 실용화를 위하여 필수적인 연구로 제시되고 있다.
실제로 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 부품을 비롯하여 상대운동을 수행하는 많은 마이크로 시스템들이 신뢰성 및 내구성 문제로 인하여 그 실용성이 제한되고 있으며, PBR(Probe-Based Recording) 기술, SPL(Scanning Probe Lithography) 기술과 같은 나노 분야에서도 마찬가지로 나타나고 있다.
이렇듯 아직까지도 서로 상대운동을 수행하는 마이크로/나노 스케일 단위의 MEMS 부품을 비롯한 많은 마이크로 시스템들에 적용하여 상용화에 성공할 수 있을 정도의 윤활제나 베어링이 개발되지 않고 있기 때문에, 이들 마이크로/나노 스케일의 MEMS 부품의 상대운동 과정에서 발생되는 파손 및 마모현상을 규명하고 이에 대한 신뢰성 및 내구성을 향상시키기 위한 연구가 현재에도 다양하게 진행되고 있다.
한편, 몇몇 연구에서는 수십에서 수백 ㎛의 직경을 갖는 마이크로 베어링(micro bearing)을 이용하여 서로 상대운동 하는 MEMS 부품에서 발생하는 롤링(rolling) 현상을 규명하는 연구가 진행되고 있는데, 그 일 예로서, 2010년 'Tribology International'에 발표된 선행기술 논문(Sujeet K. Sinha, Robin Pang, Xiaosong Tang, “Application of micro-ball bearing on Si for high rolling life-cycle”, Tribology International 43 (2010) 178-187)에서는, 실리콘으로 구성된 MEMS 구조물 간의 상대운동시 발생되는 마찰 및 마모 문제를 해결하기 위하여, 상대운동하는 MEMS 구조물 사이에 53 ± 3.7 ㎛ 지름을 갖는 붕규산 유리구(borosilicate glass micro sphere)를 설치하여 0.005에서 0.008의 매우 낮은 마찰 계수를 얻고자 하는 시도가 있었다.
그러나, 위와 같은 선행 논문에 개시되어 있는 마이크로 볼 베어링(micro ball bearing)으로 사용된 유리구의 이미지를 살펴보면 유리구 표면에 마모와 소성 변형 및 부서짐 현상이 발생된 것을 확인할 수 있는데, 이는 유리구의 크기가 일정하지 않고 MEMS 구조물의 표면 또한 완벽하게 편평하지 않아 MEMS 구조물 사이에 수백 nm의 높이 차가 발생되어 수백 개의 유리구가 MEMS 구조물 사이에 마이크로 볼 베어링으로 뿌려진다고 하더라고, 2차원적으로 표현된 도 1의 단면도에서 보는 것과 같이, 처음 뿌려진 수백 개의 볼 베어링(10) 중에서 일부의 볼 베어링만 MEMS 구조물(20)(30)과 점접촉(point contact)을 하게 되고, 나머지 볼 베어링은 하부측 MEMS 구조물(30)의 접촉면(32)과는 접촉되지만 상부측 MEMS 구조물(20)의 접촉면(22)과는 접촉되지 않은 상태로 유지된다는 것을 볼 수 있다.
