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MEMS

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목차

1. 개요

MEMS(Microelectromechanical Systems)는 미세 전자기계 시스템으로, 1960년대에 MOSFET의 변형인 공진 게이트 트랜지스터를 시작으로 발전했다. 증착, 패터닝, 에칭 공정을 통해 제작되며, 물리적 증착과 화학적 증착 방식이 사용된다. MEMS는 리소그래피, 다이아몬드 패터닝, 습식 및 건식 에칭 등의 기술을 활용하여 다양한 형태의 패턴을 형성한다. 주요 재료로는 실리콘, 고분자, 금속, 세라믹 등이 사용되며, 커패시터 방식과 옴 접촉 방식 MEMS 스위치가 존재한다. 자동차, 정보통신, 의료, 가전, 항공우주 등 다양한 산업 분야에 응용되며, BioMEMS는 생명 과학 분야에서 활용된다. MEMS 산업은 대기업, 중소기업, 연구소 등이 참여하는 구조를 가지며, 세계 시장 규모는 지속적으로 성장할 것으로 전망된다.

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MEMS
개요
유형아주 작은 장치
특징움직이는 구성 요소 통합
상세 정보
설명반도체 프로세스를 사용하여 만들어짐
예시기어 (왼쪽 아래), 진드기 (오른쪽 위)의 전자 현미경 사진
참고샌디아 국립 연구소 SUMMiTTM Technologies 제공 www.mems.sandia.gov
제조 공정 예시LIGA 프로세스에서 제조된 광 스위치
같이 보기
관련 항목스마트 그리드

2. 역사

MEMS의 초기 사례는 1965년 하비 C. 나탄슨과 로버트 A. 위크스트롬이 개발한 MOSFET의 변형인 공진 게이트 트랜지스터이다.[4] 1966년부터 1971년 사이에는 레이먼드 J. 윌핑거가 전기 기계적 모놀리식 공진기인 레조네스터를 개발하여 특허를 받았다.[5][6] 1970년대부터 1980년대 초까지는 물리적, 화학적, 생물학적, 환경적 매개변수를 측정하기 위한 여러 MOSFET 마이크로센서가 개발되었다.[7]

"MEMS"라는 용어는 1986년 S.C. 제이콥슨과 J.E. 우드가 DARPA에 제출한 "Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS)" 제안서를 통해 처음 소개되었다. 이 제안서는 유타 대학교에 승인되었으며, 1987년 IEEE 마이크로 로봇 및 텔레오퍼레이터 워크숍에서 S.C. 제이콥슨이 "Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS)"라는 제목으로 초청 강연을 하면서 널리 알려졌다.[8]

MEMS 제작은 반도체 소자 제조 공정 기술, 즉 재료층 증착, 광 식각에 의한 패턴 형성 및 원하는 모양을 만들기 위한 에칭에서 발전했다.[14]

; 재료


  • '''실리콘:''' 실리콘은 현대 산업에서 소비재 전자 제품에 사용되는 대부분의 집적 회로를 만드는 데 사용된다. 규모의 경제, 저렴하고 양질의 재료 가용성, 전자 기능 통합 능력은 실리콘을 다양한 MEMS 응용 분야에 매력적으로 만든다.
  • '''고분자:''' 결정질 실리콘은 생산하기 어렵고 상대적으로 비싸지만, 고분자는 다양한 재료 특성으로 대량 생산이 가능하다.
  • '''금속:''' 금속은 기계적 특성 면에서 실리콘의 장점을 일부 가지지 못하지만, 제한 내에서 사용하면 높은 신뢰성을 나타낼 수 있다.
  • '''세라믹:''' 질화물 실리콘, 알루미늄, 티타늄뿐만 아니라 탄화 규소 및 기타 세라믹은 유리한 재료 특성 조합으로 인해 MEMS 제작에 점점 더 많이 적용된다.


역사적으로 1951년 RCA사의 섀도 마스크 제작, 1963년 토요타 중앙 연구소의 반도체 압력 센서 발표, 1970년경 스탠퍼드 대학교의 가스 크로마토그래프 제작 등, 오래전부터 기계 구조를 반도체 제작 기술로 만드는 방법이 연구되었다.[40][41][42]

1987년 Transducers'87에서 발표된 마이크로 기어와 터빈은 미세 기계 구조에 대한 관심을 불러일으켰다. 이후 마이크로 모터, 빗살형 액추에이터 등의 발명으로 MEMS 기술은 더욱 주목받았다. 초기에는 움직이는 것에 중점을 두었지만, 최근에는 응용을 고려한 디바이스가 주류를 이루고 있다.

