2.1 충격스위치의 작동원리

Fig. 1에서와 같이 충격스위치는 일반적으로 이동전극(movable electrode)과 고정전극(fixed electrode)의 두 전극과 질량체 그리고 스프링으로 이루어져있다. 일반적으로 질량체가 이동전극 역할을 동시에 담당하는 경우가 많으므로, 질량체의 표면에는 도전성 물질이 코팅되어 있거나, 또는 질량체 자체를 금속으로 제작한다. Fig. 1 에서와 같이, 충격스위치에 외부 충격이 인가되면 이동전극이 위로 움직여 고정전극에 닿으면 신호가 발생한다. Fig. 1의 질량, 스프링, 감쇠 시스템은 자유감쇠시스템으로 표현될 수 있으며, 이 시스템의 운동 방정식은 아래의 식(1)과 같다.

여기서 m은 질량 구조물의 무게이며 c는 감쇠계수, k는 스프링계수를 의미한다. x는 질량체의 변위이며, a(t)는 적용된 가속도에 대한 시간함수이다. 위의 식에서 감쇠를 무시하고, half-sine 형태의 가진이 가해진다면, 시간에 따른 질량체의 변위는 아래의 식(2)와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, a₀는 초기 가속도이며,ω₀ 는 가진 진동수이다. 얻어진 식에 따르면, 계의 고유진동수를 결정하는 구조체의 질량과 스프링에 따라 스위치의 움직임이 결정된다. 일정한 충격량 이상이 가해져 이동전극이 고정전극과 닿게 되면 스위치가 켜진다.

2.2 충격스위치의 구조

제안하는 충격스위치의 구조는 Fig. 2에서 보는 바와 같다. 기능별로 구분하기 위하여, Fig. 2(a)에서 충격스위치의 구성요소 색상을 주황색과 파란색으로 구분하였다. 주황색은 이동전극인 반면, 파란색은 고정전극이다. 이동전극은 스프링과 추가질량체를 포함한다. 이동전극은 충격이 가해지면 상부방향으로 움직일 수 있도록, 실리콘 기판 바닥으로부터 일정 높이(h₁)만큼 떠 있다. 이동전극의 두께는 h₂이며, 이동전극 위에 추가질량체가 형성되어 있다. 이동전극의 상부에 존재하는 파란색의 고정전극은 이동전극 위에 h₃ 높이만큼 떠 있다. 고정전극의 두께는 h4이다. 고정전극 중 십자가 모양은 공중에 떠 있는 상태이지만, 십자가 모양의 끝에 형성된 네 개의 삼각형 구조(anchor)는 실리콘 기판 바닥에 붙어 있다. 따라서 이동전극은 스프링에 연결되어 있어 충격이 가해지면 위로 움직이지만, 고정전극은 움직이지 않는다. 일정한 충격량 이상이 가해져 이동전극이 고정전극에 닿게 되면 신호가 검출된다.

본 논문에서 제안한 충격스위치 구조는 이동전극 위에 형성된 추가질량체의 크기를 변경시키는 간단한 방법으로 다양한 충격 범위의 스위치를 제작할 수 있는 장점이 있다. 또한 충격스위치는 하부 기판인 실리콘을 제외하고 모두 금속인 니켈로 제작이 된다. MEMS 센서에서 많이 사용되는 실리콘에 비해 니켈은 약 4배의 밀도를 가지고 있어 소형화와 관성력을 위한 질량 확보에 유리하고, 실리콘에 비해 전기 저항이 아주 작은 장점이 있다.⁽⁸⁾ 니켈은 다른 금속재질에 비해 녹이 잘 슬지 않아 장기간 보관에도 용이한 점이 있다.

2.3 치수설계와 구조해석

충격스위치 구조물의 세부적인 치수는 Table 1에서 보는 바와 같다. 이동전극은 실리콘 기판으로부터 3 ㎛ 떠 있으며, 이동전극과 고정전극 사이의 간격(h₃)은 35 ㎛이다. 스프링의 두께와 폭은 10 ㎛로 동일하며, 스프링 간의 간격 또한 10 ㎛이다. 이동전극의 직경은 200 ㎛이다. 추가질량체의 한 변의 길이(w)는 117 ㎛이며, 높이 (h₃+h₄)는 70 ㎛이다.

