In this work, a novel electrostatic relay for power application with flat wafers was proposed and demonstrated. Electrostatic switches (relays) have received much attention in recent years because of their outstanding advantages of low power consumption, low on-resistance, high isolation, and abrupt switching characteristics. In spite of these many advantages, high power handling and reliability issues are the most critical bottlenecks in electrostatic relays. The weakness of the electrostatic actuation is to have a small gap(several micrometers) and a large area without contact between the electrodes to the available electrostatic force. The issue of the electrostatic actuation is making a relay to have a large area with a small gap be-tween the electrodes without a contact. It is because to set the electrostatic force to be valid between the electrodes.
In this research, to achieve the high electrostatic force, uniformly large-area electrodes using flat wafers and micro polymer springs to suspend electrodes are proposed.
An electrode on a wafer with diagonal length of 12500μm was suspended flat with center deflection less than 1.6μm (the ratio between the deflection and the length is 0.012%). Therefore, this work represents the unprecedentedly ultra-large suspended plates with micrometer-scale deflection. Moreover, polymer springs made of SU-8 are fabricated for the micrometer actuation.
I-V characteristics including pull-in voltage, switching speed, contact resistance, stand-off voltage, cur-rent driving capability, and lifetime under diverse current level were measured. The pull-in voltage was about 100V, the switching time was around 2.3ms and the contact resistance was nearly 0.3Ω. Current carrying capability is tested in hot switching condition and the 4A of current could be carried through the proposed electrostatic relay. The stand-off voltage was maximum 386V. The electrostatic relay was normally operated up to 0.9 x 10^6 cycles at 3V/ 500 mA and 7.8 x 10^3 cycles at 3V/ 1A. Additionally, in low current level of 50mA, the proposed relay was able to operate more than 10^7 cycles without a failure which is the highest level among the electrostatic relays reported up to date. All the tests of lifetime were conducted in air ambient and hot switching condition.
이 연구는 전력분야에서 사용하기 위하여 웨이퍼를 사용하여 구현한 정전구동 릴레이이다. 정전구동 릴레이는 다른 릴레이와 달리 아주 뛰어난 에너지 효율적인 디바이스 이다. 그 이유는 낮은 접촉저항, 높은 차단특성, 기계적인 스위칭에 따른 이상적인 스위치이기 때문이다 하지만 이러한 많은 장점에도 불구하고 전력전송 능력과 신뢰성에서 다른 형식의 소자 대비 매우 취약하여 실제 상용화에 가장 큰 걸림돌이 되고 있다. 정전구동방식의 가장 큰 약점은 바로 약한 정전 구동력 때문이다. 정전 구동력 을 증가시키기 위해서는 간격을 줄여야 하는데 그 크기가 마이크로미터 수준이기 때문에 소자 조립이 불가능하여 마이크로 머시닝 기술을 이용하여 제작해야만 한다. 간격이 마이크로 미터 수준에서 기존 마이크로 머시닝 방식으로 제작되는 스위치들은 평판의 휘어짐 때문에 크게 만드는데 매우 어렵다.
그래서 본 연구에서는 작은 간격에도 매우 큰 면적을 가지는 정전구동 스위치를 구현하여 정전 구동력을 증가시키고 그에 따라 전력 전송능력도 향상시키고자 한다.
구현을 위해서 기존의 평판을 휘어지지 않는 실리콘 웨이퍼를 그대로 이용하여 만들고 움직이는 스프링을 구현하기 위해 별도의 폴리머 스프링을 마이크로 머시닝으로 구현하여 조립함으로써 아주 작은 간격(15um)에도 큰 면적(1cm)을 가지는 릴레이를 구현하였다.
실제로 구현한 평판의 휨 정도를 측정해본 결과 12.5mm에서 1.6um 밖에 휘지 않았다. (비율 : 0.012% 8000:1) 그렇기 때문에 기존에는 만들지 못하였던 1cm라는 큰 사이즈의 정전구동 릴레이를 만들 수 있게 된 것이다.
데이터 측정 결과를 보면 전압에 의해 동작가능(100V)하며 스위칭 지연은 2.3ms 수준이며 접촉시 저항은 0.3ohm 수준으로 측정되었다. 신뢰성 측정에서는 기존 정전 구동 릴레이에선 측정하지 못하였던 1A/3V 전류수준에서 7.8 x 10^3 번 동작하는 결과를 보였고 그보다 낮은 500mA/3V 에서는 0.9 x 10^6 번 동작하여 고 전류 신뢰성을 검증하였다. 이를 토대로 소자 스위칭 허용전류를 측정한 결과 최대 4A 의 전류도 스위칭 하였다. 높은 전류 스위칭과 더불어 소자의 전압내구성을 확인할 수 있는 파괴전압측정에서도 정전구동릴레이에서 높은 수준인 386V까지 견디어 전력분야에 사용가능성을 확인하였다. 이 결과 들은 상온에서 측정되었다. 앞서 보여준 전력스위칭 수치는 기존정전구동 스위치를 뛰어넘어 기존의 마그네틱 릴레이와 상응하는 수준을 보였다.
