NEMS 이전의 MEMS는 스위치, 인덕터, 베렉터, 위상변조기, 필터등 다양한 역할로 다양한 분야에서 사용되었다.

NEMS는 이러한 MEMS의 역할을 충분히 해낼 뿐 아니라 훨씬 더 다양하게, 보다 더 우월한 성능으로 해낼 수 있다. 특히 크기가 작아 더욱 큰 안전성을 확보할 수 있는 의학 분야에서 그 이점이 탁월하다.

녹내장 치료를 위한 센서와 작동기서의 역할, 인공 코 속의 점막 센서 등은 NEMS 공진기의 이점을 매우 잘 살릴 수 있는 응용분야라 할 수 있다.

글: 황동훈, 진준언, 김대원, 사이드 파라즈 나잠, 이근수, 정신우, 황성우, 주병권
고려대학교 전기전자전파공학과 / http://ee.korea.ac.kr/

NEMS란?

Micro Electro-Mechanical System(이하 MEMS)란 기존의 반도체 미세가공기술을 이용하여, 웨이퍼 작동기(Actuator)와 같은 기계적인 기능을 부여하는 등의 기계적인 구성품을 생성함으로써 회로와 일체화된 소자를 만드는 기술을 의미한다.
 
현재 반도체 미세가공기술 등의 반도체 기술은 나노 단위 기술 방향으로 발전함에 따라서 MEMS도 자연히 나노 크기에서 개발되기 시작하였으며, 이런 마이크로 단위 아래의 기술을 별도로 지칭하여 Nano Electro-Mechanical System(이하 NEMS)로 분류하기 시작하였다.

크기의 차이가 있을 뿐 MEMS와 NEMS는 그 기본 개념이 동일하며, MEMS의 사업 분야에 NEMS를 포함하는 것이 일반적이다.

전기-기계 시스템(Electro-Mechanical System)은 기계적인 구성요소와 전기회로가 전기-기계 변환기(Electro-Mechanical Transducer)에 의해서 결합된 것이다.

위 시스템에서 변환기(Transducer), 센서(Sensor), 작동기(Actuator)의 개념이 나오는데, 이들은 혼용되어 자주 쓰이지만 엄밀히 구별하면 다음과 같이 구분할 수 있다. 변환기는 어떤 시스템에서 에너지를 받아 다른 시스템으로 전달하는 역할을 하며, 에너지를 전달하는 과정에서 에너지의 형태가 변환될 수도 있다.
 
센서는 시스템을 관할하는 역할을 하고 있는데, 열, 빛, 압력, 동작 등에 반응하여 이를 찾기 위한 전기적인 신호(Pulse)를 만들어 내는 역할을 한다. 작동기는 시스템에 어떠한 상태를 부여하는 것으로, 대개 전기적인 신호를 기계적 동작으로 변환시키는 기능을 갖는 것을 지칭한다. 즉 작동기와 센서는 둘 다 다른 목적에 사용되는 변환기라고 볼 수 있다.

전체적인 개략도는 <그림 1>과 같다. 입력 변환기(Input Transducer)는 입력 회로의 전기 신호를 받고, 기계적인 요소(Mechanical Element)에 기계적인 자극(Mechanical Stimuli)를 주는데 바로 이 과정을 작동(Actuation)이라고 지칭한다.

이후 출력 변환기(Output Transducer)에서 기계적인 요소에서 생성된 동작을 확인한 후, 출력 회로에서 이를 전기적인 신호로 변환하여 내보내게 된다. 이렇게 전기적인 영역과 기계적인 영역이 앞 뒤 로 서로 전환되면서 행해지는 이유는 이 방식이 기계적인 일을 조절할 수 있는 방법으로써 매우 효과적이기 때문이다.

현재 소자와 그 신호의 크기가 작아짐에 따라서 만들어지는 신호들이 잡음의 크기와 거의 비슷해지고 있고, 그 때문에 작동기와 검출 기술이 더욱 더 중요해지고 있다.