이러한 설계치수를 바탕으로 하여, ANSYS(ANSYS Inc., USA)로 구조해석을 진행하였다. 구조해석에 사용된 니켈의 물성치는 도금된 니켈의 물성치를 사용하였다.⁽¹¹⁾Fig. 3은 설계한 충격스위치의 동적 모드 해석 결과를 나타낸다. Fig. 3(a)에서 보는 바와 같이, 상하방향으로 진동하는 1차 모드가 2,916.9 ㎐에서 나타났다. Fig. 3(b)에서 보이는 측면방향의 비틀림 2차 모드는 4,705.2 ㎐에서 나타났다. 800 g의 가속도 충격이 수직방향으로 80 ㎲의 시간 동안 인가되었을 때, 해석상 이동전극의 변위는 35.1 ㎛로 나타났다. 800 g의 가속도는 약 1.5 m 높이에서 수직낙하한 물체가 콘크리트에 부딪혔을 때 발생한다.

3.1 충격스위치의 제작

충격스위치는 이동전극 및 고정전극을 포함한 모든 구조물이 니켈로 구성된다. 니켈 구조물 이외의 빈 공극(예, h₁과 h₂ 등)은 공정 중 구리로 채워져 있다가, 마지막 공정에서 제거된다. 제작 공정을 간단히 설명하면, h₁, h₂, h₃, h₄의 4개 층을 순차적으로 쌓아 올리는 공정이다. Fig. 4는 충격스위치 제작공정도를 나타낸다.

먼저, 첫 번째 층(h₁)을 제작한다. 4인치 실리콘 웨이퍼 위에 도금 전극용 금속씨앗층(Cr(50 ㎚)/Cu(100 ㎚))을 스퍼터를 이용하여 증착한다. 다음으로 첫 번째 리소그래피를 진행한 후, 3 ㎛ 두께의 구리도금을 진행한다 (Fig. 4(a) 참조). 이러한 3 ㎛ 두께(h₁)의 구리 도금층은 향후 이동전극과 스프링을 실리콘 바닥으로부터 띄우는 역할을 한다. 리소그래피 공정에서는 두꺼운 감광제인 AZ 9260(AZ Electronic Materials, Luxembourg)을 사용하였다. 구리 도금은 3-전극 장치(VERSASTAT3, Princeton Applied Research, United States)를 이용하였다.

이후, 두 번째 층(h₂)을 제작한다. 두 번째 층 제작을 위해 리소그래피 후, 10 ㎛ 이상의 두께로 니켈 도금을 진행한다(Fig. 4(b) 참조). 이후, 구리 도금을 진행한 다음 표면 연마(CMP : Chemical Mechanical Polishing)를 진행한다(Fig. 4(c) 참조). 연마 시에는 이동전극과 스프링의 두께인 10 ㎛의 니켈 두께를 남기고 연마를 중단한다. 니켈 도금 용액은 설파민산 니켈 용액(Sulfamate Nickel, DisChem, USA)을 사용하였고, DC 전류 도금기(SW-PMS1, 성원포밍, Korea)를 이용하였다. 니켈 도금을 위해 10 ㎃/cm²의 전류 밀도를 인가하였다.

다음으로, 세 번째 층(h₃)을 제작한다. 세 번째 층 제작 공정은 두 번째 층 제작 공정 순서와 동일하다. 세 번째 층 형성 공정에서는 니켈 구조물을 형성한 다음(Fig. 4(d) 참조), 구리 도금을 진행한 후 표면을 연마한다 (Fig. 4(e) 참조). 연마 후, 세 번째 층의 두께는 35 ㎛이다. 세 번째 층 형성 공정에서는 추가질량체와 고정전극지지대(anchor) 영역만 니켈도금이 진행된다.

