무선 전자 장치를 위한 마이크로 히터 디자인

Abstract

마이크로 히터(Micro heater)는 미세전자부품과 가스센서, 습도센서와 같은 마이크로 센서의 핵심 구성요소이다. 자동차와 가전 등 생활 속에서 사물인터넷(IoT) 채용이 증가하고 있고 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 및 센서는 그들의 주요 부품이 되었다. 이러한 MEMS 의 발전은 저전력, 고효율의 마이크로 히터를 필요로 한다. 마이크로 히터의 특성은 히터 디자인, 인가전압/전류, 히터물질의 종류, 양 등에 영향을 받는다. 인가전압/전류는 사용기기에 따라 달라져 제어가 힘들며, Pt(Platinum)은 전기저항이 높아 대부분의 마이크로 히터에서 사용 중이다. 그러나 재료에 반해 저전력, 고효율의 마이크로 히터의 디자인은 최적화 되어있지 않다. 그 중 우리는 히터의 성능향상을 위해 히터의 구조/디자인을 조절한다. 우선 단순한 일직선 형태의 단일저항의 폭을 600μm 부터 10μm 단위로 조절하고 금속선의 길이를 조절하였다. 최적의 비율을 찾은 이후, 대중적으로 사용되고 있는 다 직선 평행 직렬 나선구조인 미앤더(meander)형태로 디자인하였다. 이 디자인에서 히터의 밀도와 반복되는 나선구조의 수를 조절하며 최적구조를 찾았다. 이렇게 최적화된 구조/디자인은 마이크로 히터를 필요로 하는 센서나 MEMS 에 활용도가 높으며 마이크로 히터를 연구함에 있어 최적화된 회로 패턴은 더욱 빠르고 효율적인 실험을 진행할 수 있다. 마이크로 히터는 Pi(Polyimide)에 접착력을 위해 Ti(Titanium)10nm 를 배양층으로 증착 시킨 뒤 Pt 를 100nm 증착시켰다. 제작된 Pt 필름을 유연한 substrate 인 PDMS(Polydimethylsiloxane)에 부착한 후 LASER ablation 을 활용하여 Patterning 하였다. 이로써 유연하고 최적화된 디자인의 마이크로 히터를 제작하였다. 안테나는 Al(Aluminum)을 기반으로 제작되었으며 PDMS(Polydimethylsiloxane)로 도포하여 물리적/화학적 열화를 줄일 수 있으며 히터와 마찬가지로 자유로운 변형이 가능하다. 또한 안테나는 마이크로 히터와 빠르고 자유로운 연결을 위해 악어 클립을 부착하였고 제작한 안테나는 NFC(Near Field Communication)로 무선 구동되었고 특정 온도까지 도달할 수 있었다. 설계한 마이크로 히터는 기존의 포토 마스크를 이용하는 제작공정에 비해 빠르고 단순하며 비용적 측면에서 경쟁력이 있다. 무선 안테나를 활용해 작동되는 시스템은 미래 스마트폰의 NFC 등 어디서든 간단히 작동할 수 있으며 스마트 무선 센서나 바이오 메디컬 소자 등에도 사용이 가능할 것으로 기대된다. 또한 유연한 안테나와 마이크로 히터는 동적인 환경에서 사용이 가능하며 구조가 복잡한 MEMS 나 곡률이 있는 무선 전자 장치에 다양하게 적용 가능할 것으로 기대한다.

주요 단어: micro-heater; drawing; Design; wireless; MEMS; NFC; PDMS; gas sensor; wearable; flexible, stretchable