고려대

1970년대에 이르러 실리콘 다이아프램을 이용한 압력 센서의 시제품이 출현하고, 실리콘의 결정 의존성 식각(ODE) 기술이 정립되면서부터 MEMS 기술 개발이 본격적으로 시작되었고, 이후로 30여 년이 지난 오늘날 MEMS 기술은 기술 및 실용적인 면에서 성공한 분야로서 자리매김을 하게 되었다.  MEMS 기술로 만들어지는 대표적인 부품 및 시스템으로서 압력센서와 관성센서류, 잉크 젯 헤드, 마이크로 미러를 이용한 프로젝터인 DLP, 그리고 무선통신용 부품 등을 손꼽을 수 있으며, 이들은 자동차, 가전, 그리고 통신 분야에서 필수불가결한 요소들이 되고 있다.  본고에서는 MEMS가 걸어온 길, 현재의 행로, 그리고 앞으로 나아가야 할 길에 관하여 최근 자료들과 함께 MEMS 연구자로서의 경험을 토대로 기술하고자 한다.

글: 주병권 교수 / bkju@korea.ac.kr
고려대학교 전기전자전파공학부
http://diana.korea.ac.kr

MEMS 기술의 특징과 발전 과정

'MEMS'라는 용어에서, 'M(Micro)'은 마이크론 스케일로 매우 작은 크기를 의미하고,'EM(Electro Mechanical)'은 전자와 기계적인 동작 영역을 말하며, 'S(System)'은 특정한 기능을 갖는 기구를 뜻한다.  아울러 MEMS 소자는 제조 공정면에서는 반도체 공정을 기반으로 한 일부 특수 공정, 저가격 일괄 생산을 특징으로 하고, 규격/성능면에서는 고성능, 저전력, 초소형을 특징으로 한다
.  이러한 특징들을 통하여, 센서를 비롯한 MEMS 소자들의 성능과 규격이 급속히 개선되어 왔으며 일례로, 수 mm 크기의 3축 가속도계와 각속도계 등을 들 수 있다.
MEMS의 역사를 살펴보면, 1950년대까지 거슬러 올라가는데, 1947년과 1958년에 각각 Bell Lab.과 Texas Instruments에서 트랜지스터와 집적회로가 발명된 이래로, 1954년에는 MEMS 동작기구로서 매우 중요한 압저항 효과가 발표되었고, 1960년대 중반에는 게이트로 기계적인 스위치 구조를 도입한 RGT에 관한 아이디어가 제시되었다.  1960년대 후반에는 MEMS 소자의 조립과 패키징의 핵심기술인 양극 접합(혹은 정전 열 접합) 공정이 발명되었으며, 1960년대 후반부터 1970년대 초반까지 HNA, EDP, 그리고 KOH (Potassium Hydroxide) 등과 같은 단결정 실리콘의 비등방성 식각, 즉, 결정 의존성 식각 용액을 이용한 공정들이 순차적으로 개발되어 왔다.
  1970년대 초반과 후반에 각각 Honeywell과 Motorola에서 실리콘 압력센서를 생산하기 시작하였고, 1980년대 초반에 K.Petersen이 MEMS의 시작을 알리는 유명한 기술분석 원고인 '기계적인 소재로서의 실리콘(Si as a mechanical material)'을 미국전기전자공학회지에 발표하여 잠재적인 MEMS 연구 개발자들을 자극하였다.
이후로, MEMS와 관련된 연구 개발은 더욱 가속화되기 시작하여 1980년대에는 다결정 실리콘빔 액튜에이터, 높은 종횡비를 갖는 3차원 구조물 제작을 위한 LIGA 공정, 열공압 밸브, SFB 공정 및 이를 이용한 압력센서, 다결정 실리콘 마이크로 모터와 빗살형 액튜에이터 등이 연이어서 발표되었다.  1990년대는 MEMS 기술의 실용화가 본격적으로 시작된 시기로서, Analog Devices의 가속도계, Texas Instruments의 DMD/DLP, 각속도계, 잉크젯 헤드, 그리고 RF 및 바이오 관련 MEMS 소자들이 시장을 점유하기 시작하였으며, 2000년대에 이르면서 기술과 시장의 팽창이 급속히 전개되고 있다.  이러한 MEMS 소자들에 대해 아이디어 도출에서 대량 생산까지의 기간을 살펴보면, 발명, 지술 진보, 가격 절감 및 응용도 확장, 생산 과정을 거치면서 대략 짧게는 10년, 길게는 30년 정도가 소요되는 것을 알 수 있다.
MEMS 주요 제품들을 대상으로 현재의 상태를 4단계 즉, 쇠퇴, 성숙, 개발, 등장으로 구분할 수 있다.  아직 쇠퇴기에 도달한 제품은 없으며, 잉크젯 헤드, RF 필터, 압력센서, 가속도계 등이 성숙 단계, 각속도계, 마이크로폰, 적외선센서, 공진기, 마이크로 디스플레이 등이 성장단계, 그리고 자동 초점용 줌, 에너지 하베스트, RF 스위치 등이 등장 단계에 위치하고 있다.

