들어서며
MEMS, 무엇이며 어떻게 발전하여 왔는가
MEMS, Micro-Electro-Mechanical-System의 약어로 우리말로는 초소형(micro), 전자(electro), 기계(Mechanical), 장치(System), 즉, '초소형 전자 기계 장치'입니다. '장치'라 하기에 '특정한 목적에 따라 완성된 제품'을 생각하기 쉬우나, 시간이 지나면서 특정 공정이나 하나의 기술 분야로 자리매김을 하였고, 지금은 초소형의 센서나 액추에이터 소자와 부품, 특수하게 가공된 소형 구조물, 그리고 여기에 미세전자공학(microelectronics) 분야가 가미된 소자, 부품, 시스템, 이에 더하여 공정과 제작 기술을 망라하여 적용이 되고 있죠. 1980년대 중 후반, 초기의 MEMS는 머리카락의 굵기인 0.1mm 정도의 움직이는 구조물들을 만들어서 이를 확대, 시연하는 발표로 눈길을 끌게 되었고, 이후 적절한 응용 분야를 찾으며 발전하여 왔습니다.
MEMS의 크기 영역을 살펴보죠. 첫 문자인 'M', 에 해당하는 micron 영역으로 당연히 추측할 수가 있습니다. 좀 더 편안히 생각하면, 머리카락 굵기 정도인 0.1mm, 즉 100마이크론 정도의 크기를 갖는 구조물이나 소자를 주로 이야기하며, 좀 더 넓게 봐서는 대략 10마이크론에서 1,000마이크론, 즉 1mm까지의 영역으로 구분함이 일반적입니다. 즉, 박테리아에서 세포 정도의 크기, 머리카락의 굵기, 인쇄로 만들어지는 후막(thick film)의 두께, 광학적인 리소그래피의 선폭 이상, 그리고 빛으로 보면 가시광선을 넘어선 적외선 영역의 파장대 등에 해당합니다. 이보다 크면 기계적인 가공(top-down)이 더 용이하고, 작으면 원자나 분자로부터의 조립(bottom-up)이 더 편한, 그 중간 정도에 있는 범위이죠. MEMS보다 큰 스케일 영역은 밀리 머신, 혹은 그냥 기계 장치로 불리고, 작은 영역은 NEMS(Nano-Electro-Mechanical-System)이라는 새로운 기술 영역으로 이어집니다.
이제, MEMS의 역사를 알아보죠. 대략 1960년대 초, 중반에 실리콘을 습식 식각으로 가공하는 기술이 등장하게 됩니다. 실리콘 단결정의 결정 방향과 무관하게(등방성, isotropic), 혹은 결정 방향에 따라 식각률이 바뀌는(비등방성 혹은 결정 의존성, anisotropic or orientation-dependent) 습식 식각법들이 개발되기 시작하죠. 그리고 1965년에 공진형 게이트 트랜지스터(resonant gate transistor)가 특허로 발표됩니다. 즉, 게이트 스위치를 기계적인 움직임으로 제어하여 게이트 누설 전류를 없애려는 시도였죠. 게이트는 외팔보(cantilever) 모양이며, 게이트와 하부 전극과의 정전력으로 구동하는 방식입니다만, 당시의 공정 기술로는 실제로 제작하기는 어려웠을 겁니다. 다만, 기계적인 움직임을 전기 신호로 제어하는 반도체 소자라는 점에서 최초, 혹은 초창기의 MEMS로 인정받을 수 있죠.
이후로 EDP(EthyleneDiamine Pyrocatechol) 수용액, KOH(potassium hydroxide) 수용액 등, 단결정 실리콘 웨이퍼를 결정 의존성 식각할 수 있는 식각액들이 속속 등장하며, 1969년 무렵에는 금속과 같은 도체와 유리를 정전력으로 접합할 수 있는 양극 접합, 혹은 정전 열 접합(anodic bonding, electrostatic bonding) 기술이 발표됩니다. 이 기술은 당초에는 고전압하에서의 절연을 위해 고안되었으나, 나중에는 실리콘과 같은 반도체 소자와 유리 캡과의 접합을 통해 청정하고 내구력이 있는 패키징을 위해 적용됩니다. 그리고 1970년대 초반에는 실리콘을 식각, 가공하여 얇은 막(diaphragm, membrane)을 만들고 이의 휨으로 압력을 측정하는 실리콘 압력 센서가 허니웰(Honeywell)에 의해 개발되고 이는 뒤를 이어 모토롤라(Motorola)에 의해 더욱 개선된 소자로 진화를 하죠.