RF MEMS와 필요성

공진기에 대해 설명하기 앞서 짚고 넘어가야 할 개념이 있다. 여기서 설명할 공진기(Resonator)는 RF(Radio Frequency) MEMS 분야에 포함되는 것이다.

RF MEMS는 몇 개의 구분되는 소자로 구분되는데, 예를 들어, 각종 필터, RF 스위치, 중계기, 공진기, 가변용량 다이오드, 인덕터가 여기에 포함이 된다. 통신 시스템에서 각 소자들은 송신부나 수신부에서 필수적인 역할을 담당해 왔다.
 
고속 통신 및 원활한 무선 통신을 위해서는 위에서 말한 통신 부품들의 성능이 좋고, 소자의 개수 또한 일정 이상이 포함되어야만 한다.

또 무선 통신을 위해서는 경량화가 필수적으로 요구되는 사항인데, 위의 소자들은 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 반도체 기술로 치환될 수 없는 부품들이기 때문에 외부에 부착되어 사용될 수밖에 없었고, 이에 따라 제품의 크기가 무겁고 커지는 일이 발생하였다.

이를 해결하기 위해 작고 기계적인 작동을 하는 소자가 요구되게 되었는데, 이를 RF MEMS를 통하여 구현하였다. RF MEMS는 모든 무선통신 시스템 및 레이더, 위성통신, 군용 라디오 등 여러 분야에 응용이 가능하며 기존의 소자보다 저전력, 저손실, 높은 절연, 저가격의 특성을 가지고 있고, 특히 매우 작게 만들 수 있기 때문에 대부분의 무선기기들의 사용 목적인 휴대용 이동식 기기에 더욱 적합하여 현재 모든 무선 부품들이 RF MEMS로 대체되어 가고 있다.

<그림 2>는 1961년의 라디오와 현재의 라디오 크기를 비교한 것이다. 라디오가 한 손에 들어올 만큼 작아질 수 있었던 요인은 라디오의 필터 부품이 MEMS로 구현 가능하게 된 것이 가장 크다.

공진과 공진기(Resonator)

이제 본격적으로 공진기에 대해 알아보도록 하자. 공진기는 공진(Resonance)을 만들어 내거나 받는 역할을 하는 소자를 의미하는데, 정확한 의미로는 어떤 힘에 영향을 받은 물체가 그 물체의 고유한 진동으로 인해 공진을 겪는 물체를 '공진기'라고 부른다.

공진의 의미는 간단히 말하면 주파수 특성을 갖는 것으로, 외부에서 들어오는 진동이나 신호를 통해 어떤 특정 주파수의 진동이나 신호가 강해지는 것을 의미한다.

다시 말해, 외부에서 가해지는 진동 주파수가 그 물체가 가진 고유의 진동 주파수와 일치하는 것을 의미하여 이 때 의 주파수를 공진 주파수라고 한다. 공진의 종류에는 여러 가지가 있지만, 현재 우리 생활과 밀접하고 실생활에서 사용되는 공진의 종류를 찾는다면, 기계적 공진과 기계적 공진의 한 갈래인 음향적 공진, 전기적 공진, 광학적 공진이 대표적이다. 기계적인 공진은 물체가 다른 진동수보다 물체 각각이 고유하게 가지고 있는 특정 진동수에서 더 많은 에너지를 흡수하여 크게 흔들리는 운동을 취하는 현상이다. 이 경우 물체를 잘못 설계한다면, 조그마한 에너지에도 해당 물체가 크게 떨려서 파괴될 수가 있다. 건축(특히 다리)과 비행기는 이 부분에서 크게 신경을 써서 제작한다.

