어디에 어떻게 사용될까
MEMS의 응용도, 적용 분야는 실로 다양합니다. 이들은 주로 센서와 액추에이터(작동기)로 대표되죠. 즉, 신호를 서로 다른 영역이나 형태로 바꿔주는 것은 변환기(transducer)라고 하며, 여기에서 각종 신호들(입력)을 전기적인 출력으로 변화하는 것을 센서(sensor), 전기적인 신호(입력)에 따라 원하는 신호를 만들거나 반응이나 행동(출력)을 제공하는 것을 작동기(actuator)라 합니다. 즉, 기본적인 전자-기계, 기계-전자 시스템(mechatronics)은 신호를 감지하는 센서 입력부, 감지로 발생된 전기적인 신호를 변환, 해석, 처리하는 신호 처리부(signal processor), 이로부터의 명령에 따라 반응과 행동을 하는 작동기 출력부로 이어지는 폐루프를 구성하죠. 여기에서 입력과 출력부에 MEMS 기술이 주로 적용됩니다. 이러한 MEMS 센서와 액추에이터의 응용 분야는 실로 다양하여 모바일 기기로 대표되는 가전(consumer electronics), 자동차와 탈 것들, 통신 부품이나 모듈, 바이오와 건강 및 의료, 환경 등으로 확장되고 있습니다.
로봇의 팔이나 인간이 접근하기 어려운 작은 공간, 오염이나 위험성이 내재하는 장소에서 작업을 수행하는 미세 조작기(manipulator), 이를 더 발전시킨 초소형 작동기나 로봇류를 생각할 수 있습니다. 그리고, 입사된 빛이나 광 신호에 대해 간섭, 굴절이나 반사, 회절 등을 통하여 빛의 파장이나 세기, 방향을 조절, 제어하는 광학 부품용 MEMS, 이는 광 MEMS(optical-MEMS)라는 분야로 일컬어지죠. 특히, 광원으로부터 나온 빛을 빨강, 초록, 파랑으로 구분(필터링이나 혹은 별도의 광원을 사용), 화소(pixel)에 대응하는 미소 거울들을 통해 선택적으로 스크린으로 보냄으로써 큰 화면을 생성하는 투사용 디스플레이, 여기에 사용되는 디지털 초소형 거울 소자(DMD)와 광 처리기(DLP)가 대표적입니다.
뾰족한 탐침형 전극이나 주사 바늘을 극도로 작게 만들면 피부 안으로 넣을 때 발생하는 통증을 줄일 수 있으며, 더 작은 공간에서 더 많고 다양한 신호들을 얻을 수 있죠. 최근에는 이러한 마이크로 니들 어래이가 설치되어 피부 안으로 유효 약물을 전달하는 마스크 팩, 패치 등이 판매되고 있습니다. 유기 소재를 이용하여 초소형으로 만들어진 생체 친화적인 센서와 신호 발생기들이 인체, 혹은 인체의 혈관 내에까지 삽입되기도 하죠. 이와 같이 인체의 건강과 치료, 검사에 이용되는 MEMS 분야를 바이오 MEMS(bio-MEMS)로 구분합니다.
잉크젯 프린터 헤드에도 MEMS 기술은 적용됩니다. 잉크가 흐르고 보관되는 유로와 공동(cavity, reservoir), 잉크 토출을 위한 동력은 압전(piezoelectric) 현상을 통한 물리적 변형이나 잉크의 국부적인 가열로 인한 팽창을 이용하는데, 이에 적용되는 구조나 소자, 토출된 잉크 방울들을 가능한 작게 만들어서 해상도를 높일 수 있는 미소 노즐 등이 MEMS 기술의 산물입니다.
Automotive MEMS, 자동차에는 다양한 MEMS 센서들이 들어갑니다. 내비게이션, 자세 제어와 안전 운전, 궁극적으로는 자율 주행을 위한 모션 트래킹 센서(가속도, 각속도, 고도, 방위 센서들), 연료 주입이나 브레이크, 공기 흐름, 타이어 압력 등을 측정하기 위한 압력 센서들, 에어백용 가속도 센서, 가스 센서와 같은 센서류에 더하여 마이크로폰, 마이크로 노즐과 같은 작동부까지. 차량의 안전성 증가와 무인 자동차로의 발전을 위해서는 특히 자세나 운동, 움직임 감지를 위한 기계량 센서와 함께 야간 투시를 위한 적외선 센서와 같은 시각 및 근거리 정보 획득용 센서들이 점점 더 필요하게 되죠.
이와 함께 통신용 MEMS(RF-MEMS)로 분류되는 스위치, 필터, 오실레이터 등도 초소형화와 고성능화를 위해 MEMS 기술이 적용되고 있습니다. MEMS 기술 적용을 통하여 측정 장치들이 작아지면 사용되는 시료의 양도 줄어들고, 또한 측정에 걸리는 시간은 짧아집니다. 따라서, 손목에 차고 다니는 가스 분석 기기와 피 몇 방울로 다양한 검사가 가능한 칩 위의 실험실(LOC)가 자연스럽게 등장을 하죠. 나아가서는 유선 내시경이 아닌 캡슐형 내시경이 활용되고 있습니다. 고통이 줄어들 뿐만 아니라, 실시간으로 검사 영상을 보며 의료진과 상담을 할 수도 있고, 여기에 기능을 더하면 내시경의 자세 제어, 특정 부위의 보다 면밀한 검사, 움직임 관리와 함께 샘플 채취나 간단한 투약 등이 가능합니다.
이상 설명한 MEMS의 응용 일례들에 더하여 그 응용 범위는 엔터테인먼트, 건강과 의료, 교통과 운송, 에너지, 환경, 통신, 국방과 우주 등으로 무한 확장을 하고 있습니다. 웨어러블, 사물 인터넷, 스마트 홈, 스마트 팩토리, 스마트 에너지 등 4차 산업 혁명과의 연관성이 커지는 분야들로 점점 더 깊이 들어서고 있죠. 궁극적으로는 반도체와 디스플레이처럼 집적도, 성능 등의 핵심 포인트에서 장기적인 로드맵이 만들어지면서 그 응용 분야는 우리의 실생활, 일상으로 깊고 넓게 확장될 것입니다.
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