Wafer-bonded symmetric four-terminal PZT/insulator/PZT MEMS bimorph actuator with near-ideal displacement superposition

전기로 움직이는 아주 작은 기계들은 스마트폰 카메라의 렌즈부터 의료 기기를 안내하는 센서에 이르기까지 현대 기술의 필수적인 도구가 되고 있습니다. 이러한 많은 장치의 중심에는 전기 신호를 물리적 움직임으로 변환하는 부품인 액추에이터가 있습니다. 수십 년 동안 엔지니어들은 이러한 움직임을 만들기 위해 '티탄산 지르콘산 납(PZT)'이라고 불리는 특정 유형의 재료에 의존해 왔습니다. 이 재료의 얇은 층에 전기를 가하면 재료가 늘어나거나 줄어들며, 만약 이 층이 수동적인 뒷면에 부착되어 있다면 전체 구조가 휘어지게 됩니다. 이 휘어지는 동작은 수많은 미세 기계의 엔진 역할을 합니다. 하지만 이러한 단일 층 설계는 너무 딱딱해지거나 불안정해지기 전에 생성할 수 있는 힘에 한계가 있으며, 이로 인해 연구자들은 크기를 키우지 않고도 더 강하고 효율적으로 만드는 방법을 찾고 있습니다.

일본 도호쿠 대학교의 연구팀은 장치를 완벽하게 균형 잡힌 상태로 유지하면서도 움직임의 힘을 두 배로 높이는 새로운 방식의 미세 모터를 개발했습니다. 연구진은 하나의 활성 층을 수동적인 층에 붙이는 대신, 두 개의 활성 층이 가운데의 얇은 절연 시트를 샌드위치처럼 감싸며 함께 작동하는 장치를 만들었습니다. 그들은 이미 작동하는 모터가 포함된 두 개의 별도 웨이퍼를 가져와 서로 마주 보게 접합함으로써 이를 달성했습니다. 이 과정은 상단과 하단 층이 모두 활성 상태이며 독립적으로 제어될 수 있는 대칭 구조를 만듭니다. 그 결과, 표준 설계보다 거의 두 배의 힘으로 휘어지는 장치가 탄생했으며, 이는 미세 기계 분야에서 성능의 비약적인 발전을 의미합니다.

연구진은 먼저 아주 작은 다이빙보드와 같은 구조를 설계하는 것으로 시작했는데, 단일 재료 층 대신 실리콘 질화물과 실리콘 산화물로 만들어진 매우 얇은 절연 장벽에 의해 분리된 두 개의 활성 PZT 재료 층으로 구성했습니다. 이 장벽은 두께가 1.4 마이크로미터에 불과하지만, 두 층을 결합하여 유지하면서도 전기적 연결을 완전히 분리할 수 있을 만큼 충분히 강합니다. 두 개의 완성된 웨이퍼를 접합함으로써 연구팀은 상단과 하단 층이 완벽하게 거울을 보듯 대칭을 이루도록 했습니다. 이는 층을 하나씩 차례대로 쌓아 올릴 때 구현하기 어려운 기술입니다. 이러한 대칭성은 장치가 켜지기도 전에 뒤틀리거나 부서지는 원인이 되는 내부 응력을 균형 있게 조절하는 데 매우 중요합니다.

연구진은 이 새로운 설계가 얼마나 잘 작동하는지 테스트하기 위해 실제 제작에 앞서 컴퓨터로 장치의 거동을 시뮬레이션했습니다. 시뮬레이션 결과, 두 층에 반대 방향으로 전압을 가했을 때 미세 빔의 끝부분이 92.2 마이크로미터만큼 움직일 것으로 예측되었습니다. 이는 상단 층만 활성화했을 때 발생하는 움직임의 정확히 두 배이며, 현재 사용 가능한 최고의 단일 층 설계보다 약 80% 더 많은 움직임을 보여줍니다. 컴퓨터 모델은 하나의 활성 층과 하나의 수동 층을 사용하는 대신 두 개의 활성 층을 사용함으로써, 구조를 더 두껍거나 무겁게 만들지 않고도 훨씬 더 많은 굽힘 힘을 생성할 수 있음을 시사했습니다.