<그림 3>은 모두 이러한 공진 현상의 사례들이다. 기계적 공진의 사례로 많이 거론되는 사례로, 가벼운 바람이 다리와 공진하여 다리가 휘어져 무너져 버린 타코마 다리가 많이 거론되고 있으며, <그림 4-(a)> 는 이 타고마 다리의 사진이다. 음향적 공진은 사람 귀에 들리는 진동수의 범위 내에서 발생하는 기계적인 공진을 의미한다.

악기의 관점에서 보면 관악기의 경우 관을 이용한 공기의 공진을, 현악기의 경우 실제 줄의 공진을 이용하는데, 이 경우는 주파수의 반 파장 또는 1/4파장을 이용한 공진을 이용한다. 전기 회로의 경우 인덕터와 커패시터를 이용하여 둘이 가지는 상반된 허수 부분을 이용한 에너지 교환을 통하여 공진을 일으키는데, 이 경우를 전기적 공진이라고 부른다. 빛의 성질을 이용하여 거울을 일정 간격으로 배치한 후 빛의 반사를 통하여 빛을 증폭시켜서 레이저를 만들 수도 있는데, 이러한 레이저의 원리는 광학적으로 공진을 이용한 것이다.

NEMS 공진기 구조에서 사용하는 공진기는 기계적 공진을 이용한 것이 대부분이다.<그림 4>는 기계적 공진을 이용한 대표적 NEMS 구조물들이다. 물체가 휘는 특성을 이용한 캔틸레버(Cantilever), 빔(Beam), 막(Membrane) 형태와 물체가 비틀리거나 꼬이는 성질을 이용한 노(Paddle) 형태가 현재 가장 많이 쓰이고 있는 구조들이다.
 
이렇게 만들어진 구조물들은 높은 형태의 Q-Factor를 가질 수 있다. Q-Factor가 높을수록 주파수 선택적 특성이 강하게 나타나기 때문에, 대부분의 경우 높은 수치를 선호하게 된다. 이러한 형태를 이용하여 만들어진 NEMS 공진기는 송수 분파기(Duplexer), 필터(Filter), 발진기(Oscillator) 등에 응용되어 사용된다.

NEMS 공진기의 공정

먼저, NEMS 공진기의 제작을 위한 공정 과정을 알아보면 다음과 같다. 실리콘 나노선을 이용한 NEMS 공진 소자의 경우 대부분의 공정이 하향식 공정에 의하여 이루어진다. 상향식 공정의 경우 공진을 발생시키는 공중에 떠있는 빔(Beam) 구조의 구현이 어렵기 때문이다(물론 양단의 거리가 매우 좁고, 빔 구조의 두께가 충분히 두꺼워 진다면 가능하다.

하지만 이렇게 구현된 공진기의 경우 공진 특성이 좋지 않아 구현의 의미가 없다). 하향식 공정을 통해 공진기를 제작할 때 가장 많이 쓰이는 웨이퍼가 바로 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼이다. SOI 웨이퍼는 이름 그대로 절연체 위에 실리콘이 올려져 있는 웨이퍼이다.

좀 더 자세히 설명하자면 <그림 5>와 같이 표면과 기층부 사이에 절연층을 인위적으로 형성시켜 기층부로부터의 영향을 제거하고 절연체 위에 형성된 고순도 실리콘층의 가공, 효율 및 특성을 대폭 향상시킨 웨이퍼이다. 여기서 사용되는 절연층이 대부분 열 산화막이고, 이 절연층을 불산 등을 이용하여 식각(Etch) 과정을 거치면 공중에 떠 있는 형태의 빔 구조를 구현할 수 있다.

빔의 구조와 형태, 크기 등은 반도체 공정에 널리 사용되는 사진식각공정(Photolithography)과 전자빔 리소그래피(E-beam Lithography)를 통한 패터닝(Patterning) 과정을 통하여 결정되고 상향식 공정에서 사용되는 증착(Evaporate), 리프트 오프(Lift-Off)과정과는 다르게 적절한 물질을 이용한 식각과정을 통하여 형성된다.
 