이와 같이 2개의 MEMS 구조물(20)(30) 사이에 뿌려진 수백 개의 볼베어링(10)들이 한번에 모두 접촉을 하면서 수직하중을 분산시키지 못하고 단지 일부의 볼에만 수직하중이 집중되기 때문에 수직하중이 집중된 일부 볼에서 소성 변형이 발생하게 되어 볼이 원형이 아닌 타원형 모양으로 변형이 이루어진다. 이렇게 일단 소성 변형된 볼의 형상은 원래의 형태로 복원이 되지 않기 때문에 원활한 롤링 현상이 이루어지지 못하게 되고, 변형된 볼이 강제로 롤링되더라도 볼에 마모가 심하게 발생되어 결국에는 볼이 파손되는 문제가 있었다. 그리고, 이렇게 일부의 볼에만 소성 변형이 발생하게 되면 순차적으로 수직하중을 견딜 수 있는 개수의 볼이 접촉할 때까지 마이크로 볼들에 변형이 발생하게 되고, 나머지 마이크로 볼들은 MEMS 구조물의 표면과 접촉하지 못하여 롤링 베어링의 기능을 하지 못하게 되는 문제점이 있었다.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 서로 상대운동을 하는 2개의 MEMS 구조물 사이에 설치되는 베어링을 탄성 변형이 가능한 C자형 단면구조를 갖는 튜브(tube)형 베어링 구조로 형성함으로써, MEMS 구조물의 가공 공차로 인해 MEMS 구조물 사이의 간격 변화가 발생하더라도 탄성 영역 범위 내에서 변형되며 기구적인 가공 공차를 적절히 흡수할 수 있고, MEMS 구조물로부터 가해지는 수직하중을 복수의 베어링을 통해 고르게 분산시켜 베어링의 변형을 최소화하는 동시에 MEMS 구조물과 원활한 접촉상태를 유지하며 롤링(rolling)될 수 있도록 함으로써 베어링의 마모 발생을 최소화할 수 있고 베어링의 파손을 방지할 수 있는 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 서로 상대운동하는 2개의 MEMS 구조물 사이에 설치되는 베어링에 있어서, 상기 베어링을 일측에 일정 간격의 갭(gap)이 형성된 'C'자형 횡단면 구조를 가지는 튜브(tube) 형태의 롤러 베어링(roller bearing)으로 채용한 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 롤러 베어링은 실리콘 재질로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 롤러 베어링의 내부 공간에는 강도(stiffness)가 낮은 알루미늄(aluminum)이나, 폴리머(polymer) 재료를 채워 구성할 수 있다.
한편, 상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 MEMS 장치는, 서로 상대운동하는 2개의 MEMS 구조물 사이에 설치되어 구름운동을 하는 복수의 베어링을 구비한 MEMS 장치에 있어서, 상기 베어링을 일측에 일정 간격의 갭(gap)이 형성된 'C'자형 횡단면 구조를 가지는 튜브(tube) 형태의 롤러 베어링(roller bearing)으로 채용하여 구성할 수 있다.
이때, 상기 복수의 롤러 베어링은 매트릭스(matrix) 형태로 배열하여 구성할 수 있다.
한편, 상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링의 제조방법은, (a)중간 부분에 절연층이 형성된 샌드위치 구조를 갖는 기판 위에 포토레지스트를 도포한 후, 'C'자 형태의 복수의 패턴 구조가 형성되도록 상기 포토레지스트를 패터닝하는 단계와; (b)상기 패터닝된 포토레지스트를 마스크(mask)로 사용하여 상기 기판의 중간 부분에 위치한 상기 절연층까지 상기 기판을 수직으로 식각하는 단계와; (c)상기 기판 위에 패터닝된 포토레지스트층을 제거한 후 상기 절연층을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 기판으로는 중간 부분에 절연층인 실리콘 산화막(SiO2)이 형성된 SOI(silicon-on-insulator) 웨이퍼가 적용될 수 있다.
그리고, 상기 (b)단계에서 상기 기판의 식각은 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 공정을 통해 수행될 수 있다.
또한, 상기 (c)단계에서 상기 절연층의 제거는 불화수소(HF)를 이용하여 수행될 수 있다.
상기한 구성을 갖는 본 발명은 서로 상대운동을 하는 2개의 MEMS 구조물 사이에 설치되는 베어링을 탄성 변형이 가능한 C자형 단면구조를 갖는 튜브(tube)형 베어링 구조로 형성함으로써, MEMS 구조물의 가공 공차로 인해 MEMS 구조물 사이의 간격 변화가 발생하더라도 상기한 구조의 롤러 베어링이 탄성 영역 범위 내에서 적절히 변형되면서 MEMS 구조물의 기구적인 가공 공차를 효과적으로 흡수할 수 있고, MEMS 구조물로부터 가해지는 수직하중을 복수의 롤러 베어링을 통해 고르게 분산시켜서 롤러 베어링의 변형을 최소화하는 동시에 롤러 베어링이 MEMS 구조물과 원활한 접촉상태를 유지하며 구름 운동할 수 있도록 함으로써 베어링 표면이 마모되는 것을 최소화할 수 있고 베어링의 파손을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 상대운동하는 2개의 MEMS 구조물 사이에서 마이크로 볼 베어링이 MEMS 구조물과 접촉하는 형상을 보여주는 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링 구조를 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 롤러 베어링이 상대운동하는 2개의 MEMS 구조물 사이에서 접촉 및 변형되는 모습을 보여주는 단면도.
