MEMS, 활용하기
MEMS 기술의 응용 분야는 가전부터 국방, 우주 산업으로까지 실로 다양합니다. 크게 나누면 가전 및 모바일 기기류, 자동차를 비롯한 탈 것들, 바이오와 건강, 의료, 환경, 국방 및 우주 산업 등으로 생각해볼 수 있으며, 이들 분야에 적용되는 센서, 액추에이터, 그리고 다양한 소자와 부품, 마이크로 시스템 등을 망라하죠. 이러한 응용 분야들은 4차 산업 혁명과 사물 인터넷(Internet of Things, IoT), 이를 통한 스마트 라이프와 스마트 홈, 인텔리전트 빌딩, 스마트 팩토리, 스마트 에너지 등으로 이어지면서 특히 센서, 자가 전력 공급 및 신호의 송수신 기능을 갖는 스마트 센서 모듈의 응용도는 급격히 확장되고 있습니다.
여기에서는 이들 중에서 특히 모바일 기기(스마트폰)에 적용되는 MEMS 센서, 소자와 부품, 그리고 MEMS 기술로 제작되는 정보 디스플레이 기기를 알아보고자 합니다. 특별한 이유는 없습니다. 다만, 모바일 기기 안에는 MEMS 기술의 대부분이 초소형, 저전력 개념으로 집약되어 있다는 점, 특히 모션 트래킹 센서는 이어서 웨어러블 기기, 안전 강화나 무인 자동차와 같은 탈 것들, 그리고 드론이나 비행 택시 등으로까지 확장 응용이 된다는 점, 디스플레이 기기의 경우 가상 현실과 증강 현실 시대의 도래와 함께 저자 본인의 관심 연구 분야라는 점 등이 작용하였을 뿐입니다.
스마트폰으로 대표되는 모바일 기기에는 현재에도 센서들, 특히 MEMS 기술 및 제품들이 여럿 들어갑니다. 즉, 방위를 나타내는 나침반, 이는 자기 센서(magnetic sensor)로서 주로 자기장에 따른 저항 변화를 측정하고는 있지만, 이후 홀 센서(Hall sensor)와 로렌츠 힘을 이용한 자기장 센서 등으로 변화될 가능성도 적지 않죠. 그리고, 기압 변화를 측정하여 고도를 읽는 압력 센서, 온도 센서, 음향 신호를 전기 신호로 변환하여 주는 MEMS 마이크로폰, 지문 인식 센서, 이에 더하여 가속도와 각속도를 측정, 직선 운동과 회전 운동을 감지하는 관성 센서류가 있죠. 스마트폰이 출현한 이래도 MEMS 센서류의 채택을 급격히 늘어났습니다. 모션 센서로 대표되는 움직임과 방위, 고도 센서에 더하여 가시광, 밝기, 3차원 시각 센서, 근접 센서 등 빛을 감지하거나 감지에 응용하는 광 센서류, 그리고 온도와 습도, 자외선이나 유해 가스, 미세 먼지, 혹은 간단한 의료 정보들을 제공하는 환경 및 바이오 센서류로 기술이 발전하면서 채택되는 센서들의 종류와 수량이 꾸준히 확장되고 있습니다. 이러한 센서들에 더하여서, 마이크로폰과 스피커, 자동 초점(auto-focus) 기구, 피코 프로젝터, 통신용 부품 등에 MEMS가 사용되고 있거나 적극 개발 중인 상황입니다.
MEMS 구조물이나 소자를 이용하면 빛을 다루거나 조절, 제어할 수 있습니다. 빛의 기본 특성인 반사(reflection), 굴절(refraction), 회절(diffraction)에 대응하는 미소 거울(micro-mirror)과 렌즈, 그리고 회절 격자 구조를 MEMS로 구현하여 빛을 제어한다면 광 센서들은 물론 다양한 광학 부품들, 광 통신용 소자나 시스템, 그리고 투사형(projection) 디스플레이나 마이크로 디스플레이 등에 활용할 수가 있죠. 이에 더하여 광 결정 효과(photonic crystal effect)와 빛의 간섭(interference), 편광(polarization) 등, 빛과 관련된 여러 현상들도 MEMS 기술을 활용하면 빛을 조절, 제어하고 나아가서는 빛으로 정보를 표현하는 디스플레이 기기에 효과적으로 적용할 수 있습니다.
투사형 디스플레이에 있어서 MEMS 광 소자나 부품으로 화면을 만드는데에는 0차원, 1차원, 그리고 2차원 구동 방식으로 구분하여 볼 수 있습니다. 예를 들어 빛의 3원색은 빨강(Red, R), 초록(Green, G), 파랑(Blue, B) 광원들로부터 나온 빛을 하나의 미러가 순차적으로 받아 스크린에 주사(scan)를 하면서 화면을 구성할 수 있죠. 이 경우 하나의 화소가 표현되는 시간이 매우 짧아서 밝기나 화면 크기에 제한이 있지만, 매우 작은 투사형 디스플레이를 구성할 수 있습니다. 반면에 RGB 각각에 대해 별도의 마이크로 미러 칩들이 대응을 하고, 각 화소마다 하나의 미러를 배치하는 2차원 미러 어래이 소자에서는 화면 크기와 밝기가 개선되는 장점과 함께 디스플레이 기기의 무개와 부피가 증가함을 감수하여야 하죠. 물론 이 둘의 절충안으로 미러들을 1차원, 즉 선형 어래이고 나열하고 한쪽 방향(가로 방향)으로의 주사를 통하여 화면을 만드는 방식도 있습니다.
이와 같이 MEMS 기술을 이용하여 정보 디스플레이를 구현할 수 있으며, 2009년도에 MEMS 디스플레이라는 제목으로 기술 전발을 소개한 리뷰 아티클에서는 현재 제품화가 완료되어 상용화가 진행 중이거나 상용화를 목표로 개발 중인 기술들을 다룬 바가 있죠. 이들을 나열하여 보면, DLP(Digital Light Processor)와 DMD(Digital Micro-mirror Device), DMS(Digital Micro Shutter), EWD(Electro-Wetting Display), GLV((Grating Light Valve), IMoD(Interferometric Modulator Display), LSD와 RSD(Laser/Raster Scanning Display, Retinar Scanning Display) 등을 꼽을 수 있습니다.
# 참고로 하고 있는 여러 자료의 도움에 감사를 표하며, 계속 업그레이드 됩니다.
# 의견과 조언, 수정과 요청은 늘 환영합니다. 댓글이나 전자메일로~ bkju@korea.ac.kr
# 저작자, 본 사이트를 반드시 표시, 비영리적으로만 사용할 수 있고, 내용 변경은 금지합니다.
'공부와 생각들 > 전자재료 소자' 카테고리의 다른 글
| 2-20) MEMS, 응용, 디스플레이 (2) | 2020.01.31 |
|---|---|
| 2-19) MEMS, 응용, 모바일 기기, 모션 트래킹 센서 (0) | 2020.01.31 |
| 쉬어가기) 그들의 작품들 (0) | 2020.01.31 |
| 2-17) MEMS, 공정, 여러 기술들, LIGA (0) | 2020.01.31 |
| 2-16) MEMS, 공정, 여러 기술들 (0) | 2020.01.31 |