현재 MEMS 응용 시장 규모는 일본 국내에서만 수천억 엔에 달하며, 장래에는 수조 엔 규모가 될 것으로 예상된다.[44]

최근까지 반도체집적 회로 기술과 유사한 표면 마이크로머시닝이 주류였지만, ICP-RIE에 의한 깊이 에칭, 웨이퍼 접합, LIGA 프로세스 기술 등 MEMS 특유의 프로세스 기술 발전으로 벌크 마이크로머시닝이 주류가 되고 있다.

CMOS 회로 결합 디바이스는 CMOS 회로와의 프로세스 기술 적합성 때문에 표면 마이크로머시닝을 사용하는 경우가 많지만, SOI 웨이퍼를 사용한 벌크 마이크로머시닝과 CMOS 회로 결합 디바이스도 증가하고 있다.

2. 1. 초기 역사

1965년 하비 C. 나탄슨과 로버트 A. 위크스트롬은 MOSFET의 변형인 공진 게이트 트랜지스터를 개발하였다.[4] 1966년부터 1971년 사이에 레이먼드 J. 윌핑거는 전기 기계적 모놀리식 공진기인 레조네스터를 개발하여 특허를 받았다.[5][6] 1970년대부터 1980년대 초까지는 물리적, 화학적, 생물학적, 환경적 매개변수를 측정하기 위해 여러 MOSFET 마이크로센서가 개발되었다.[7]

1986년 S.C. 제이콥슨과 J.E. 우드는 DARPA에 "Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS)" 제안서를 제출하여 "MEMS"라는 용어를 처음 소개하였다. 1987년 IEEE 마이크로 로봇 및 텔레오퍼레이터 워크숍에서 S.C. 제이콥슨은 "Micro Electro-Mechanical Systems (MEMS)"라는 제목으로 초청 강연을 하였다.[8]

2. 2. 대한민국 MEMS 기술 발전

대한민국은 1990년대 초반부터 MEMS 기술 연구 개발을 시작하여, 현재는 세계적인 수준의 기술력을 보유하고 있다. 특히, 삼성전자, LG전자 등 대기업을 중심으로 MEMS 센서, 액추에이터 등 다양한 소자 개발 및 상용화가 활발하게 이루어지고 있다. 2000년대 이후, 정부 주도의 MEMS 기술 개발 지원 사업이 추진되면서, 중소/벤처 기업들의 MEMS 기술 개발 참여가 확대되었고, MEMS 산업 생태계가 조성되기 시작했다. 최근에는 4차 산업혁명 시대를 맞아, 인공지능, 사물 인터넷, 바이오/의료 등 첨단 기술과의 융합을 통한 MEMS 기술 고도화 및 응용 분야 확대가 이루어지고 있다.

3. MEMS의 기본적인 공정

MEMS 제작 공정은 크게 세 가지로 나뉜다.


  • 증착 (Deposition): 얇은 막(thin film)을 형성한다.
  • 패터닝 (Patterning): 재료에 특정 패턴을 전사하여 원하는 형상을 만든다.
  • 에칭 (Etching): 화학적 또는 물리적 방법으로 불필요한 부분을 제거한다.

3. 1. 증착 (Deposition)

증착은 MEMS 소자의 기반이 되는 얇은 막(thin film)을 형성하는 공정이다. MEMS 공정에서 박막 증착은 1um에서 100um 두께 범위에서 이루어지며, NEMS 공정에서는 수 나노미터에서 1um 범위에서 이루어진다. 증착에는 크게 물리적 증착(PVD)과 화학적 증착(CVD) 두 가지 방법이 있다.

  • 물리적 증착 (PVD): 자세한 내용은 하위 문단을 참고.
  • 화학적 증착 (CVD): 자세한 내용은 하위 문단을 참고.


산화물을 이용한 필름은 열산화 기술을 이용해 만들 수 있는데, 이는 웨이퍼(주로 실리콘 사용)를 산소나 증기에 노출시켜 이산화 규소 층을 형성하는 방식이다.


3. 1. 1. 물리적 증착 (Physical Vapor Deposition, PVD)

MEMS 제작의 기본 블록을 만드는 방법 중 하나인 물리적 증착(PVD)은 몇 나노미터에서 약 100 마이크로미터 사이의 물질에 얇은 막을 형성하는 기술이다. PVD는 증착될 물질(target)을 기반 물질 표면에 붙이는 과정을 포함한다.