주요 MEMS 제품과 응용 일례

2008년을 기준으로 한 MEMS의 시장 규모는, 약 70억불에 이르나, 단지 수 종류의 소자만 대량 생산되고 있다.  가장 오래된 MEMS 소자는 압력센서로 년간 5억불 규모의 시장을 가지고 있으며, 그 가격과 크기가 감소하면서 응용도가 점점 확대되고 있다.  예를 들어 체내 주입형 주사바늘이나 스포츠 시계 내부에 압력센서를 내장하는 것도 가능하다.  역시 주요 MEMS 제품군중의 하나인 관성센서의 경우, 전통적으로 자동차가 주 응용 분야가 되어 왔으나, 최근에는 가속도계와 각속도계의 가격이 하락하면서 GPS와 게임기의 위치 센서, 디지털 카메라, 캠코더 등의 이미지 안정화용으로도 응용되고 있다.  아울러, 인간과 컴퓨터간의 UI로서도 활용이 기대되고 있다.
잉크젯 헤드는 가장 일반화된 MEMS 제품으로 잉크 카트리지에 탑재되어 수요를 예측하기 어려울 정도로 큰 시장을 형성하고 있으며, MEMS 광학 부품을 대표하는 DMD는 Texas Instruments에 의해 독점 공급되어 TV, 프로젝터, 그리고 디지털 영사기에 광범위하게 응용되는 중이다.  이와 함께 최근에는 Qualcomm에 의해 광의 간섭을 이용한 MEMS형 디스플레이인 Mirasol이 제품화되고 있다.  아울러, MEMS형 마이크로 폰은 휴대폰 시장의 증가와 더불어 시장을 확장하여 가고 있다.  이와 함께, RF 공진기와 스위치, LOC, 약물전달기(DDS), 광스위치, 마이크로분광계 등은 초기 시장을 형성하고 있거나 곧 제품화될 MEMS 제품이다.
2008년 4월에 Forbes지가 선정한 주요 MEMS 제품군에는 압력 및 관성(가속도, 각속도) 센서, 잉크젯 헤드, DLP, 통신 부품, 마이크로 폰 등이 포함되어 있다. 이들 주요 제품들에 대해 간단히 소개한다.