마침내, 1982년에 미국의 전기전자공학회의 기술 잡지(IEEE Proceeding)에서 '기계적인 소재로서의 실리콘'이란 제목으로 실리콘이 표면만 사용하는 전자 소자에서 웨이퍼 몸체 전체를 가공하여 기계적인 소재나 구조물로도 충분히 가치가 있음을 알리는 기술 분석 논문을 발표하며, 이를 기점으로 미세 가공(micro-machining), 초소형 기계(micro-machine), 초소형 전자 기계 장치(MEMS) 등의 용어가 본격적으로 등장하며 새로운 기술의 출현을 예고합니다. 즉, 이 논문에서는 그간 발표되었던 다양한 연구 결과들을 토대로 하여, 실리콘의 기계적인 특징이 항복 강도, 탄성 계수, 밀도, 열 전도도와 열 팽창 계수 등에서 여타 기계적 구조용 소재들인 다이아몬드, 탄화 규소, 알루미나, 철, 텅스텐, 몰리브덴, 알루미늄 등에 충분한 경쟁력이 있다는 수치들을 제시합니다. 물론, 전자 소재로서의 최강점을 충분히 활용할 수 있다는 강력한 전제하에서.
이후로의 MEMS 발전은 실로 다양하고도 화려합니다. 실리콘 몸체 가공(bulk micromachining)을 뛰어 넘어 실리콘 웨이퍼 표면에 희생층(sacrificial layer)과 구조층(structural layer)을 번갈아 형성하고 희생층만 선택적으로 제거하는 방식의 표면 미세 가공(surface micromachining), 이를 통하여 제작된 다결정 실리콘(poly-crystalline silicon, poly-Si) 초소형 핀셋과 회전하는 모터들이 연이어 등장, 시연을 통하여 대중적인 흥미를 자극합니다. 이에 더하여 물리적이나 화학적으로 깎아내는 방식이 아닌 틀을 만들고 개개의 초소형 부품들을 벽돌을 찍어내듯이 만들어내는 LIGA(독일어로 사진 식각, 전기 도금, 그리고 몰딩의 합성어, 약어) 기술이 등장하고, 연이어서 실리콘 웨이퍼의 직접(용융) 접합(silicon fusion bonding)과 이를 이용한 초소형 밸브, 압력 센서 등의 소자와 부품들이 나오게 되죠. 아울러 빗살형 구동기(comb actuator)와 같은 새로운 공정 및 구동 기술과 소자들이 속속 모습을 드러냅니다.
그리고, 20세기, 1900년대의 말미를 장식하는 초히트 MEMS 제품들이 마침내 등장을 합니다. 즉, 떠있는 구조물로 열적 절연 구조를 만들어 열 손실을 최소화한 적외선 검출기 및 영상 감지 소자(Honeywell), 자동차 에어백의 작동 여부를 결정하기 위한 핵심 소자였고, 지금은 모션 트래킹의 중심인 가속도 센서(Analog Devices), 프로젝터, 혹은 프로젝션 TV용으로 지금도 각광을 받고 있는 디지털 마이크로 미러 소자(Digital Micro-mirror Device, DMD, Texas Instruments), 가속도계와 함께 모바일 기기, (무인) 자동차, 드론 등에서 모션 감지를 위한 핵심 아이템인 회전 운동 측정용 MEMS 실리콘 각속도계(Draper) 등이 MEMS 기술의 제품화, 범용화 시대를 열었습니다. 그리고 통신용, 바이오용, 우주, 군사용, 가전용 등으로 MEMS의 영역은 급격한 확장을 시작합니다.
이러한 발자취에서 몇몇을 요약하여 보면, 실리콘 압력 센서의 경우 1950년대에 원리가 고안되어 1960년대와 70년대의 발전 과정을 거쳤으며, 1970년대 중반부터 80년대 후반에 이르기까지 가격을 낮추면서 응용 영역을 확장하였고 마침내 1990년대에 이르러 대량 생산의 시대를 열었죠. 가속도 센서, 광 및 디스플레이용 MEMS, 생화학 센서류, 가스 센서들, 그리고 통신용 MEMS 소자들도 개발부터 생산에 이르기까지 20년 가까운 시간을 필요로 하였습니다. 물론 MEMS의 기반 기술과 응용 분야가 발전, 확장되면서 그 기간은 10년 남짓까지 줄어들기는 하였지만, MEMS 기술 또한 불굴의 역경과 의지의 산물이라고 볼 수 있죠. 약 10여년전에 포브스지는 MEMS의 10대 제품으로 가속도계와 각속도계, 마이크로폰, 잉크젯 헤드, DMD와 디지털 광 처리기(Digital Light Processor, DLP), 타이어압 측정용 압력 센서(Tire Pressure Monitoring Sensor, TPMS) 등을 꼽았습니다. 그리고 최근에 이르기까지 공정, 집적도, 제조 및 응용 기술에서 비약적인 발전을 이루고 있죠. 그리고 이제 MEMS는 범용화된 기술, 그리고 모바일 기기와 4차 산업의 시대, 웨어러블, 스마트 혹은 자율 주행차, 드론, 비행 택시 시대의 도래와 함께 움직임 감지, 제어, 실로 다양한 센서와 액추에이터, 그리고 초소형 지능 시스템의 코어로서 역할이 기대됩니다.
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