연구팀은 컴퓨터 화면에서 벗어나 실제 장치를 제작하기 위해 실험실로 이동했습니다. 그들은 필요한 금속 층과 PZT가 코팅된 두 개의 실리콘 웨이퍼로 시작했습니다. 특수 공정을 사용하여 표면을 세척한 후 두 웨이퍼를 가져와 접착제 없이 직접 결합했습니다. 이 면 대 면(face-to-face) 접합은 두 활성 층이 기계적으로는 연결되어 있지만 전기적으로는 격리된 하나의 단단한 단위를 만들었습니다. 접합이 완료된 후, 연구팀은 웨이퍼에서 벌크 실리콘 뒷면을 조심스럽게 제거하여 1.5 밀리미터 길이에 불과한 자립형 캔틸레버를 남겼습니다. 현미경으로 완성된 장치를 관찰했을 때, 접합은 거의 완벽했으며 몇 개의 아주 작은 고립된 결함 외에는 층이 분리된 넓은 영역은 없었습니다.

가장 놀라운 결과는 장치가 어떻게 움직이는지 테스트할 때 나타났습니다. 연구진은 상단 층과 하단 층에 각각 작은 전기 신호를 가하며 빔의 끝이 얼마나 움직이는지 측정했습니다. 두 층은 거의 동일하게 작동하여, 접합 과정이 완벽하게 균형 잡힌 구조를 만들었음을 확인시켜 주었습니다. 두 층에 동시에 반대 신호를 가했을 때, 움직임은 거의 완벽하게 합쳐졌습니다. 5볼트의 전압에서 장치는 23.1 마이크로미터 움직였는데, 이는 개별 층의 움직임 합계의 96~99%에 해당하는 수치였습니다. 이 거의 완벽한 움직임의 합산은 두 활성 층이 서로를 상쇄하거나 방해하지 않고 같은 방향으로 밀어내며 조화롭게 작동하고 있음을 증명합니다.

연구진은 또한 이 새로운 장치가 전기적 변형을 물리적 굽힘으로 얼마나 효율적으로 변환하는지 확인하기 위해 다른 유형의 압전 액추에이터들과 비교했습니다. 그들은 주어진 변형량에 대해 얼마나 많은 곡률이 발생하는지를 측정하는 특정 계수를 계산했습니다. 새로운 설계는 비교 대상이었던 최고의 단일 층 장치들보다 2.3배 높은 값을 달로 달성했습니다. 더 얇은 층을 가진 일부 오래된 설계들이 약간 더 높은 효율 수치를 보이기도 했지만, 그러한 설계들은 새로운 장치가 가진 대칭성과 독립적인 제어 능력이 부족했습니다. 이 새로운 액추에터는 높은 움직임, 구조적 균형, 그리고 각 측면을 독립적으로 제어할 수 있는 능력을 결합하여 더욱 복잡하고 정밀한 움직임을 가능하게 합니다.

이 연구는 단순히 층을 조립하는 방식을 바꿈으로써 이전 세대보다 더 강력하고 다재다능한 미세 모터를 구축할 수 있음을 보여줍니다. 두 개의 완전한 모터 유닛을 결합함으로써, 연구진은 더 강력할 뿐만 아니라 더 안정적이고 제어가 용이한 장치를 만들어냈습니다. 낮은 전압으로 빔의 끝을 거의 23 마이크로미터까지 움직일 수 있다는 점은 이 장치들이 미세 광학 렌즈의 초점을 조절하거나 의료 도구의 미세 센서를 이동시키는 것과 같이 정밀한 위치 조정이 필요한 응용 분야에 사용될 수 있음을 시사합니다. 이 면 대 면 접합 기술의 성공은 향로 더욱 복잡하고 유능한 미세 기계를 만드는 길을 열어주며, 때로는 무언가를 더 강하게 만드는 가장 좋은 방법이 완벽하게 일치하는 두 부분으로 만드는 것임을 입증했습니다.