High actuation voltage which reaches tens of volts is the bottleneck in the electrostatic actuators field. Pre-charging method has proposed to solve this problem. This novel method can dramatically reduce the actuation voltage while maintaining the large contact-force. However, this previous work has limitation to apply it to micro-actuators. The retention time performance is too short and vertical-type structure has not yet been demonstrated. Therefore, this thesis analyzes the precharge loss problem to prolong the retention time and realizes the pre-charging system with vertical-type microelectromechanical switch. In conclusion, we can improve the retention time by utilizing Benzocyclobutene (BCB) substrate and charge-tank structure. Furthermore, we demonstrate the vertical-type pre-charging system through measuring the actuation voltage and contact-resistance, depending on the pre-charging voltage level.
정전구동식 메커니즘은 간단한 구동 방식, 소자 제작 용이 및 저전력 구현이 가능하다는 다양한 장점들로 인해 멤스 분야에서 가장 성공적인 구동 방법이라고 할 수 있다. 하지만, 정전구동 방법은 수십 볼트에 달하는 구동 전압을 보인다는 한계를 가진다. 이러한 높은 구동 전압을 낮추기 위해서 기존에 다양한 접근이 시도 되었다. 구동 면적을 높이거나, 스프링 상수 값 또는 에어 갭을 줄이는 기존의 접근들은 구동 전압을 낮출 수 있지만 동시에 소자의 신뢰성을 악화시키는 한계를 벗어나지 못하게 된다. 이를 해결하기 위해서 선-충전 방법론이 제시된 바가 있다. 이 방법은 기존 접근들과 달리 구동 전압을 낮춤에도 불구하고 접촉힘에 손실을 가지지 않게 된다. 따라서 소자의 신뢰성 또한 악화되지 않게 된다. 하지만, 선-충전 방법은 지속시간이 매우 짧다는 점과 버티컬 구조로 구현 및 검증된 바가 없다는 한계를 가지고 있다.
이러한 한계를 개선 및 해결하기 위해서 선-충전 시스템의 버티컬 구조 구현 및 검증 그리고 지속시간 연장이라는 연구 목적을 세우게 되었다. 지속시간 연장을 위해 그 원인이 되는 선-충전 전하 손실에 관한 분석을 통해 표면을 통한 전하 손실이 주요인임을 알게 되었다. 따라서, 표면을 통한 전하 손실을 효과적으로 막아 줄 수 있는 물질인 벤조싸이클로부틴을 새로운 기판 물질로 제안하였고 그 효과를 실험을 통해 직접 검증하였다. 뿐만 아니라, 지속시간을 쉽게 늘릴 수 있는 방법으로서 전하 탱크를 제안하였고, 실제 선-충전시 보유 전하량을 크게 가져갈 수 있는 구조를 통해 전하 탱크 효과를 검증하였다. 더불어, 이러한 결과를 버티컬 구조의 스위치를 통해 구현함으로써 선-충전 시스템을 최초로 버티컬 구조를 통해 구현 및 검증하게 되었다. 이러한 시도들을 통해 선-충전 시스템을 정전구동식 마이크로 엑츄에이터 분야에 적용할 수 있도록 그 실효성을 극대화하였다.