이러한 과정을 통하여 SOI 웨이퍼 상층부의 실리콘 층이 실리콘 공진기의 빔 역할을 한다. 이 후 사진식각공정과 금속 증착 및 리프트오프 과정을 통하여 전극을 형성해주고 마지막으로 BOE(Buffered Oxide Etchant)나 불산 용액을 이용한 식각 과정을 통하여 공중에 뜬 빔 구조를 완성할 수 있다.

<그림 6>과 같은 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT) 혹은 실리콘 이외의 나노선(Nanowire)을 이용한 공진기의 경우 그 과정이 약간 다르다. SOI 웨이퍼를 이용한 소자 공정이 공중에 뜬 빔 구조를 형성하기에 가장 적합한 점은 동일하나, 빔을 형성하기 위해서 우선 사진식각공정과 리프트오프 과정을 통한 전극 형성 후, 정렬된 나노선, 탄소나노튜브의 합성이나 유전영동을 통한 정렬이 진행되어야 한다.

그 후의 과정은 이전과 동일하다. <그림 7>에 이와 같은 과정을 거쳐 완성된 구조물의 구조 및 실제 구조물을 전자현미경으로 찍은 사진이다.

이처럼 NEMS 공진 소자 제작의 주력 기술인 하향식 방법은 기존에 잘 정립된 CMOS 기술을 그대로 적용할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 공정 시 나노 구조체 및 반도체 층의 배열 및 정렬이 용이하기 때문에, 소자를 제작 하였을 때 균일성과 수율이 보장되므로 대량 생산이 가능하다. 결국, 하향식 방법으로 나노 크기의 구조물을 제작하기 위해서 가장 중요한 것이 사진식각 기술이다.
 
얼마나 작은 패턴을 얼마나 균일하게 만드느냐에 따라, 최종적으로 제작된 소자의 특성이 결정된다고 할 수 있다.

공진기의 작동 원리

이번엔 NEMS 공진기의 작동 원리에 대해 알아보자. NEMS 공진기는 크게 두 부분으로 나눌 수 있는데, 각각 작동(Actuation)부와 검출(Dectction)부라 부를 수 있다.

이 쯤 에서 NEMS 공진기의 기본 목적을 다시 생각해 보자. NEMS 공진기는 작동부를 이용하여 일정 주파수로 빔 또는 나노선(이후 빔으로 통일)이 흔들리게 하여 검출부로 이 흔들림을 감지한 후 작동부에 피드백의 원리를 이용하여 흔들림의 정보를 전달하고, 작동부는 피드백 되어온 신호에 따라 다시 주파수를 조정하는 과정을 반복한다.
 
이 과정에서 작동부의 주파수는 공진 주파수로 수렴되며, 이 공진 주파수를 검출하여 이용하는 것이 NEMS 공진기의 기본 목적이라 할 수 있다. 이후에 언급되겠지만, 예를 들자면 빔에 어떠한 입자가 붙어 빔의 무게가 변하게 된다면 이에 따라 공진 주파수 또한 달라질 것이며, 이를 이용하여 이 입자의 무게 또한 계산해 낼 수 있게 되는 것이다.

이번 단락에서는 작동부와 검출부의 작동 원리에 따른 유형 분류와 그에 대한 설명을 간단히 해 보도록 하겠다.

작동부(Actuator)

작동부는 NEMS 공진기가 실제 물리적으로 진동을 할 수 있도록 해 주는 부분으로, 횡 혹은 종의 한 방향으로 빔이 진동하도록 힘을 가해준다.

작동부의 원리에는 여러 가지가 있지만, 이 글에서는 가장 기본적인 세 가지 작동 원리인 기자력적 원리, 정전기적 원리, 열팽창적 원리에 대해 설명할 것이다.