PVD에는 스퍼터링과 진공 증착 두 가지 기술이 사용된다. 스퍼터링은 타겟에 이온 광선을 쏘아 원자를 떼어내어 자유롭게 움직이게 한 다음, 기반 물질에 붙이는 과정이다. 진공 증착은 진공 상태에서 타겟에 열이나 전자빔을 가하여 원자를 증발시켜 증착시키는 방법이다. 열을 사용하는 방식은 '열진공증착', 전자빔을 사용하는 방식은 'e-beam 증착'이라고 한다. 진공 증착은 타겟 물질마다 가해야 하는 에너지가 다양하다는 단점이 있어, 이를 보완하기 위해 스퍼터링 기법이 개발되었다.

3. 1. 2. 화학적 증착 (Chemical Vapor Deposition, CVD)

화학적 증착은 기체 상태의 화학 물질을 기판 표면에 반응시켜 얇은 막을 형성하는 방법이다. 이 방법은 저압 화학 기상 증착(LPCVD)과 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD) 등으로 더 세분화될 수 있다.[26]

텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments) DMD 칩

3. 2. 패터닝 (Patterning)

패터닝은 막에 원하는 형상을 구현하는 것으로, 재료에 특정 패턴을 전사하는 과정이다. MEMS 기술에서 리소그래피는 감광성 물질에 빛과 같은 방사선원을 선택적으로 노출시켜 패턴을 전사하는 방식으로 이루어진다. 감광성 물질은 방사선원에 노출되면 물리적 특성이 변하는데, 이러한 특성 변화의 차이를 이용하여 패턴을 형성한다.

노출된 영역은 이후 제거되거나 처리되어 기판에 마스크를 형성하는 데 사용된다. 포토 리소그래피는 금속 박막 증착, 습식 및 건식 에칭 등에 널리 사용되며, 때로는 에칭 후 처리 없이 구조를 직접 형성하는 데에도 활용된다. 예를 들어, SU8 기반 렌즈는 SU8 사각형 블록을 만들고 포토레지스트를 녹여 반구 형태의 렌즈를 만드는 방식으로 제작된다.

MEMS 패터닝에는 포토 리소그래피 외에도 전자빔 리소그래피, 집속 이온 빔 리소그래피, 이온 트랙 기술, X선 리소그래피 등 다양한 리소그래피 기술이 활용된다.

3. 2. 1. 리소그래피 (Lithography)

리소그래피는 빛, 전자빔, 이온 빔 등을 이용하여 감광액(Photoresist, PR)에 패턴을 형성하고, 이를 통해 기판에 패턴을 전사하는 공정이다. MEMS 제작 공정에서 리소그래피는 패턴을 빛과 같은 방사선 소스에 선택적으로 노출시켜 광감각적 물질로 바꾸어 주는 과정이다. 광감각적 물질은 방사성 소스에 노출되면 자신의 물리적 특성이 바뀌는 성질을 가진다. 노출 부위와 비노출 부위의 차이로 물질의 방사성 패턴은 노출된 물질로 전환된다.[16]

포토리소그래피는 마스크에 있는 기하학적 모형을 실리콘 웨이퍼에 새기는 과정이다. 이 기술은 금속이나 다른 얇은 필름의 증착 과정과 습식 에칭 및 건식 에칭에 쓰인다.

전자빔 리소그래피는 전자 빔을 스캔하여 필름에 패턴을 형성하고, 레지스트의 노출 또는 비노출 영역을 선택적으로 제거하는 기술이다.[16] 포토 리소그래피와 마찬가지로, 이 기술은 레지스트에 매우 작은 구조를 생성하여 에칭을 통해 기판 재료로 전사할 수 있도록 한다. 집적 회로 제조, 나노 기술 구조 제작, 포토마스크 제작, 반도체 부품 소량 생산 및 연구 개발에 사용된다. 전자빔 리소그래피의 주요 장점은 빛의 회절 한계를 극복하고 나노미터 범위의 피처를 만들 수 있다는 것이다. 그러나 처리량이 낮고, 빔 드리프트 또는 불안정에 취약하며, 재작업 또는 재설계에 대한 처리 시간이 길다는 단점이 있다.

집속 이온 빔 리소그래피는 매우 미세한 선을 그릴 수 있는 기능이 있지만, 쓰기 필드가 작아 넓은 영역의 패턴을 생성하기 어렵다.[17]

이온 트랙 기술은 방사선 저항성 광물, 유리 및 폴리머에 적용 가능하며, 해상도 한계가 약 8nm인 깊은 절단 도구이다. 박막에 구멍을 생성할 수 있고, 최대 104에 달하는 종횡비를 얻을 수 있다.