도 4는 본 발명의 롤러 베어링에 1gf의 수직하중이 가해질 경우 롤러 베어링의 중심 Z축 방향으로의 수직변형량 분포를 시뮬레이션한 도면.
도 5는 본 발명의 롤러 베어링에 1gf의 수직하중이 가해질 경우 롤러 베어링의 MPS(Maximum Principal Stress) 분포를 시뮬레이션한 도면.
도 6은 본 발명의 롤러 베어링에 1gf의 수직하중이 가해질 경우 롤러 베어링의 VMS(Von-Mises Stress) 분포를 시뮬레이션한 도면.
도 7은 본 발명의 롤러 베어링에 인가되는 다양한 수직하중에 대한 롤러 베어링의 수직변형량 및 최대 응력을 측정한 실험 데이터를 나타낸 표
도 8은 본 발명의 롤러 베어링에 가해지는 수직하중에 대한 수직변형량의 관계를 보여주는 그래프.
도 9는 갭(gap)이 없는 튜브 형태의 롤러 베어링에 1gf의 수직하중이 가해질 경우 수직변형량 분포를 시뮬레이션한 도면.
도 10은 갭(gap)이 없으면서 내부가 채워진 형태의 롤러 베어링에 1gf의 수직하중이 가해질 경우 수직변형량 분포를 시뮬레이션한 도면.
도 11은 본 발명에 따른 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링의 제조방법을 순차적으로 보여주는 공정도.
도 12는 도 11의 롤러 베어링 제조공정에서 사용되는 롤러 베어링의 마스크(mask) 디자인을 도시한 평면도
도 13은 본 발명에 따른 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링이 실리콘 기판상에 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 구조를 예시한 예시도.
이하, 본 발명의 일실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 공차 보상 기능을 갖는 마이크로 롤러 베어링 구조를 도시한 사시도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 롤러 베어링(roller bearing)(100)은 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 장치에 있어서, 서로 상대운동하는 2개의 MEMS 구조물(예를 들어, 실리콘 웨이퍼) 사이에 복수 개가 설치되어 MEMS 구조물의 상대운동시 구름운동을 수행하게 되는데, 이러한 본 발명의 롤러 베어링(100)은 일측에 일정 간격의 갭(gap)(110)이 형성된 'C'자형 횡단면 구조를 가지며 내부에 중공이 형성된 튜브(tube) 형상으로 이루어져 있다.
여기서 상기 롤러 베어링(100)은 MEMS 구조물과 동일한 실리콘(silicon) 재질로 구성되며 그 횡단면이 원형 모양을 갖도록 형성된다. 이때, 상기 롤러 베어링(100)의 재질은 상기한 실리콘 재료 이외의 다른 재료로 구성하는 것도 가능하다.
이와 같은 롤러 베어링(100)은 마이크로(micro) 또는 나노(nano) 사이즈의 크기를 갖도록 제작되며, MEMS 구조물로부터 가해지는 수직하중과, MEMS 구조물의 가공 공차로 인해 발생되는 MEMS 구조물의 2개의 접촉면 사이의 거리 변화량을 고려하여, 롤러 베어링(100)의 외경(D), 길이(L), 두께(T), 갭(110)의 간격(G) 등을 변경하여 마찰과 마모에 최적화된 모양으로 형성할 수 있다.
상기한 구조를 갖는 본 발명의 롤러 베어링(100)은 상대운동하는 2개의 MEMS 구조물 사이에서 접촉되며 구름운동을 하는 경우, 가공 공차로 인해 상기 MEMS 구조물의 두 접촉면 사이의 간격이 변화되어도 상기 롤러 베어링(100)에 형성된 갭(110)을 통해 공차를 흡수할 수 있기 때문에 롤러 베어링(100)이 MEMS 구조물의 두 접촉면과 지속적으로 접촉되며 구름운동을 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 롤러 베어링(100)이 상대운동하는 2개의 MEMS 구조물 사이에서 접촉되며 구름운동을 수행하는 모습을 예시한 단면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 롤러 베어링(100)은 서로 상대운동하는 2개의 MEMS 구조물(120)(130) 사이에 복수 개가 개재되어, 상기 MEMS 구조물(120)(130)의 상대운동시 MEMS 구조물(120)(130)의 상,하부 접촉면(122)(132)과 접촉되며 구름운동을 수행하게 되는데, 이때, MEMS 구조물(120)(130)의 가공 공차에 의해 상,하부 MEMS 구조물(120)(130)의 각 접촉면(122)(132)이 평탄하게 가공되지 않아 두 접촉면(122)(132) 사이의 간격 변화가 발생되더라도 롤러 베어링(100)의 일측에 형성된 갭(110)으로 인해 상기 롤러 베어링(100)에 일정수준의 탄성 변형이 수반되면서 상기 MEMS 구조물(120)(130)의 두 접촉면(122)(132)에 롤러 베어링(100)이 항상 접촉상태를 유지하며 구름운동을 수행할 수 있다.