기자력적 작동(Magnetomotive Actuation)

기자력적 작동 방식의 모티브는 로렌츠 힘(Lorentz Force) 에 의한 동작이다. <그림 8>은 기자력적 작동 방식을 설명하기 위한 그림이다. y 방향으로 강한 자기력 B를 걸어준 뒤 z 방향으로 놓여 진 빔에 전류 i(t)를 흐르게 한다면 x 방향으로 로렌츠 힘 f(t)가 발생하여 빔에 움직임을 가해주게 된다.

이 때, 전류 i(t)가 (+) z 방향일 경우 (-) x 축 방향으로 로렌츠 힘이 발생되며, i(t) 가 (-) z 방향일 경우 (+) x 축 방향으로 로렌츠 힘이 발생한다. 이제, 이 빔에 교류전류를 흘려주는 경우를 생각해 보자.

교류 전류이기 때문에 이 전류는 일정 주파수를 가지고 있을 것이고, 전류의 방향은 (+) z 방향과 (-) z 방향으로 이 주파수에 따라 변하게 된다.

로렌츠 힘 f(t)는 전류 i(t)에 의해 결정되는데, i(t)는 주기적으로 방향이 바뀌게 된다. 따라서 빔에 가해지는 힘 f(t) 또한 같은 주기를 가지고 방향이 변하게 되며, 힘 f(t)에 의한 변형 또한 같은 주기로 바뀐다. 결국, 이 빔은 전류 i(t)와 같은 주기를 가지고 진동하게 되는 것이다.

이 방법은 넓은 주파수 대역을 가질 수 있지만, 단점으로 매우 강력한 자기장을 필요로 한다는 점을 꼽을 수 있다.

정전기적 작동(Electrostatic Actuation)

서로 반대 극성의 전하는 서로 끌어당기는 인력을 가지며, 같은 극성의 전하는 서로 밀어내는 척력을 가진다는 것은 누구나 알고 있는 사실이다.

정전기적 작동 방식은 이 원리를 이용하여 빔을 진동시키는 방식으로, 축적된 전하를 이용하기 때문에 다른 말로 정전용량식(Capacitive) 작동 방법이라고도 한다. <그림 9>에서 확인할 수 있듯이, 정전기적 작동방식은 전계효과 트렌지스터(Field Effect Transistor, FET)의 구조를 가지고 있다.

이 구조에서 게이트(Gate)와 빔에 축적되는 전하에 따라 게이트와 빔 사이에 인력 혹은 척력이 발생하게 되며, 이 주기는 게이트에 연결된 교류 전압원의 주기에 의해 결정된다. 게이트에 축적되는 전하의 종류와 양은 이 교류 전압원에 의해 결정되기 때문이다. 이 과정에서 생긴 힘에 의해 빔이 진동하게 되며, 이 경우 진동의 방향은 게이트에서 빔으로의 방향에 평행이다.

이 방식의 단점으로, 기생 커패시턴스(Capacitance)의 영향을 들 수 있다. 구조상 게이트 커패시턴스가 자신의 수 배 이상의 크기를 가진 기생 커패시턴스와 평행하게 존재하게 되는데, 이것은 고주파 영역에서 작동 효율을 저하시키는 요인이 된다.

열팽창적 작동(Thermal Actuation)

열팽창적 작동 방식에서는 서로 다른 열팽창 계수를 가진 두 물질이 중층된 구조를 이용한다. 열팽창 계수가 다르기 때문에 같은 온도에서 두 물질의 팽창 길이가 달라지며, 이를 이용하여 빔에 열을 가하여 진동을 발생시키는 방식이다.

이 방식은 주파수 대역이 물질들이 가열되어 변형된 상태에서 식어서 평소의 상태로 돌아가는 시간인 열시간 상수(Thermal Time Constant) 에 의해 결정된다. 진동 주파수에 따른 주기가 열시간 상수보다 짧아지게 되면, 빔을 구성하는 물질이 가열되지 않았던 상태로 돌아갈 만한 충분한 시간을 갖지 못해 진동의 효율성이 떨어지게 되는 것이다.