X선 리소그래피는 전자 산업에서 박막의 일부를 선택적으로 제거하는 데 사용되는 공정이다. X선을 사용하여 마스크에서 기하학적 패턴을 포토레지스트에 전사한다.

다이아몬드 패터닝은 다이아몬드 MEMS를 형성하는 방법이다. 실리콘과 같은 기판에 다이아몬드 필름을 리소그래피 방식으로 적용하여 구현된다.[18]

3. 2. 2. 다이아몬드 패터닝

다이아몬드 패터닝은 소자에 흠집을 입히지 않고 나노다이아몬드를 이용하여 표면에 패턴을 만들거나 새기는 새로운 광자 공법이다. 다이아몬드 MEMS 공법 중 하나로, 다이아몬드 필름을 실리콘 소자에 씌우는 등의 응용도 이루어지고 있다. 패턴은 이온 빔 밀링에 의한 마이크로머시닝 또는 이산화규소 마스크를 이용한 증착을 통해 새기는 형식이다.[18]

3. 3. 에칭 (Etching)

에칭은 화학적 또는 물리적 방법을 이용하여 불필요한 부분을 제거하여 원하는 형태를 만드는 공정이다. 에칭에는 크게 '''습식 에칭'''과 '''건식 에칭''' 두 가지 종류가 있다.[62][63][19][20] 습식 에칭은 화학 용액을 사용하고, 건식 에칭은 진공 상태에서 이온화된 가스(스퍼터링 등)나 반응성 이온을 사용한다.

3. 3. 1. 습식 에칭 (Wet Etching)

습식 에칭은 화학 용액을 사용하여 기판을 용해시켜 재료를 선택적으로 제거하는 방식이다.[62][63][19][20] 이 공정은 표적 재료의 에칭 속도가 마스크 재료보다 훨씬 빠르다는 것을 의미하는 우수한 선택성을 제공한다.

습식 에칭은 등방성 또는 이방성 에천트를 사용하여 수행할 수 있다. 등방성 에천트는 결정질 실리콘의 모든 방향에서 거의 같은 속도로 에칭한다. 반면, 이방성 에천트는 특정 결정 평면을 따라 더 빠르게 에칭하여 복잡한 3차원 미세 구조를 만들 수 있다. 습식 이방성 에천트는 종종 붕소 에치 스톱과 함께 사용되는데, 붕소로 심하게 도핑된 실리콘 표면은 습식 에천트에 강한 층을 형성한다. 이는 MEMS 압력 센서 제조 등에 사용되었다.

일부 단결정 재료는 기판의 결정학적 방향에 따라 서로 다른 에칭 속도를 가진다. 이를 이방성 에칭이라고 하며, 가장 일반적인 예는 수산화칼륨(KOH)에서 실리콘을 에칭하는 것이다. KOH 에칭에서 Si <111> 평면은 다른 평면(결정학적 배향)보다 약 100배 느리게 에칭된다. 따라서 (100)-Si 웨이퍼에 사각형 구멍을 에칭하면 등방성 에칭과 달리 54.7° 벽을 가진 피라미드 모양의 에치 핏이 생성된다.

플루오린화 수소(HF)는 일반적으로 실리콘 이산화물()에 대한 수성 에천트로 사용되며, 49% 농축 형태, 5:1, 10:1 또는 20:1 버퍼드 산화물 에칭(BOE)제 또는 BHF(버퍼드 HF)로 사용된다. 플루오린화 수소는 중세 시대부터 유리 에칭에 사용되었으며, IC 제조에서는 RIE로 대체되기 전까지 게이트 산화물을 패턴화하는 데 사용되었다. 플루오린화 수소는 클린룸에서 가장 위험한 산 중 하나로 간주된다.

실리콘의 도펀트 선택적 제거를 위한 전기화학 에칭(ECE)은 에칭을 자동화하고 선택적으로 제어하는 일반적인 방법이다. 활성 p-n 다이오드 접합이 필요하며, 두 가지 유형의 도펀트 중 하나가 에칭 저항성("에치 스톱") 재료가 될 수 있다. 붕소는 가장 일반적인 에치 스톱 도펀트이다. ECE는 습식 이방성 에칭과 결합하여 상용 피에조 저항형 실리콘 압력 센서에서 실리콘 다이어프램 두께를 제어하는 데 사용되었다.