압력 및 관성센서
MEMS 기술이 적용된 마이크로 센서의 대부분은 기계량 센서에 집중되어 있으며, 이들 중에서도 대표적인 것이 압력센서와 관성센서(가속도 및 각속도센서)이다.  그 응용분야는 자동차, 영상기기, 그리고 가전 등 매우 다양하며, 이와 함께 소자의 성능, 크기도 급속히 발전하고 있다.  예를 들어 플라스틱 패키징된 3축 가속도계와 각속도계의 크기는 3~4mm 수준에 이르고 있다.
MEMS 기계량 센서의 대표적인 응용분야가 자동차로서, 압력센서, 가속도 및 각속도계, 마이크로 폰, 가스센서, 흐름센서, 실리콘 노즐 등이 장착되고 있으며, 특히, TPMS용 압력센서, 에어 백, 충돌 회피 등의 기능에 필요한 3축 가속도계 및 각속도계는 핵심 부품으로서 자리매김을 하고 있다.  압력 센서는 실리콘의 압저항 특성을 이용하는 압저항형과 평행판 커패시터의 전극간 거리 변화를 이용하는 용량형이 있으며, TPMS, 엔진 압력, 충돌 감지 등에 사용되며, 특히 노면 상태 등의 변화에 따른 타이어의 압력을 실시간으로 측정하여 조절하는 TPMS 기능의 필요성이 강조되고 있으며, 이는 자동차의 최적 주행과 안전성, 그리고 연비 절감을 위하여 중요한 역할을 한다. 관성 센서에 해당하는 가속도 및 각속도 센서는 자동차의 속도 변화, 충돌, 회전, 전복 등을 감지한다.  이들 센서는 움직이는 구조물을 평행판 커패시터의 한 쪽 전극으로 하여 동작하는데, 속도 변화에 따른 커패시터의 전극간 거리 변화나 겹쳐지는 전극 면적의 변화에 따라 정전 용량이 바뀌는 특성을 이용한다.

잉크젯 헤드
일반인들에게 가장 친숙한 MEMS 소자인 잉크젯 헤드는 1970년대 후반에 IBM과 HP에 의해 개발되기 시작하여 1990년대에 제품으로 출시되었다.  이는 저가 프린터에 사용되면서 신속히 성장하였으며, 초기의 개념, 설계가 큰 변화없이 유지되고 있다.  현재에도 교체 가능한 잉크 카트리지에는 미세 가공된 잉크 젯 헤드가 있으며, 이는 MEMS 시장에서 가장 큰 비중을 차지하는 제품 중의 하나이다.
잉크를 분사하기 위한 힘을 제공하는 원리로는 열공압형, 압전형, 정전형 등이 대표적이며, 삼성전자, Canon, Epson, HP, Kodak 등 각 회사들별로 고유의 기술을 보유하고 있다.  열공압형 잉크젯 헤드의 동작 과정은 4단계, 즉, 챔버 내에 채워진 잉크를 가열하는 응집 과정, 열에 의해 잉크 버블이 성장되는 과정, 잉크 증기가 외부로 토출되는 분사 과정, 그리고 흐름 채널을 통하여 챔버 내로 다시 잉크가 채워지는 충진 과정순으로 진행된다.
이를 위해 잉크젯 헤드는 잉크 저장소, 흐름 채널, 챔버, 노즐 등으로 구성되어 있다. 잉크젯 헤드의 응용 분야는 종래의 사무실용 인쇄기에서 벗어나 산업용으로도 상당한 확장을 이루고 있으며, 따라서 다수의 잉크 젯 헤드가 연결된 동시 다중 인쇄 기능이 요구되면서 수요가 급증하고 있다.  특히, 최근에는 프린팅 공정을 통한 유연 전자 소자 및 디스플레이 기술이 관심을 끌면서 이를 위한 핵심 공정으로서 잉크젯 프린팅이 주목을 받고 있다.