여기서, 상기 롤러 베어링(100)을 상기 2개의 MEMS 구조물(120)(130) 사이에 배치하는 경우, 상기 롤러 베어링(100)에 형성된 갭(110)이 상기 2개의 MEMS 구조물(120)(130) 사이의 간격(G)의 1/2이 되는 위치, 즉, 상기 두 접촉면(122)(132) 사이 간격의 중간지점에 위치되도록 배치하는 것이 바람직하다.
상기 MEMS 구조물(120)(130) 사이의 간격 변화에 따른 롤러 베어링(100)의 변형과정을 구체적으로 살펴보면, 먼저, MEMS 구조물(120)(130)의 두 접촉면(122)(132) 사이의 간격이 작아지는 부분에서는 롤러 베어링(100)에 큰 수직하중이 인가됨에 따라 롤러 베어링(100)의 갭(110) 간격(G)이 작아지면서 점차 진원(眞圓) 모양에서 타원형 모양으로 변형이 이루어진다. 이러한 롤러 베어링(100)의 변형은 실리콘 재료로 구성된 롤러 베어링(100)의 탄성 영역 범위 내에서 이루어지게 되어 롤러 베어링(100)에 소성 변형이 발생되지 않고 정상적인 구름운동을 가능케 한다.
그리고, 상기 MEMS 구조물(120)(130)의 두 접촉면(122)(132) 사이의 간격이 넓어지는 부분에 배치된 롤러 베어링(100)에는 MEMS 구조물(120)(130)에 의한 수직하중이 상대적으로 덜 가해지기 때문에 롤러 베어링(100)에 탄성 변형이 상대적으로 작게 유발되어 롤러 베어링(100)이 거의 원래의 진원 모양의 단면형태를 유지한 상태에서 MEMS 구조물(120)(130)의 두 접촉면(122)(132)과 동시에 접촉되며 정상적인 구름운동을 수행하게 된다.
이와 같이, 롤러 베어링(100)과 접촉되는 MEMS 구조물(120)(130)의 각 접촉면(122)(132)이 가공 오차에 의해 평탄하게 가공되지 않아 두 접촉면(122)(132) 사이에 간격 변화가 발생하더라도 상기 롤러 베어링(100)이 두 접촉면(122)(132) 사이의 간격에 맞게 탄성 범위 내에서 변형되면서 공차를 흡수하도록 할 수 있고, MEMS 구조물(120)(130) 사이에 개재된 복수의 롤러 베어링(100)에 수직하중을 골고루 분산시켜 롤러 베어링(100)의 변형을 최소화시킬 수 있다.
도 4는 상기한 구성을 갖는 본 발명의 롤러 베어링(100)에 1gf의 수직하중을 인가했을 경우 변형되는 수직변형량을 유한요소해석법(FEM)을 통해 해석한 것이다. 그리고, 도 5는 롤러 베어링(100)에 1gf의 수직하중 인가시 MPS(Maximum Principal Stress) 분포를 나타낸 것이고, 도 6은 롤러 베어링(100)에 1gf의 수직하중 인가시 VMS(Von Mises Stress) 분포를 보여주는 것이다. 이때, 상기 유한요소해석법(FEM)에 의한 실험은 외경(D)이 20㎛, 길이(L)가 40㎛, 두께(T)가 4㎛, 갭 간격(G)이 1㎛인 롤러 베어링(100)에 대하여 실시하였다.