3. 3. 2. 건식 에칭 (Dry Etching)

건식 에칭은 진공 상태에서 이온화된 가스를 대상물에 충돌시키는 방식인 스퍼터링 등을 이용해 원하는 부분을 녹이는 방식이다.[62][63] 반응성 이온 또는 기상 에칭제를 사용하여 재료를 스퍼터링하거나 용해시킨다.[19][20]

플루오린화 크세논(XeF₂)은 1995년 미국 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스에서 MEMS에 처음 적용된 실리콘에 대한 건식 기상 등방성 식각 기술이다.[21][22] XeF₂는 습식 식각제와 달리 스틱션이 없는 해제라는 장점이 있다. 실리콘에 대한 식각 선택성이 매우 높아 포토레지스트, SiO₂, 질화 규소 및 다양한 금속과 함께 마스킹할 수 있다. 실리콘에 대한 반응은 "플라스마리스"이며 순수한 화학 반응이고 자발적이며 종종 펄스 모드로 작동한다.

현대 VLSI 공정은 습식 식각 대신 플라즈마 식각을 사용한다. 플라즈마 식각기는 플라즈마의 매개변수를 조정하여 여러 모드로 작동할 수 있다. 일반 플라즈마 식각은 0.1~5 Torr 사이에서 작동한다. (진공 공학에서 일반적으로 사용되는 이 압력 단위는 약 133.3파스칼과 같다.) 플라즈마는 웨이퍼 표면에서 반응하는 중성적으로 전하를 띠는 고에너지 자유 라디칼을 생성한다. 중성 입자는 모든 각도에서 웨이퍼를 공격하기 때문에 이 공정은 등방성이다. 플라즈마 식각은 등방성일 수 있다. 즉, 패턴 표면에서 수직 식각 속도와 거의 동일한 측면 언더컷 속도를 나타내거나 이방성일 수 있다. 즉, 수직 식각 속도보다 작은 측면 언더컷 속도를 나타낼 수 있다. 이러한 이방성은 딥 반응성 이온 식각에서 최대화된다. 플라즈마의 소스 가스는 일반적으로 염소 또는 불소가 풍부한 작은 분자를 포함한다. 예를 들어, 사염화탄소(CCl₄)는 실리콘과 알루미늄을 식각하고, 트리플루오로메탄은 이산화 규소와 질화 규소를 식각한다. 산소를 포함하는 플라즈마는 포토레지스트를 산화("애싱")하고 제거를 용이하게 하는 데 사용한다.

이온 밀링 또는 스퍼터 식각은 더 낮은 압력(10−4 Torr (10 mPa)까지)을 사용한다. 이는 운동량을 전달하여 종종 Ar+인 고에너지 불활성 기체의 이온으로 웨이퍼를 폭격하여 기판에서 원자를 노크한다. 식각은 대략 한 방향에서 웨이퍼에 접근하는 이온에 의해 수행되기 때문에 이 공정은 고도로 이방성이다. 반면에 선택성은 좋지 않은 경향이 있다.

반응성 이온 식각(RIE)은 스퍼터 및 플라즈마 식각 사이의 중간 조건(10−3 ~ 10−1 Torr 사이)에서 작동한다. RIE에서 기판은 반응기 내부에 배치되고 여러 가스가 주입된다. 플라즈마는 RF 전원 소스를 사용하여 가스 혼합물에서 발생하며, 이로 인해 가스 분자가 이온으로 분해된다. 이온은 식각될 물질의 표면으로 가속되어 반응하여 다른 기체 물질을 형성한다. 이것은 반응성 이온 식각의 화학적 부분으로 알려져 있다. 또한 스퍼터링 증착 공정과 유사한 물리적 부분도 있다. 이온이 충분한 에너지를 가지고 있다면, 화학 반응 없이 식각될 물질에서 원자를 노크할 수 있다.

딥 반응성 이온 식각(DRIE)은 RIE의 특수한 하위 클래스이다. 이 공정에서는 수백 마이크로미터의 식각 깊이가 거의 수직 사이드월로 달성된다. 주요 기술은 독일 회사 로버트 보쉬(Robert Bosch)가 원래 특허를 출원한 이른바 "보쉬 공정"[24]을 기반으로 하며, 여기서 두 가지 다른 가스 조성이 반응기에서 번갈아 가며 사용된다. 현재 DRIE에는 두 가지 변형이 있는데, 첫 번째 변형은 세 가지 고유한 단계(원래 보쉬 공정)로 구성되는 반면, 두 번째 변형은 두 단계로만 구성된다.

첫 번째 변형에서 식각 주기는 다음과 같다.

  • (i) SF₆ 등방성 식각;
  • (ii) C₄F₈ 수동태화;
  • (iii) SF₆ 바닥 세정을 위한 이방성 식각.


