국민대학교 전자공학과 반도체 소자 및 집적회로 연구실 (S!LK, 김동명 교수, 김대환 교수, 최성진 교수 공동 연구실)의 이용우 석박사 통합과정 (공동 제1저자), 한정민 석사 (공동 제1저자) 학생이 3D 프린터를 이용하여 세계 최초로 마이크로 전자기계(micro electro mechanical, MEMS)식 스위치를 개발하는 데에 성공하였다. (교신저자: 최성진 교수)

연구팀은 상용화 되어있는 fused deposition modeling (FDM) 방식의 3D 프린터를 이용하여 전도성 및 절연체 성질을 가지는 열가소성 수지(thermoplastic)를 쌓아 올리는 간단한 방식으로 2단자 마이크로 전자기계식 스위치를 제작하였다. 제작된 마이크로 전자기계식 스위치는 두 개의 전극 (상부, 하부 전극) 사이에 전류가 흐르지 않다가 (오프 상태, off-state), 하부 전극에 전압을 인가하여 정전기력으로 인해 기계적으로 끌려오는 상부전극이 하부전극에 붙게 되어 전류가 흐르게 되는 (온 상태, on-state) 원리로 동작한다.

기존의 마이크로 전자기계식 스위치는 전극이 공중에 떠있는 복잡한 3차원 구조를 가지기 때문에, 2차원 공정을 통해 제작하는 것은 많은 시간이 필요하며 동시에 공정이 복잡하고 비용이 많이 드는 단점이 있다. 연구팀은 이러한 단점들을 해결하기 위해 4차 산업혁명의 핵심 기술인 3D 프린터를 이용하여 간편하게 마이크로 전자기계식 스위치를 세계 최초로 제작하였다. 3D 프린터를 이용하여 하부 전극을 프린팅 하고, 희생층으로 물에 녹는 물질인 폴리비닐알코올(polyvinyl alcohol) 물질을 프린팅 하였다. 후에 상부 전극을 프린팅하고, 두 전극 사이의 희생층을 물에 녹임으로써 3차원 구조의 마이크로 전기기계식 스위치를 제작하였다. 연구팀의 이번 연구는 3D 프린터를 사용한 마이크로 전자기계식 스위치의 첫번째 사례로써, 향후 마이크로 전자기계식 시스템 응용 분야 연구에 필수적인 기반을 마련하였다는 데에 큰 의의가 있다.

연구 결과는 미국 화학회에서 발간하는 재료과학 분야 상위 10% 이내 SCI 학술지인 ACS Applied Materials & Interfaces에 게재될 예정이며 (논문명: Three-Dimensionally Printed Microelectromechanical Switches, 교신저자: 최성진 교수), 이번 연구 성과는 한국 연구재단의 중견연구사업과 선도연구센터지원사업(ERC)의 지원으로 수행되었다.
 

<3D 프린터를 이용한 전자기계식 스위치 제작 과정>

 

<제작된 전자기계식 스위치의 전기적인 특성>