마이크로 미러 디스플레이
Texas Instruments의 DLP는 가장 혁신적이고 성공적인 MEMS 제품 중의 하나로서, 특히 미러를 이용한 MEMS 기술이 자리를 공고히 하는 데에 기반이 되었다.  DLP는 광원, 광학계, 칼라 필터, DMD, 그리고 투사 렌즈로 구성된다.  DMD는 SRAM 셀 어래이 위에 제작된 알루미늄 마이크로 미러 어래이이다.  각 SRAM 셀은 하나의 마이크로 미러와 대응되어 미러가 ±10。로 기울도록 어드레싱을 한다.  미러는 미러 구조물과 하부의 메모리 셀간의 정전력에 의해 움직이게 되며, 미러의 각도는 구조물이 변위를 제한함으로써 ±10。로 고정된다.
미러는 한 변이 16μm인 정사각형으로미러간 간격은 1μm 이내로 피치는 17μm이다. 이는 90 이상의 반사 비율(Fill factor)을 의미하며, 이는 DLP의 중요한 장점 중의 하나이다. 초소형 미러 어래이와 관련 구조물들은 실리콘의 표면미세가공 기술을 이용하여 제작되며, 미러 어래이의 규격은 용도에 따라 변화가 가능하다.
화면을 표시하는데 있어서, 한 개의 DMD 칩을 사용하는 경우와 세 개의 칩을 사용하는 경우가 있다.  한 개의 칩의 경우, 칼라 색상을 만들기 위해서는 R(빨강)-G(녹색)-B(파랑)로 이루어진 칼라 원반이 회전하면서 미러 움직임과 동기되어 색을 표시하게 되며, 세 개의 칩을 사용하는 경우에는 각각의 칩이 R(빨강), G(녹색), B(파랑)에 매칭되어 색을 표시한다.

금후 기대되는 MEMS 제품들
자동차용 센서류, 잉크젯 헤드, 그리고 미러 디스플레이 등의 뒤를 이어서 적지 않은 MEMS 제품들이 실용화 되고 있거나 준비 중이다(그림 12 참조).  이미 초기 시장을 형성하였거나, 곧 시장에 본격적으로 진입할 몇몇 MEMS 제품 후보군들로는 1) 가변 광 감쇄기(VOA)와 광 스위치를 포함한 광 MEMS 부품, 2) TV 게임용 센서, 마이크로 폰, 비냉각형 적외선 카메라, 로봇 센서, 미각 및 후각 센서와 같은 IT 기반 센서류, 3) RF 스위치, 마이크로 공진기, 높은 품질계수를 갖는 가변 커패시터 및 인덕터와 같은 RF MEMS 소자류, 4) AFM 캔틸레버, 원자나 분자 조작 기구와 같은 나노 부품, 5) DNA 분석칩, 마이크로 리액터, 의료 진단칩, 환경 모니터링 칩 등을 포함한 마이크로 유체 시스템, 5) 3차원 MEMS 구조물을 적용한 여러 제품군들 등을 생각해 볼 수 있다.

MEMS 산업 및 시장 동향

현재 활발한 성장이 기대되는 MEMS 산업과 관련 시장은 자동차 부문, 통신 부문, 건강 및 의료 부문, 가전 부문 등으로 구분할 수 있다.  자동차 부문에서는 압력센서와 관성센서, 그리고 유체제어용 밸브 등의 MEMS 소자가 활용되고 있으며, 통신 부문에서는 특히 고주파 관련 소자들이 RF MEMS 기술로 개발되고 있다.  건강 및 의료 부문에서는 물리 및 (생)화학적인 센서류, 인체 내장형 액튜에이터 등이 중심이 되고 있고, 가전 부문에서는 잉크 젯 헤드, 마이크로 폰, DMD 등 실용화된 MEMS 소자들의 적용이 활발하다.
MEMS 시장 규모는 소자 기준으로 2008년의 70억불에서 2020년에는 490억불, 응용 시스템 기준으로 2008년의 460억불에서 2020년에는 2000억불로 성장할 것으로 예측된다.  이와 함께 MEMS 장비 시장과 소재 시장도 각각, 1.5억불에서 17억불, 3억불에서 18억불로 증가할 것으로 보고 있다. 이러한 요인으로는 기존 시장의 확대와 함께, 새로운 MEMS 소자들의 등장과 응용 범위 확장 등을 들 수 있다.  2008년을 기준으로, 세계적으로 MEMS 관련 기업은 30여 개에 이르고 있다.