두 번째 변형에서 단계 (i)와 (iii)이 결합된다.

두 변형 모두 유사하게 작동한다. C₄F₈은 기판 표면에 폴리머를 생성하고, 두 번째 가스 조성(SF₆ 및 O₂)은 기판을 식각한다. 폴리머는 식각의 물리적 부분에 의해 즉시 스퍼터링되지만 수평 표면에서만 스퍼터링되고 사이드월에서는 스퍼터링되지 않는다. 폴리머는 식각의 화학적 부분에서 매우 느리게 용해되기 때문에 사이드월에 축적되어 식각으로부터 보호한다. 그 결과 50 대 1의 식각 종횡비를 얻을 수 있다.

4. MEMS 제작을 위한 재료

MEMS 제작에는 다양한 재료가 사용되며, 각 재료는 고유한 특성을 지녀 특정 응용 분야에 적합하다. MEMS 제작은 기본적으로 반도체 제작 기술을 기반으로 한다. 즉, 물질층의 증착, 포토리소그래피를 통한 패터닝, 그리고 필요한 형태를 만들기 위한 에칭 등의 기술이 사용된다.[51]

2006년 MEMS 세계 시장 규모는 자동차 에어백 시스템, 디스플레이 시스템, 잉크젯 카트리지와 같은 제품을 포함하여 400억 달러였으며, 2011년에는 720억 달러에 이를 것으로 예측되었다.[39] MEMS 기술을 가진 회사는 다양한 규모로 존재하며, 대기업은 대량 생산의 저렴한 부품이나 패키지 솔루션을 전문으로 하고, 소규모 회사는 혁신적인 솔루션을 제공한다.

2006년 MEMS 장치 제조에 사용되는 재료 및 장비 시장은 전 세계적으로 10억 달러를 넘어섰다. 재료 수요는 기판, 포장 코팅, 화학 기계적 평탄화(CMP)의 사용 증가에 의해 주도된다.

실리콘은 MEMS 제작에 널리 사용되는 재료이며, 규모의 경제 덕분에 저렴하고 질 좋은 물질을 이용할 수 있다는 장점이 있다. 폴리머 또한 대량 생산이 가능하고 다양한 물질적 특성을 가지고 있어 MEMS 기기 제작에 활용된다. 금속 역시 MEMS 소자 제작에 사용될 수 있으며, 높은 신뢰도를 가진다. 세라믹 재료는 금속 원소와 산소, 탄소, 질소 등의 결합으로 만들어지며, MEMS 제작에 점차 많이 이용되고 있다.

4. 1. 실리콘 (Silicon)

실리콘은 현재 산업의 가전 제품에 사용되는 집적회로 제작에 쓰이는 물질이다. 규모의 경제 덕분에 이미 저렴하고 질 좋은 물질을 이용할 수 있으며, 전기적 기능성을 통합하는 능력이 있어 MEMS 적용 분야를 다양하게 넓혔다.

실리콘은 물질적 특성 덕분에 상당한 이점을 가진다. 단일 수정 구조 안에서 실리콘은 거의 완벽한 후크의 법칙을 만족한다. 이는 휘어질 때 사실상 이력효과가 없고 결과적으로 에너지 손실이 거의 없다는 것을 의미한다. 이러한 특징은 고도로 반복 가능한 움직임 뿐만 아니라 물질에 대한 피로가 거의 없고 10억에서 1조 회의 수명을 가지게 하므로 운용 가능하다.[51]

4. 2. 폴리머 (Polymer)

폴리머는 대량 생산이 가능하고 다양한 물질적 특성을 가지고 있어, MEMS 기기 제작에 활용된다. 수정 실리콘은 복잡하고 비싼 물질인 반면, 폴리머는 사출 성형, 임보싱, 광조형법 등의 공정 과정을 통해 제작될 수 있다. 이는 일회용 혈액 검사 카트리지 같은 미세유체공학(microfluidics)에의 적용에 매우 적합하다.[51]

4. 3. 금속 (Metal)

금속은 MEMS 소자를 만드는 데 사용될 수 있다. 금속은 실리콘처럼 기계적 특성 관점에서 드러나는 이점은 없지만, 한계 내에서 사용될 때 신뢰도가 매우 높다. 금속은 전기도금, 증착, 스퍼터링 공정을 통해 증착될 수 있다. 일반적으로 사용되는 금속에는 금, 니켈, 알루미늄, 구리, 크롬, 티타늄, 텅스텐, 백금, 은 등이 있다.[51]

4. 4. 세라믹 (Ceramic)