일반적으로 사용되고 있는 열팽창적 작동 방식은 레이저 펄스를 이용하여 빔에 열을 가하는 방식과 복사열을 이용하여 빔에 열을 가하는 방식이다.

검출부(Detector)

검출부는 빔의 운동을 전기적 신호로 변환시켜 검출하는 부분이다. 검출 방식 또한 작동 방식처럼 여러 가지 방식이 있지만, 이 글에서는 기본적 방식들인 기자력적 검출, 광학적 검출, 정전용량식 변위 검출, 전자 터널링 검출, 페이저 저항 검출 방법 등을 알아 볼 것이다.

기자력적 검출(Magnetomotive Detection)

기자력적 검출의 원리는 기본적으로 기자력적 작동의 원리와 같으며, 그 검출 방법은 <그림 10> 과 같다. (+) y 방향으로 자기장 B를 걸어준 후 그와 수직한 z 방향으로 빔을 위치시킨다.
 
이 빔이 x 방향으로 움직이면 z 방향으로 전류가 흐른다. 운동 방향에 따라 전류의 방향 또한 바뀌기 때문에 진동 주파수와 동일한 주파수를 갖는 교류 전류가 빔에 흐르게 되고, 이를 검출하면 빔의 운동 주파수를 확인할 수 있다.

이 방식의 문제점은 전기적 작동 방식(기자력적 작동 혹은 정전기적 작동)과 함께 이용될 경우 발생하는 기생 커플링(Parasitic Coupling)에 있다.

이 커플링은 입력과 출력 사이에 발생하며, 작동부와 검출부의 독립성을 감소시킨다. 이를 해결하기 위해 반사 방법(Reflection Technique), 균형적 다리 방식(Balanced Bridge Technique) 등을 이용할 수 있다.

광학적 검출(Optical Techniques)

광학적 검출 방식은 그 안에서도 파브리-페로 간섭법(Fabry-Perot Interferometry)과 마이컬슨 간섭법(Michelson Interferometry)의 두 가지 방식으로 나누어진다. <그림 11-(a)> 는 파브리-페로 간섭법을 나타낸 그림이다. λ의 파장을 가진 빛이 반투명거울(Mirror, M)과 대물 렌즈(Objective Lens, OL)를 통과하여 빔과 기판에 집중되어 부딪힌다.
 
이 때 빔에 부딪혀 반사된 빛과 기판에 부딪혀 반사된 빛 사이에 경로차가 생기게 되는데, 이 경로차에 의해 두 반사된 빛들 사이에 간섭현상이 생기게 된다. 이렇게 간섭된 빛이 거울 M에 의해 반사되어 광 검출기(Photo Detector, PD)로 진행한다. 이 간섭현상으로 인해 생긴 세기 변화를 광 검출기에서 검출하여 전류 신호로 바꾸어 빔의 진동수를 확인할 수 있다.

마이컬슨 간섭법은 <그림 11-(b)> 에 표현되어 있으며, 이 간섭계는 반투명거울(Beam Splitter, BS), 기준 거울(Reference Mirror, RM), 그리고 광 검출기(Photo Detector, PD)로 구성된다. 빔의 변위를 측정하기 위한 빛은 반투명 거울을 통과하며 기준 거울을 향한 빛과 빔을 향한 빛으로 분리되게 된다.

빔을 향한 빛은 대물렌즈(Objective Lens, OL)를 통해 빔에 모아지고, 빔에서 반사된 빛은 같은 렌즈를 통과해 다시 반투명 거울로 돌아가게 된다. 이 때 기준 거울에 의해 반사된 빛과 간섭 작용을 하게 되며, 간섭된 빛이 광 검출기에서 검출된다.
 
결과적으로, 광 검출기에서 검출된 빛으로 인한 전기 신호로 빔의 변위를 확인할 수 있게 된다.