본 발명의 롤러 베어링(100)에 1gf의 수직하중이 가해졌을 경우, 도 4에서 보는 바와 같이, 롤러 베어링(100)의 최상단에서 갭(gap)이 위치된 측면 부분으로 갈수록 수직 변형량이 증가되며, 이때, 1gf의 수직하중에 대하여 216nm 정도의 최대 수직변형량(Center-Z축 방향의 수직변형량)이 발생된 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 5 및 도 6에서 보는 바와 같이, 본 발명의 롤러 베어링(100)에 1gf의 수직하중이 가해졌을 경우, 갭(gap) 반대편 부분에서 높은 응력(stress) 분포가 나타나며, 이때, 1gf의 수직하중에 대하여 각각 0.63GPa, 0.93GPa 정도의 최대 응력이 발생된 것을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 롤러 베어링(100)에 다양한 수직하중을 인가하여 수직 변형량 및 최대 응력을 각각 측정한 데이터를 나열한 표이다. 그리고, 도 8은 도 7의 표에 나타난 데이터를 통해 롤러 베어링(100)에 가해지는 수직하중에 대한 수직변형량의 관계를 나타낸 그래프이다.
이때, 상기 표에 나타난 항목 중, MPS는 Maximum Principal Stress 이고, MVMS는 Maximum Von Mises Stress를 말한다.
도 8의 그래프에서 보는 바와 같이, 본 발명의 롤러 베어링(100)에 가해지는 수직하중과 수직변형량의 관계는 선형적인 관계를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 롤러 베어링(100)에 가해지는 수직하중과 서로 상대운동하는 MEMS 구조물(120)(130)의 두 접촉면(122)(132) 사이의 거리 변화량 등을 고려하여 롤러 베어링(100)의 외경(D), 길이(L), 두께(T), 갭(G)의 간격을 정하여 마찰과 마모에 최적화된 모양으로 롤러 베어링(100)을 설계할 수 있다.
아울러, MEMS 구조물로부터 1gf의 수직하중이 작용하는 경우 상기한 수직변형량 및 응력 분포 특성을 보이는 롤러 베어링(100)을 10개 사용하게 되면 상기 10개의 롤러 베어링(100)에 하중이 분산된다. 이때, 상기 하중의 분산으로 인해 개별 롤러 베어링(100)에 발생되는 수직변형량은 감소되는데, 이때의 롤러 베어링(100)의 진원도(眞圓度)는 0.0012 정도로서 거의 변형이 수반되지 않은 원형 모양을 이루게 되고, MPS는 0.63 GPa 정도로서 실리콘 롤러 베어링의 최대 주응력인 7 GPa 이내의 탄성 영역 범위 내에 존재하게 되므로 한다. 이처럼 MEMS 구조물(120)(130)로부터 가해지는 수직하중이 10개의 롤러 베어링(100)에 고르게 분산되어 지지되기 때문에 롤러 베어링(100)에 거의 변형이나 마모가 발생되지 않고, 롤러 베어링(100)의 단면이 거의 원형 형태를 이루기 때문에 롤링(rolling) 현상이 원활하게 이루어져 롤러 베어링(100)이 매우 낮은 마찰 계수를 유지할 수 있도록 한다.
한편, 도 9 및 도 10은 전술된 본 발명의 실시 예의 형태와 다른 형상을 가지는 롤러 베어링에 대한 수직변형량 측정 결과를 나타낸 것으로서, 도 9는 갭(gap)이 없는 튜브(tube) 형태의 롤러 베어링에 1gf의 수직하중 인가시 발생되는 수직변형량을 보여주는 것이고, 도 10은 갭(gap)이 없으면서 내부가 채워진 원기둥 형상의 롤러 베어링에 1gf의 수직하중 인가시 발생되는 수직변형량을 보여주는 것이다.
도 9의 FEM 해석 결과에서 볼 수 있듯이, 갭(gap)이 없는 튜브형 롤러 베어링의 경우 1gf의 수직하중에 대하여 31nm 정도의 수직변형량이 발생되었다. 이는 갭(gap)을 갖는 전술된 본 발명의 롤러 베어링 구조에서 1gf의 수직하중 인가시 216nm 정도의 수직변형량이 발생된 것과 비교해볼 때, 갭(gap)이 없는 롤러 베어링의 강도(stiffness)가 갭(gap)이 있는 롤러 베어링의 강도보다 약 7배 정도 증가한 것을 알 수 있다.
