Over the last a few decades, microelectromechanical system (MEMS) technology has established itself as a 21st century key technology thanks to the maturity of bulk and surface micromachining process. Nevertheless, the reliability issue remains as a major bottleneck to the commercialization since most MEMS switches suffer from various failure mechanisms within few cyclic operations. For reliable operation, gold (Au) is commonly and typically used due to its resistive characteristics to chemical contamination, excellent electrical property, and so on. However, Au still has a failure problem due to its lack of mechanical properties and this event requires deeper understandings and more thorough investigations toward the contact material of MEMS switches. Therefore, more studies about MEMS contact material are needed.
Recently, graphene has actively been researched and given remarkable attentions. The graphene has its own excellent mechanical, chemical, electrical, and thermal properties; therefore, it is expected to be a superb candidate for a MEMS switch contact material. However, the graphene contact MEMS switch has not been developed due to its difficulty of fabrication.
In this thesis, we developed and demonstrated the novel fabrication method which uses the graphene as a contact material for the MEMS switch. The lateral type switch was suggested as the graphene to graphene contact device without any fabrication problems.
After demonstration, the characterization of the graphene contact switch was performed to confirm the graphene could be an alternative material for the MEMS switch contact. The material properties were compared with Au-typical contact material in MEMS switches. Two directional characterizations were performed which dealt with critical issues in MEMS switch contact field; physical surface change and adhesion force change. Atomic force microscopy (AFM) force-distance (F-D) method and I-V curve analyz-ing were used to investigate the physical surface change test. For adhesion force test, I-V curve analyze was also used. From the calculation of the force from pull-out voltage, the adhesion force was observed after few cyclic operations.
In overall, the graphene contact MEMS switch showed excellent characteristics. It has less plastic de-formation- almost elastic- and less resistance change by surface fracture. In addition, less adhesion force change occurred that can cause stiction in cyclic operations. However, Au contact switch showed significant resistance change of adhesion force change in the same experiments.
Finally, reliability test was performed in graphene contact and Au contact MEMS switch. In constant voltage and current level (1 V, 10 uA), graphene contact MEMS switch showed greater degrees of, almost ten times, reliable operations without any significant resistance change in comparison to Au contact switch.
MEMS(Micro electro-mechanical system) 기술은 그 특유의 장점을 바탕으로 많은 연구가 이루어 지고 있으며, 센서나, 디스플레이 소자, 그리고 잉크젯 프린터의 핵심 소자 기술로 우리 생활에 밀접하게 사용되어 오고 있다. 그 중 대표적인 응용 분야로써, MEMS 스위치 기술은 RF 통신이나, 메모리, 논리 회로 등에 사용 될 수 있는 가능성을 가지고, 활발한 연구가 진행되고 있다. 하지만, 우수한 MEMS 스위치 기술 역시, 기계적 움직임이 가지는 불가피한 신뢰성과 관련된 문제 때문에 더 많은 연구와 발전을 필요로 하고 있다.
MEMS 스위치의 동작 신뢰성 향상을 위해서는, 실제 접촉이 일어나는 접촉 물질의 특성 향상을 기본적으로 필요로 한다. 대표적인 접촉 물질의 요구 사항으로는, 반복적 기계 동작에 따른 물리적, 화학적 특성을 유지하는 안정성을 필요로 한다. 뿐만 아니라, 반복 동작으로 커질 수 있는 adhesion force (접촉력) 또한 초기 특성을 유지해야 할 필요가 있다. 따라서 위와 같은 특성을 위해서 일반적으로 gold (Au)가 MEMS 스위치의 접촉 물질로써 많이 이용 되어 왔다. Au는 화학적으로 매우 안정하여, 반복 동작에 따른 화학적 안정성을 가지고 있을 뿐만 아니라, 전기적 특성이나, adhesion force에도 우수한 특성을 보이므로 MEMS 스위치의 접촉 물질로써 많은 조건을 만족 시킨다. 하지만 Au 역시 기계적으로 매우 약한 특성을 가지고 있어, 반복 동작에 있어서, 표면 파단이 일어난다는 단점을 가지고 있다. 이러한 Au의 기계적 단점을 해결 하고자 많은 연구가 진행 되어 왔다. 대표적으로, 금속 합금이나, 나노 분말, 탄소 나노 튜브 등을 이용한 방법이 많이 대두 되었으나, 이러한 방법 역시 물리적 파단이나, 어려운 제작 방법 등의 이유로 많은 발전이 필요한 상태이다.
본 연구에서는 MEMS 스위치의 접촉 물질로써, 그래핀 (graphene) 이라는 새로운 물질을 소개하고 실제 소자를 제작함으로써, 기계적 반복 동작에서도 보다 우수한 특성을 보이는 MEMS 스위치를 구현하였다.
그래핀은 2004년도에 처음으로 박리가 성공한 것을 바탕으로, 구조를 바탕으로 하는 우수한 특성을 (전기적, 화학적, 기계적, 광학적, 열적) 기반으로 많은 연구가 진행되었다. 최근에는 소자에도 직접 이용이 되는 방식으로 연구가 진행 되어, 실질적 사용가능성에 대한 기대치가 보다 높아졌다. 이러한 그래핀의 물질적 특성을 잘 살펴 보면, MEMS 스위치의 접촉 물질로써의 특성이 매우 우수할 것이란 것을 예측할 수 있다. 하지만, 그래핀의 제작 방법 혹은 박리 방법이 마이크로 단위에서의 소자 제작에 부적합 하여, 아직 구현이 된 사례가 없다. 따라서 보다 혁신적이고 적합한 공정 방법 역시 계발 되어야 할 필요성이 있다.
그래핀을 제작 하는 방법은 여러 가지가 있지만, MEMS fabrication에 가장 적합한 방법으로는 Ni 이나 Cu와 같은 물질을 이용하는 CVD (chemical vapor depo-sition, 화학 기상 증착법) 방법을 들 수가 있다. 하지만 이 방법은 1000 °C가 넘는 고온 공정을 필요로 하기 때문에 CVD 방법을 이용 하기 위해서는 발생하는 구조의 변형이나, 합금 형성 문제를 해결 해야 한다.
따라서, 본 연구에서는 옆으로 구동하는 lateral 방법을 통하여 고온에 관련된 문제를 해결하고, 성공적으로 소자를 제작하여, 그래핀을 접촉 물질로 하는 MEMS 스위치 소자 특성을 확인하였다.
소자 특성은 기본적인 접촉 물질의 요구조건을 확인하는 두 가지 방향으로 진행되었다. 첫 번째로 기계적 반복 동작에 따른 표면 물리적 변화이다. 그 결과 그래핀을 접촉 물질로 하는 소자의 경우, 동작에 있어서 저항 변화가 없는, 즉, 표면 변화가 거의 없을 것이라 판단되는 안정적인 동작을 하는 것을 하는 것으로 확인이 되었다. 두 번째로 접촉력 변화에 있어서도, 그래핀 소자는 접촉력의 증가가 거의 없는 안정적인 동작을 하는 것을 확인하였다.
마지막으로 이를 토대로 수행된 신뢰성 테스트에서도 Au 소자보다 아주 뛰어난 동작을 하는 것을 확인 하였다.