이 방법으로 인한 단점으로는 빛의 회절 현상이 발생한다는 점을 들 수 있다. 빔의 넓이가 빛의 파장 λ보다 짧아질 경우 회절현상이 발생하게 되어 소자의 크기 축소에 한계가 발생할 수 있게 된다.

정전용량식 변위 검출(Capacitive Displacement Detection)

이 방법은 축전기의 원리를 이용한다. <그림 12>를 참고하자. 고정된 게이트와 빔 사이의 정전용량 C(x)는 빔과 게이트 사이의 거리 x(t)에 의해 결정된다. C(x)에 의해 저장된 전하량에 따라 빔에 흐르는 전류 또는 빔의 전위가 달라지게 되므로, 이 전류 혹은 전압을 증폭기로 증폭하고 측정하여 변위 x(t)를 알 수 있다.

이 경우 기생 커패시턴스에 의해 측정 가능한 주파수의 범위가 제한되는데, 이를 해결하기 위해 임피던스 매칭 등의 방법을 쓸 수 있다.

전자 터널링(Electron Tunneling) 검출

이 방식은 이름에서 알 수 있듯이 전자의 터널링 현상을 이용한다. 그림 13과 같이 팁(Tip)을 빔의 위에 d의 거리를 가지도록 위치시킨다.

빔이 진동함에 따라 빔의 변위 x(t)가 변화하게 되고, 팁과 빔의 거리[ d - x(t) ] 또한 변화하게 된다. 이 팁을 이용해 터널링 전류를 측정하면 팁과 빔 사이의 거리를 확인할 수 있다.

이 방식의 단점에는 기술적 요인이 크게 작용한다. 터널링 접합의 임피던스와 기생 커패시턴스에 의한 RC 시간상수(RC Time Constant)로 인해 주파수에 제한이 생기기 때문이다.

페이저 레지스티브 검출(Piezoresistive Detection)

빔에 변위가 생김에 따라, 빔은 양 쪽의 전극 부분에 의해 고정되어 있는 상태이기 때문에 빔에 길이의 변화 또한 생길 수 밖 에 없다.

물질의 길이가 바뀌면 저항 또한 바뀌기 때문에 결과적으로 빔에 흐르는 전류 또한 변화하게 된다. 이 길이의 변화 뿐 아니라 부분적 압력의 변화도 있지만, 이 부분적 압력의 변화는 대부분 상쇄되어 길이의 변화에 의한 영향만 남는다.

따라서 빔에 흐르는 전류를 측정하면 빔의 길이 변화를 확인할 수 있으며, 계산 및 시뮬레이션에 의해 빔의 변위 또한 확인할 수 있게 되는 것이다.

MEMS의 시장 동향

<그림 15>에서 확인할 수 있듯이 MEMS 시장은 전 세계적으로 연간 약 17%씩 꾸준하게 성장해 오고 있고 앞으로도 이러한 성장이 지속될 것이라고 많은 전문가들이 예상을 하고 있다.
 
공진기가 포함되어있는 RF MEMS는 현재 MEMS 전체 시장에서 보았을 때 그 비중이 매우 낮다. 그러나 현재 매년 45%의 성장으로 가장 빠른 성장속도를 보이고 있으며, MEMS의 분야 중에서 아이폰(iPhone)과 같은 모바일 기기의 전 세계적인 판매 성장에 힘입어 계속해서 그 시장이 커지는 등 그 중요성이 점점 커질 것이라 여겨지고 있다.

<그림 16>의 그래프는 현재 시장에서 팔리고 있는 소자 별 시장 분석 그래프이다. 붉은색 상자 부분이 RF MEMS와 연관이 있는 부분이며, 대부분이 공진기 구조를 사용하고 있다는 것을 확인할 수 있다.