마지막으로, 네 번째 층(h₄)을 제작한다. 네 번째 층 형성 공정은 니켈 구조물을 형성하는 것으로 완료된다(Fig. 4(f) 참조). 네 번째 층은 고정전극과 추가질량체를 형성하는 용도이다. 네 번째 층을 형성한 다음, 도금된 구리를 모두 식각한다(Fig. 4(g) 참조). Fig. 4(g)에서 보는 바와 같이, 구리 식각에 의하여 이동전극과 스프링이 실리콘 바닥으로부터 h1 높이만큼 뜨게 되며, 고정전극이 이동전극 위에 h₃ 높이만큼 뜨게 된다. Fig. 5는 제작된 소자를 확대 촬영한 사진이다. 제작된 소자의 실측 치수는 Table 1에서 보는 바와 같다. 제작된 소자는 Fig. 6에서와 같이 3D 프린터로 제작된 케이스 내에 접합된다. 소자의 좌우 두 전극에 배선이 형성되며, 중앙의 감지부는 캡을 씌워 보호한다.

3.2 충격스위치의 평가

Fig. 7은 제작된 충격스위치의 성능을 평가하기 위한 시험장치이다. 공기압축기에 의하여 압축된 공기의 힘으로 발사된 피스톤은 모루(anvil)의 후면과 충돌한다. 제작된 충격스위치와 기준가속도계(350B23, PCB Piezotronics, USA)는 모루의 앞면에 부착된다. 기준가속도계는 이러한 충돌에 의해 인가되는 충격량을 정량적으로 측정한다. 사용된 기준가속도계는 0.5 ㎷/g의 감도를 가지며, 최대 10,000 g의 가속도까지 측정 가능하다. 제작된 스위치는 두 전극이 접촉하면 인가된 9 V의 전압 신호가 발생한다.

Table 1에서 보는 바와 같이, 제작된 충격스위치의 이동전극과 고정전극 사이의 간극이 설계치보다 작고, 스프링의 두께가 설계치수에 비해 얇아졌으며, 추가질량체는 더 높게 제작되었다. 따라서 제작된 충격스위치는 예상 충격가속도 800 g보다 낮은 값에서 작동될 가능성이 있다. 이에 따라, 500 g의 충격 가속도부터 단계적으로 충격 가속도를 높여가며 스위치의 작동여부를 탐색하였다. 측정 결과, 제작된 가속도계는 670 g에서 작동하였다. Fig. 8은 측정 시 획득한 신호를 나타낸다. 제작된 충격스위치는 670 g의 가속도에서 약 0.3 ㎳의 응답속도를 보였다. 해당 응답속도는 선행 연구 결과인 0.435 ㎳에 비해 31% 개선된 것으로써,⁽⁹⁾ 본 연구에서 제안한 충격스위치는 매우 빠른 응답속도를 가진다.

제작된 충격스위치의 작동 가속도가 설계값보다 낮게 나온 것은 위에서 언급한 바와 같이, 주로 가공 오차에 기인한 것으로 판단된다. 제작된 충격스위치의 이동전극과 고정전극 사이의 간극이 설계치보다 3% 작아졌다. 설계치수에 비해 스프링의 두께가 약 11% 감소하였다. 또한 네 번째 층의 추가질량 구조물의 반지름이 약 24% 증가되었으며, 높이는 7% 정도 증가하였다. 비록 제작된 스프링의 선폭이 설계값에 비하여 30% 증가되어, 스프링의 강성을 높이는 요소로 작용하였으나, 상기 언급된 스프링의 두께 감소 및 추가질량체 크기 증가와 같은 요인이 구조물의 강성을 더 크게 감소시키는 요인으로 작용하였다. 뿐만 아니라, 이동전극과 고정전극 간의 간극이 감소하여 설계보다 더 낮은 충격 가속도에도 두 전극이 닿게 하는 요인이 되었다. 또한, 본 연구에서 도금된 니켈의 물성치가 해석 시 참고한 물성치와 일치하지 않는 점에서 이론적 해석과 실험결과 간에 오차를 발생시키는 요인 중 하나라고 판단된다.