세라믹 소재는 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 등과 같은 금속 원소가 산소, 탄소, 질소 등과 결합하여 만든 산화물, 탄화물, 질화물로 이루어진다. 실리콘, 알루미늄, 티타늄의 질화물들은 물질적 특성들의 조합이 용이하여 MEMS 제작에 점차 많이 이용되고 있다. 질화알루미늄(AlN)은 우르짜이트구조로 결정되며, 파이로전기와 전단력(shear force)에 대한 센서의 민감도를 높이는 압전기적 특성을 보인다.[52] 반면 질화티타늄(TiN)은 높은 전기 전도도와 큰 탄성 계수를 가져서 얇은 막을 이용한 정전기 MEMS 구동 방식 구현을 가능하게 한다.[53] 또한, TiN은 생물 부식에 대한 저항성이 높아 생체유전자적 환경과 생체 센서에 적용될 수 있다.

5. MEMS의 종류

MEMS 스위치 기술에는 크게 커패시터 방식과 옴 접촉 방식 두 가지가 있다. 커패시티브 MEMS 스위치는 움직이는 판이나 감지 소자를 사용하여 커패시턴스를 변화시킨다.[10] 옴 접촉 방식 MEMS 스위치는 정전기적으로 제어되는 캔틸레버에 의해 제어된다.[11] 옴 MEMS 스위치는 MEMS 액추에이터(캔틸레버)의 금속 피로 및 접촉 마모로 인해 고장날 수 있다.[12]

5. 1. 커패시터 방식 MEMS

커패시티브 MEMS 스위치는 움직이는 판이나 감지 소자를 사용하여 커패시턴스를 변화시킨다.[10]

5. 2. 옴 접촉 방식 MEMS

옴 접촉 방식 MEMS 스위치는 정전기적으로 제어되는 캔틸레버에 의해 제어된다.[11] 이러한 스위치는 MEMS 액추에이터(캔틸레버)의 금속 피로 및 접촉 마모로 인해 고장날 수 있는데, 이는 캔틸레버가 시간이 지남에 따라 변형될 수 있기 때문이다.[12]

6. MEMS의 응용 분야

MEMS는 다양한 산업 분야에서 핵심 기술로 활용되고 있다. 몇 가지 예를 들면 다음과 같다.


  • 잉크젯 프린터: 잉크젯 프린터는 압전 또는 열 기포 방출을 이용하여 종이에 잉크를 분사한다.[54][55] 1997년 휴렛팩커드는 MEMS 기술을 적용한 최초의 상용 잉크젯 프린터 카트리지를 출시했다.[56]
  • 휴대용 기기: 휴대폰, 헤드셋, 노트북과 같은 휴대용 기기에는 MEMS 마이크로폰이 사용된다.[57] 스마트 마이크 시장에는 스마트폰, 웨어러블 기기, 스마트 홈, 자동차 애플리케이션 등이 포함된다.
  • 실시간 시계: 실시간 시계에는 온도 보정 정밀 공진기가 사용된다.[58]
  • 광 스캐너 (갈바노미터)
  • 원자 간력 현미경(AFM)용 캔틸레버
  • 유로 모듈
  • 디지털 마이크로 미러 디바이스(DMD)
  • HDD 헤드
  • DNA 칩
  • 광 스위치
  • 볼로미터형 적외선 영상 소자
  • 파장 가변 레이저 (공진기를 가변장화)
  • [http://www.es.com/products/displays/ESLaser/glv.asp 광 변조기]


연구 단계에 있거나 앞으로 응용이 기대되는 분야는 다음과 같다.

6. 1. 자동차 산업

자동차 산업에서 MEMS 기술은 다양한 방면으로 활용되고 있다. 대표적인 예로 에어백의 작동을 감지하는 가속도 센서가 있다.[59] 이 가속도계는 차량 충돌 시 발생하는 급격한 속도 변화를 감지하여 에어백을 적절한 시점에 작동시킨다.

또한, MEMS 기술은 전자식 안정성 제어(ESC) 시스템에도 사용된다.[59] ESC는 차량의 미끄러짐을 감지하고 각 바퀴의 제동력을 독립적으로 제어하여 차량의 안정성을 유지하는 장치이다.