NEMS 공진기의 응용

마지막으로 현재 활발한 연구가 진행되고 있거나 진행될 거라 예상되는 NEMS 공진기의 몇 가지 응용분야에 대하여 살펴보며 NEMS 공진기의 발전 방향에 대해 말해 보고자 한다. 우선 NEMS 공진기의 경우 센서 분야에서 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

기존의 센서로는 불가능한 나노미터 크기의 장치를 만들면 물체를 나노크기로 조작하거나 아토그램의 질량을 측정하고 펨토뉴턴 크기의 힘을 감지하며 기가헤르츠 움직임을 알 수 있는 나노 도구와 같은 흥미로운 곳에 사용될 수 있다.

일반적으로 크기와 상관없이 전기-기계 시스템은 기계적 요소와 에너지 변환기의 두 가지 중요한 부품으로 구성된다. 기계적 요소들은 인가한 힘에 응답하여 장치를 편향시키거나 진동시키며, 이런 특성을 이용해서 기계적 요소들은 고정적이거나 시간 가변적인 힘을 감지하는데 사용될 수 있다.

MEMS, NEMS 장치는 기계적 에너지를 전기나 광학적 신호로 변화시키거나 거꾸로 변화시킨다. 더군다나 NEMS 장치는 아주 작은 질량과 높은 품질 계수를 가지고 있어 미세한 질량 감지에 새로운 잠재력을 제공할 수 있다.

NEMS 공진기의 경우 공진기의 빔은 자극을 받으면 특정한 주파수로 진동한다.

만약 원자나 분자가 부착되면 진동하는 빔의 질량은 증가하고 주파수는 감소하게 된다. 다시 말하면 나노 빔의 움직임 속도 감소에 부착된 원자나 분자가 직접적으로 관련된다. 이러한 과정을 통하여 NEMS 공진기는 매우 미세한 크기의 질량 감지에 사용될 수 있는 잠재력을 지녔다.

실제로 <그림 17-(a)>와 같이 탄소나노튜브를 이용한 NEMS 공진기를 통하여 원자 한 개 질량인 0.001 zg의 해상도를 얻기 위해 많은 연구가 진행되고 있다.

또한 NEMS 공진기는 빠른 공진을 이용한 자가 유지 발진기 회로에도 응용이 가능하다. 이는 <그림 17-(b)>에 나타나 있는데, 기본적으로 공진기는 외부 발진기로부터 나온 교류전압이 시스템에 정현파의 세기를 가진 힘을 인가하게 되고, 스프링의 위치 에너지와 질량의 운동에너지의 이동을 앞뒤로 야기한다.

그러나 모든 주기에서 작은 일부분의 에너지가 마찰이나 주위로의 열 복사 등에 의해 손실되게 된다. 따라서 이러한 손실을 보충해주기 위해 외부의 발진기가 필요하게 된다.

하지만 NEMS 공진기와 피드백 회로를 이용하여 DC 전원만 통하여 발진이 유지되는 자기 유지 발진기에 대한 연구가 진행되고 있다.

참고문헌

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[9] B. Lassagne, D. Garcia-Sanchez, A. Aguasca and A. Bachtold, "Ultrasensitive Mass Sensing with a Nanotube Electromechanical Resonator", Nano. Lett. 2008
[10] http://www.memc.com
[11] http://nano.caltech.edu
[12] H. B. Peng, C.W. Chang, S. Aloni, T. D. Yuzvinsky and A. Zettl, "Ultrahigh Frequency Nanotube Resonators", PRL 97 2006
[13] X. L. FENG, C. J. WHITE, A. HAJIMIRI AND M. L. ROUKES, Nature Nanotechnology 3, pp. 342-346 2008
[14] http://www.semi.org/                                    
[15] http://www.isuppli.com, MEMS Market Tracker 2010

감사의 글

본 연구는 2009년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(No2009-0083126) 및 세계수준의 연구중심대학사업(R32-2008-000-10082-0)의 지원 하에 의해 수행되었습니다.
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