나노 기술과의 연계

MEMS 기술은 센서 연구자들의 욕구에서 시작되어 전자, 기계, 광, (생)화학, 통신 분야와의 기술적인 접목, 연계를 거치면서 꾸준히 발전하여 왔으며, 2000년대에 들어서면서 나노 기술과의 연계성이 강조되고 있다. 
나노 기술과의 연계에는 두 가지 접근법, 즉, Top-down 방식과 Bottom-up 방식이 있다.  Top-down 방법은 VLSI 기술의 연장선으로 반도체의 가공 기술을 더욱 미세화하여 치수를 줄여나가는 접근 방식이며, 이는 수 십 nm 수준에서 한계에 이를 가능성이 높다. 반면에 Bottom-up 방식은 원자나 분자 단위에서부터 출발하여 구조와 소자를 만들어가는 접근 방식으로, 이는 나노급 구조를 만들 수는 있으나 치수 조절이나 설계 자유도에서 제한이 있다.
이와 함께, 기존의 MEMS 플랫폼 위에 나노 물질을 형성하는 접근 방식도 유용하게 활용할 수 있는데, 특히 고감도-고기능 나노 화학, 생화학 센서를 제작하는데 유용하다.

맺음말

이상 MEMS 기술의 과거로부터 현재까지, 그리고 미래에 대한 예측까지 신뢰성 있는 참고자료들을 활용하여 기술해 보았다.  요약하여 보면, MEMS 기술은 1950년대에 태동하였다고 볼 수 있으며, 소자들별로 10년 ~ 30년의 연구, 개발, 사업화 기간을 거친 뒤에 제품으로서 생산되었다.  현재 주류를 형성하고 있는 MEMS 제품으로는 압력 및 관성(가속도, 각속도) 센서, 잉크젯 헤드, 그리고 마이크로 미러 디스플레이를 들 수 있으며, 금후 마이크로 폰, RF 부품, LOC와 DDS, 광스위치 등의 시장에 열릴 것으로 보고 있다.  MEMS 소자의 시장 규모는 2008년의 70억불에서, 2020년에는 약 500억불로 성장할 것으로 예측되며, 이와 관련된 응용 시스템, 제조 설비, 그리고 화학 약품 및 소재 등을 함께 고려하며, 시장 규모는 수 년내에 1,000억불을 상회할 것으로 보인다.  MEMS 기술의 다음 단계로 나노 기술과의 연계를 들 수 있는데, Top-down 방식과 Bottom-up 방식 모두가 장 단점을 지니고 있으며, 특히 MEMS 플랫폼 위에 나노 소재 및 소자를 연계 시키는 시도가 실용적인 면에서는 속도가 빠를 것으로 생각된다.

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약어표

ADXL: Analog Device Accelerometer
BJT: Bipolar Junction Transistor
CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor
DDS: Drug Delivery System
DLP: Digital Light Processor
DMD: Digital Micromirror Device
DNA: DeoxyriboNucleic Acid
DRIE: Deep Reactive Ion Etching
EDP: EthyleneDiamine Pyrocatechol (Water)
GC: Gas Chromatography
GPS: Global Positioning System
HNA: Hydrofluoric Nitric Acetic acid (HF: HNO3:CH3COOH)
IC: Integrated Circuit
IR: Infra Red
IT: Information Technology
LIGA: LIthographie, Galvanoformung, Abformung (독일어)
LOC: Lab-On-a-Chip
MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems
NEMS: Nano-Electro-Mechanical Systems
ODE: Orientation Dependent Etching
RF: Radio Frequency
RGT: Resonant Gate Transistor
SFB: Silicon Fusion Bonding
SRAM: Static Random Access Memory
TMAH: TetraMethylAmmonium Hydroxide
TPMS: Tire Pressure Measurement System
UI: User Interface
VOA: Variable Optical Attenuator

감사의 글: 본 연구는 2009년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(No 2009-0083126) 및 세계수준의 연구중심대학사업(R32-2008-000-10082-0)의 지원 하에 의해 수행되었습니다.

 

 

 
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