This thesis suggests MEMS relay having high reliability and low actuation voltage for RF and electrical testing application. MEMS relay has been received great attention as promising candidate at many applications due to its ideal switching characteristics and batch fabrication based on lithography. Among them, applying the MEMS relay to the RF and electrical testing application has great merits be-cause it carry the testing signal without distortion and has small feature size. However, two critical is-sues should be solved to apply the MEMS relay to the testing application; low reliability at high power and high actuation voltage. We firstly proposed the special technique named two-step spring system and heat sink insulator to solve low reliability at high power. The proposed method can lower thermal dam-age at contact, thus it help to achieve the high reliability at high power. Then, we also proposed novel method to lower the actuation voltage. The method is inspired from failure mechanism named creep, which cause undesired mechanical deformation. We break the common sense of the creep, thus we use it as desired plastic deformation method to lower the air-gap, and thus the pull-in voltage is decreased. Finally, the 4-terminal design, RF characteristics, and packaging was developed. The aforementioned three characteristics should be prepared to use the MEMS relay at commercial application. As a result, we developed MEMS relay suitable to the RF and electrical testing application, and believe it can be ideal candidate at this field.
본 논문은 MEMS 릴레이를 RF 및 반도체 테스트 분야로의 응용을 위해 높은 신뢰성과 낮은 동작전압을 달성할 수 있는 방안을 제시하고 있다. MEMS 릴레이는 반도체 제작 공정으로 제작이 된다는 점과 이상적인 스위칭 특성을 보일 수 있다는 점 때문에 다양한 분야에서 주목을 받고 있다. 하지만 낮은 신뢰성과 높은 동작 전압은 이러한 분야에 실질적으로 적용하는데 걸림돌이 되고 있다.
이러한 배경에서 본 논문에서는 먼저 높은 신뢰성을 달성 하기 위한 기술을 제안하였다. 먼저 MEMS 릴레이를 높은 접촉 힘으로 접촉시킬 경우 낮은 접촉저항이 달성 가능하고 이를 통해 발생하는 줄열을 줄여 열적인 손상을 줄이는 방향으로 접근하였다. 이를 위해서 기존의 한 종류의 스프링에 의해 움직이던 MEMS 릴레이를 두 종류의 스프링을 사용함으로써 두 번에 걸쳐 움직이기 하고 이를 통해 상판과 하판 사이의 간격 간격을 극도로 줄임으로써 정전기력을 극대화 시켰다. 그 결과 세계 최저의 접촉 (2mΩ) 을 달성할 수 있었다. 또한 열전도성이 높은 절연체를 도입함으로써 발생한 열을 효과적으로 제거하였다. 그리고 최종적으로 이러한 두 가지 제안을 토대로 세계 최고 수준인 200 mA에서 $10^6$ 이상의 신뢰성을 달성할 수 있었다.
다음으로는 낮은 동작전압을 얻기 위해 연구를 진행하였다. 낮은 동작 전압을 얻기 위해서는 MEMS 릴레이의 초기 갭을 작게 하는 것이 중요하다. 하지만 이렇게 갭을 줄이는 것은 제작 공정상 쉽지가 않다. 때문에 본 논문에서는 제작 후에 영구 변형을 시키는 방식으로 접근하였다. 이를 위해 이용한 방식은 흔히 기계적 구조체에서 신뢰성 악화의 원인 중 하나로 지목에 되어온 크립 현상이다. 크립 현상이 일어났을 때 기계적인 변형이 일어난다는 점에 착안하여 이를 의도적으로 가속시켜 공학적인 목적으로 활용한 첫 번째 사례이다. 이를 통해 동작 전압을 25 V에서 10 V 아래까지 성공적으로 줄일 수 있었으며 이러한 연구는 해당 분야에 큰 영향을 줄 수 있을 것이라 기대된다.
마지막으로는 앞서 개발한 기술들을 바탕으로 실제 응용 분야에 적용하기 위해 MEMS 릴레이를 개발하였다. 실제 응용 분야에 적용되기 위해서는 앞서 말한 신뢰성과 동작 전압뿐만 아니라 4-terminal 방식의 구동 방식, RF 특성, 패키지 가 요구된다. 필요한 부분에 대해 문헌 조사, 설계, 제작, 평가 등의 순으로 순차적으로 모두 달성하였으며 특히, 4-teriminal 방식이 가지고 있던 근본적인 문제를 해결 함으로서 학술적인 가치를 증명하였다.
본 논문의 결과는 성능 향상을 바탕으로 실제 응용 분야에서 필요한 부분들 까지 고려하여 완성도 있게 MEMS 릴레이를 연구 개발 한 것이다. 학술적인 측면에서도 기존에 챌린징했던 문제를 해결할 수 있는 독창 적인 제안들을 하였고 이는 해당 분야에 좋은 영향을 줄 수 있을 것이라 생각된다. 또한 산업적인 측면에서도 제작된 완성품이 현재 양상을 준비 중이고 양산이 완료 될 경우 수요 기업이 있어 실제로 사용이 될 예정임으로 고려하면 큰 가치가 있을 것으로 기대된다.