아울러, 도 10의 결과에서 보는 바와 같이, 갭(gap)도 없고 튜브(tube) 형상도 아닌 롤러 베어링의 경우, 1gf의 수직하중에 대하여 수직변형량이 9nm 정도가 발생된 것을 볼 수 있는데, 이는 갭(gap)이 있는 볼 발명의 롤러 베어링(100) 구조에서 1gf의 수직하중에 인가시 216nm 정도의 수직변형량이 발생된 것과 비교해보면, 갭(gap)도 없고 튜브(tube) 형상도 아닌 원기둥 형태의 롤러 베어링 구조의 경우 강도(stiffness)가 약 24배 정도 높다는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 11은 전술된 도 2의 형상을 갖는 본 발명의 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링(100)의 제조방법을 보여주는 공정도이다. 그리고, 도 12는 도 11의 롤러 베어링 제조공정에서 사용되는 롤러 베어링(100)의 마스크(mask) 디자인 패턴을 보여주는 평면도이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링(100)의 제조방법은, 먼저, 중간 부분에 절연층(153)이 형성된 샌드위치 구조의 기판(150)을 준비한다(a). 이때, 상기 기판(150)은 하부 기판(152), 절연층(153), 상부 기판(154)이 순차적으로 적층된 구조로 형성되는데, 상기 기판(150)으로는 중간 부분에 실리콘 산화막(SiO2)이 형성된 SOI(silicon-on-insulator) 웨이퍼(wafer)가 사용될 수 있다.
상기와 같이 절연층(153)이 형성된 기판(150)이 준비되면, 상기 상부 기판(154) 위에 포토레지스트(156)를 도포한 후, 도 12에 도시된 마스크 디자인(mask design) 형태와 같이 일측에 갭(gap)(110)을 갖는 'C'자 형상의 패턴(P) 구조로 포토레지스트(156)를 패터닝(patterning)한다.(b)
그런 다음, 상기 패터닝된 포토레지스트(156)를 마스크(mask)로 사용하여 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 공정을 통해 기판(150)의 중간 부분에 위치한 절연층(153)의 상면까지 상부 기판(154)을 수직으로 식각한다.(c)
이후, 상기 기판(154) 위에 패터닝된 포토레지스트(156)를 제거한 다음, 불화수소(HF)를 사용하여 실리콘 산화막 절연층(153)을 선택적으로 제거함으로써, 공차 보상 기능이 있는 'C'자형 단면을 갖는 튜브 형상의 롤러 베어링(100)을 대량으로 제작할 수 있다.(d)
한편, 도 13은 상기한 제조방법을 통해 제작된 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링(100)을 MEMS 장치의 서로 상대운동을 하는 MEMS 구조물(130)상에 배열하여 설치한 하나의 형태를 보여주고 있다.(여기서, 도면에서는 상대운동하는 2개의 MEMS 구조물 중 하부측에 위치한 MEMS 구조물 구조만을 도시하였다)
도 13에 도시한 바와 같이, 실리콘 재질로 구성된 하부측 MEMS 구조물(130)에 직사각형 형상을 갖는 복수의 홈(134)을 매트릭스(matrix) 형태로 배열 형성하고, 상기 복수의 홈(134) 내부에 전술된 방법을 통해 제작된 복수의 롤러 베어링(100)을 설치하여 구성할 수 있다. 이때, 도면상에 도시하지는 않았으나, 상기와 같은 롤러 베어링(100)이 설치된 하부측 MEMS 구조물(130) 위에는 또 하나의 상부측 MEMS 구조물이 얹혀져 서로 직선 왕복운동을 수행하게 된다.