최근에는 원격 조종 또는 자율 헬리콥터, 항공기, 드론 등에 사용되는 MEMS 자이로스코프가 롤, 피치, 요의 비행 특성을 자동으로 감지하고 균형을 잡는 데 사용되고 있다. 이러한 장치에 MEMS 자기장 센서(자력계)를 통합하여 방향성 동작을 제공하기도 한다. 또한, 최신 자동차의 MEMS 관성 내비게이션 시스템(INS)은 항공기, 잠수함 및 기타 차량의 요, 피치 및 롤을 감지하는 데 활용된다.[59]

6. 2. 정보통신 산업

MEMS 기술은 정보통신 산업에서 다양한 기기에 활용되고 있다. 스마트폰, 태블릿 PC, 웨어러블 기기 등에서 MEMS 가속도 센서, 자이로 센서, 마이크로폰 등이 사용된다.[57]

  • MEMS 가속도계: 원격 조종 또는 자율 헬리콥터, 항공기, 드론 등에 사용되는 MEMS 자이로스코프는 롤, 피치, 요의 비행 특성을 자동으로 감지하고 균형을 잡는 데 사용된다.
  • MEMS 자기장 센서(자력계): MEMS 가속도계와 함께 사용되어 방향성 동작을 제공한다.
  • MEMS 관성 내비게이션 시스템(INS): 최신 자동차, 항공기, 잠수함 및 기타 차량의 요, 피치 및 롤을 감지한다.[59] (예: 항공기의 오토파일럿)

6. 3. 의료 산업

MEMS 기술은 의료 산업에서 다양한 분야에 활용되고 있다. 주요 응용 사례는 다음과 같다.

  • 압력 센서: 혈압 측정에 사용되는 MEMS 압력 센서가 개발되어 있다.
  • DNA 칩: DNA 분석을 위한 칩 제작에 MEMS 기술이 활용된다.
  • 약물 전달 시스템: MEMS 기술은 정밀한 약물 전달 시스템 개발에 기여하고 있다.

6. 4. 가전 산업

잉크젯 프린터는 압전 또는 열 기포 방출을 사용하여 종이에 잉크를 도포한다.[54][55] 1997년에 MEMS 기술을 사용한 최초의 상용 제품은 휴렛팩커드에서 제조한 잉크젯 프린터 카트리지였다.[56] 디지털 마이크로 미러 디바이스(DMD)는 프로젝터에 사용되는 MEMS 장치이다.

6. 5. 항공우주 산업


  • 관성 측정 단위(IMU):
  • ** MEMS-가속도계: 원격 조종 또는 자율 헬리콥터, 항공기, 멀티로터(드론)에 사용되는 MEMS 자이로스코프는 롤, 피치, 요의 비행 특성을 자동으로 감지하고 균형을 잡는 데 사용된다.
  • ** MEMS 자기장 센서(자력계): 방향성 동작을 제공한다.
  • ** MEMS-관성 내비게이션 시스템(INS): 최신 자동차, 항공기, 잠수함 및 기타 차량의 요, 피치 및 롤(예: 항공기의 오토파일럿)을 감지한다.[59]
  • 마이크로 스러스터

6. 6. 기타


  • 광 스캐너 (갈바노미터)
  • 마이크로 밸브
  • 마이크로유로
  • 마이크로 슬러스터
  • 마이크로 칼로리미터

7. BioMEMS

BioMEMS는 MEMS(미세 전자기계 시스템) 중에서도 특히 생명 과학 분야에서 사용되는 것을 말한다. 2000년 이후, MEMS는 스마트폰 등에 내장되는 가속도 센서나 자이로 센서 등으로 실용화되었으며, 생명 과학 분야에서 새로운 활로를 넓혀가고 있어 유망한 분야로 예상된다[45]。 기존의 고정식 분석 장치가 BioMEMS에 의해 소형화되면 웨어러블화도 가능해지므로, 만성 질환 환자의 삶의 질(QOL) 향상이 기대된다[46][47]。

7. 1. 응용 분야

MEMS 기술은 다양한 분야에 응용된다. 특히 의료 분야에서 활발하게 활용되는데, 혈액 검사 칩, DNA 분석 칩, 항체 검사 칩 등이 대표적이다. 또한, 약물 전달 시스템, 능동형 카테터 등에도 MEMS 기술이 적용된다.

8. MEMS 소프트웨어

MEMS는 미세 구조물이므로, 해석을 수행할 때 범용 시뮬레이션 소프트웨어로는 미세 구조에 따른 특유의 현상을 고려하지 않아 정확한 해석을 수행할 수 없다. 최근에는 PC의 성능도 향상되어 범용 시뮬레이션으로도 해석이 가능하다고 소개되고 있지만, 정전기 장치 및 시스템 해석과 같은 종합적인 MEMS 설계를 고려하면 범용 소프트웨어보다 전문 소프트웨어에 우위가 있다.
전문 소프트웨어

참조

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