2020년 11월 24일, 화, 광산업진흥회, MEMS 기술과 동향

강의 자료

 

2020-11-24 MEMS 기술의 개요, 최근 및 향후의 산업 동향-복사.pdf

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MEMS의 개요, 최근, 그리고 앞으로의 동향에 관하여

 

1. 정의와 역사

 

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 자작하기는 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, 알미늄 등에 충분한 경쟁력이 있다는 수치들을 제시합니다. 물론, 전자 소재로써의 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 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, 잉크 젯 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.

 

2. 특징과 장점

 

MEMS 기술을 이용한 구조물, 소자, 부품, 시스템 등은 주로 실리콘 반도체 공정, 즉, 집적 회로 공정과 미세 가공을 통하여 웨이퍼에 일괄 제작됩니다. 실로 다양한 특장점들이 존재하죠. 소자의 크기가 작고, 신호의 증폭, AD(Analog-to-Digital) 변환, 신호 처리 등을 할 수 있는 회로가 함께 집적화될 수 있으며, 아울러 서로 연관성이 있는 다양한 센서들이 하나의 칩에 동시에 만들어지기도 합니다. 단기적인 성능과 재현성은 물론 장기적인 내구성과 신뢰성이 높고(Performance), 가격은 낮아지고(Price), 소비 전력은 적게 들어가니(Power), 3P의 장점과 경쟁력을 지닌 것으로 표현됩니다.

 

반도체 공정으로 일괄 제작(batch fabrication)되는 소형화(miniaturization), 고성능화(high-performance), 그리고 저전력화(low power consumption)와 저가격화(low-cost)라는 장점은 모바일 기기 등에 엄청 큰 긍정적 효과를 제공하여 왔습니다. 예를 들어 1kg이 넘는 중량과 1,000cm^3에 가까운 부피, 30W가 넘은 소비 전력에 2만불의 가격을 상회하던 종래의 가공과 조립을 통하여 제작되던 관성 센서계가 지금은 10g과 10mm^3 이하로 줄어든 중량과 부피, 1mW의 소비 전력, 수십불 이하의 가격, 즉, 모든 부담들이 수천분 혹은 수만분의 1로 줄어들었습니다. 특히, 가속도계와 각속도계를 비롯하여 움직이는 구조물, 교정 중량(proof mass, seismic mass)을 사용하는 관성 센서류의 무게와 크기, 성능과 소비 전력, 신뢰성, 내구성, 가격 등을 실로 놀랄만한 발전을 이루었죠. 한가지 더 예를 들자면, 센서 모듈이나 시스템이 작아지면서 소요되는 샘플의 양과 감지 시간도 충분히 줄어들었습니다. 예를 들어 칩 위의 실험실(Lab.-On-a-Chip, LOC)로 대표되는 바이오 검사 기구의 개선 정도는 실로 눈부십니다.

 

3. 응용

 

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(transducer)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. 네비게이션, 자세 제어와 안전 운전, 궁극적으로는 자율 주행을 위한 모션 트래킹 센서(가속도, 각속도, 고도, 방위센서들), 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 체취나 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.

 

4. 전망 및 예측

 

최근 수년 동안에 이르러 MEMS 시장의 급격한 성장은 당연히 4차 산업 혁명의 도래, 이에 따른 인간의 '자유', 그 소중함의 가치에서 비롯됩니다. 모션 트래킹 기능의 발전으로 모바일 기기, 웨어러블, 드론, 무인 자동차, 비행 택시로의 기술과 응용의 진화는 충분히 상상할 수 있으며 따라서 가속도와 각속도로 대표되는 관성 센서, 고도와 방위 센서의 시장 확장은 명확하죠. 이에 더하여 야간 투시와 함께 모바일 기기나 자동차 등에 시각 기능을 더해주기 위한 센서들, 근접, 적외선 그리고 다양한 빛 센서류, 음성과 정보의 전달을 위한 마이크로 폰, 스피커, 그리고 통신 부품과 모듈, 이에 더하여 바이오, 건강, 의료, 환경, 그리고 스마트 홈과 빌딩, 스마트 생산, 스마트 에너지와 직결된 MEMS 센서와 액추에이터의 비중이 증가할 것임은 자명합니다.

 

 

참고 자료

 

blog.daum.net/jbkist/4274?category=855194

2-1) MEMS, 개요, 정의와 역사

 

blog.daum.net/jbkist/4275?category=855194

2-2) MEMS, 개요, 특징과 장점

 

blog.daum.net/jbkist/4276?category=855194

2-3) MEMS, 개요, 응용

 

blog.daum.net/jbkist/4277?category=855194

2-4) MEMS, 개요, 전망 및 예측