한편, 전술된 본 발명의 실시 예에서는 롤러 베어링(100) 내부가 공기(air)로 채워진 튜브(tube) 형태의 형상구조를 일 예로 들어 설명하였으나, 이러한 튜브형 롤러 베어링 구조 외에, 롤러 베어링의 내부 공간에 공기 대신 비교적 낮은 강도(stiffness)를 갖는 무른 재료(soft material)가 채워진 형태의 롤러 베어링을 채택하여 사용할 수도 있다. 이때, 상기 롤러 베어링 내부에 채워질 수 있는 무른 재질의 재료로서, 알루미늄(aluminum)이나 또는 폴리머(polymer)를 채용하여 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 서로 상대운동하는 MEMS 구조물로부터 인가되는 수직하중을 낮은 강도(stiffness)를 갖는 복수의 롤러 베어링(100)에 골고루 분산시킴으로서 롤러 베어링이 탄성 영역 내의 범위에서 최대한의 변형이 발생되도록 하여 롤러 베어링(100)이 소성 변형에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있고, 롤러 베어링(100)이 서로 상대운동하는 MEMS 구조물(120)(130)의 두 접촉면(122)(132) 사이에 낮은 마찰계수를 가지며 구름운동을 수행하도록 함으로서 롤러 베어링(100)의 마모를 최소화시킬 수 있다.
아울러, 전술한 바와 같은 같단안 MEMS 제작공정을 이용하여 수백 나노미터(nano meter)에서 수십 마이크로미터(micro meter) 크기의 직경을 갖는 나노(nano)/마이크로(micro) 롤러 베어링(100)을 대량으로 생산할 수 있는 장점이 있다.
100 : 롤러 베어링 110 : 갭(gap)
120 : 상부 MEMS 구조물 112 : 상부 접촉면
130 : 하부 MEMS 구조물 132 : 하부 접촉면

Claims (13)

  1. 서로 상대운동하는 2개의 MEMS 구조물 사이에 설치되는 베어링에 있어서,
    상기 베어링은 일측에 일정 간격의 갭(gap)이 형성된 'C'자형 횡단면 구조를 가지는 튜브(tube) 형태의 롤러 베어링(roller bearing)인 것을 특징으로 하는 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링
  2. 제1항에 있어서, 상기 롤러 베어링은 실리콘 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링
  3. 제1항에 있어서, 상기 롤러 베어링의 내부 공간에는 알루미늄(aluminum)이 채워진 것을 특징으로 하는 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링
  4. 제1항에 있어서, 상기 롤러 베어링의 내부 공간에는 폴리머(polymer)가 채워진 것을 특징으로 하는 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링
  5. 서로 상대운동하는 2개의 MEMS 구조물 사이에 설치되어 구름운동을 하는 복수의 베어링을 구비한 MEMS 장치에 있어서,
    상기 베어링은 일측에 일정 간격의 갭(gap)이 형성된 'C'자형 횡단면 구조를 가지는 튜브(tube) 형태의 롤러 베어링(roller bearing)인 것을 특징으로 하는 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링을 구비한 MEMS 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 복수의 롤러 베어링은 매트릭스(matrix) 형태로 배열된 것을 특징으로 하는 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링을 구비한 MEMS 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 롤러 베어링은 실리콘 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링을 구비한 MEMS 장치
  8. 제5항에 있어서, 상기 롤러 베어링의 내부 공간에는 알루미늄(aluminum)이 채워진 것을 특징으로 하는 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링을 구비한 MEMS 장치
  9. 제5항에 있어서, 상기 롤러 베어링의 내부 공간에는 폴리머(polymer)가 채워진 것을 특징으로 하는 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링을 구비한 MEMS 장치
  10. (a) 중간 부분에 절연층이 형성된 샌드위치 구조를 갖는 기판 위에 포토레지스트를 도포한 후, 'C'자 형태의 복수의 패턴 구조가 형성되도록 상기 포토레지스트를 패터닝하는 단계와;
    (b) 상기 패터닝된 포토레지스트를 마스크(mask)로 사용하여 상기 기판의 중간 부분에 위치한 상기 절연층까지 상기 기판을 수직으로 식각하는 단계와;
    (c) 상기 기판 위에 패터닝된 포토레지스트층을 제거한 후 상기 절연층을 제거하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링의 제조방법
  11. 제10항에 있어서, 상기 기판은 중간 부분에 절연층인 실리콘 산화막(SiO2)이 형성된 SOI(silicon-on-insulator) 웨이퍼인 것을 특징으로 하는 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링의 제조방법
  12. 제10항에 있어서, 상기 (b)단계에서 상기 기판의 식각은 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 공정을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링의 제조방법
  13. 제10항에 있어서, 상기 (c)단계에서 상기 절연층의 제거는 불화수소(HF)를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 공차 보상 기능을 갖는 롤러 베어링의 제조방법
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