MEMS 장치 성능 확인 시,유한 요소 해석(FEA) 수행 방법

동작, 진동 및 온도 변화 등 다양한 스트레스 요인으로 가득한 현실 세계에서 MEMS 장치가 성능을 제대로 발휘할 수 있을까요? 유한 요소 해석(FEA)의 수행은 MEMS 장치가 실제 현장에서도 연구소에서 예상한 것처럼 작동하도록 성능을 확보하는 데 필요한 아주 중요한 측면 중의 하나입니다.
FEA는 MEMS 장치의 3D 모델에 대한 메시를 정의하여 물리적인 힘이 유한한 요소에 미치는 영향을 계산해야 한다는 복잡한 문제를 작은 단위로 분해합니다. 이에 기본이 되는 물리학을 각 유한 요소에 대해 계산하여 복잡한 등식을 만들고, 그러한 등식을 시뮬레이션하여 전체 설계에 미치는 물리적인 영향을 알아보는 것입니다. 이 글에서는 조정식 광학 필터를 연구하여 FEA 수행을 준비할 때 고려해야 할 점을 소개합니다.

조정식 광학 필터

조정식 광학 필터는 광섬유 통신 시스템을 구축하는 파장분할다중(WDM) 솔루션을 이루는 핵심적인 구성 요소입니다. 패브리 페로(Fabry-Perot) 캐비티가 두 개의 병렬식 유전체 거울 (Bragg mirror, dielectric mirror라고도 함)로 이루어져 있으며, 이들은 굴절률이 서로 다릅니다. 이동식 전극은 빔 세 개에 매달려 있습니다. 전압을 적용하면 이동식 전극이 고정형 전극 쪽을 향해 정전기를 통해 이동합니다. 두 유전체 거울 층 사이의 거리가 공진 파장 주파수를 규정합니다. 광파가 캐비티 안에 유입되지만, 캐비티를 통과해 전송되는 것은 공진 파장뿐입니다.

이런 필터는 제조가 가능할까요? 만일 제조할 수 있다면 이 필터는 과연 예상한 대로 작동할까요?
이 의문에 답을 얻기 위해 설계자가 자문할 수 있는 물음은 다음과 같습니다.

⊙ 조정식 주파수 범위가 사양에 부합합니까?
⊙ 빔을 예상한 대로 필터링할 수 있도록 빔의 굴절률이 올바르게 작용합니까?
⊙ 빔의 움직임이 유전체 거울 표면을 왜곡하게 됩니까?
⊙ 빔이 사양에 부합할 만큼 빠르게 작동합니까?
⊙ 빔이 동작 스트레스를 실패 없이 감당할 수 있습니까?
⊙ 거울 표면이 완벽하지 않으면 장치 작동에 어떤 영향을 미치게 됩니까?

이와 같은 물음에 답하기 위해 FEA 툴을 사용하여 실제 환경과 같은 조건에 따라 장치를 시뮬레이션 방법을 백서 다운로드를 통해 확인하세요.