MEMS 기술의 특징과 발전 과정 ‘MEMS’라는용어에서, ‘M(Micro)’은마이크론스케 일로 매우 작은 크기를 의미하 고, ‘EM(Electro Mechanical)’ 은 전자와 기계적인 동작 영 역을 말하며, ‘S(System)’은 특정한 기능을 갖는 기구를 뜻한다. 아울러 MEMS 소자 는 제조 공정면에서는 반도 체 공정을 기반으로 한 일부 특수 공정, 저가격 일괄 생산 을 특징으로 하고, 규격/성능 면에서는 고성능, 저전력, 초소형을 특징으로 한다( 그림 1 참조). 이러한 특징들을 통하여, 센서를 비롯 한 MEMS 소자들의 성능과 규격이 급속히 개선되어 왔으며 일례로, 수 mm 크기의 3축 가속도계와 각 속도계 등을 들 수 있다. 1970년대에 이르러 실리콘 다이아프램을 이용한 압력 센서의 시제품이 출현하고, 실리콘의 결정 의존성 식각(ODE) 기술이 정립되면 서부터 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 젯헤 드, 마이크로 미러를 이용한 프로젝터인 DLP, 그리고 무선통신용 부품 등을 손꼽을 수 있으며, 이들은 자동차, 가전, 그리고 통신 분 야에서 필수불가결한 요소들이 되고 있다. 본고에서는 MEMS가 걸어온 길, 현재의 행로, 그리고 앞으로 나아가야 할 길에 관하여 최 근 자료들과 함께 MEMS 연구자로서의 경험을 토대로 기술하고자 한다. 글: 주병권 교수 / [email protected]고려대학교 전기전자전파공학부 http://diana.korea.ac.kr 054 MEMS 기술의 실용화와 발전 전망 Technology Focus / MEMSⅠ 그림 1. MEMS의 특징 및 관성센서류의 고성능/초소형화(Bosch, 2006년)
Transcript
MEMS 기술의 특징과
발전과정
‘MEMS’라는 용어에서,
‘M(Micro)’은 마이크론 스케
일로매우작은크기를의미하
고,‘EM(Electro Mechanical)’
은 전자와 기계적인 동작
역을 말하며, ‘S(System)’은
특정한 기능을 갖는 기구를
뜻한다. 아울러MEMS 소자
는 제조 공정면에서는 반도
체 공정을 기반으로 한 일부
특수 공정, 저가격 일괄 생산
을 특징으로 하고, 규격/성능
면에서는 고성능, 저전력, 초소형을 특징으로 한다(그림 1 참조). 이러한 특징들을 통하여, 센서를 비롯
한 MEMS 소자들의 성능과 규격이 급속히 개선되어 왔으며 일례로, 수 mm 크기의 3축 가속도계와 각
속도계등을들수있다.
1970년 에이르러실리콘다이아프램을이용한압력센서의시제품이출현하고, 실리콘의결정의존성식각(ODE) 기술이정립되면
그림 2. MEMS의 발전 역사와 주요 부품들의 생산 과정(Roger Grace Associates, 2007년)
Commercialization of Selected MEMS Devices
2008년을 기준으로 한 MEMS의 시장 규모는, 약 70억불에
이르나, 단지 수 종류의 소자만 량 생산되고 있다(그림 4 참
조). 가장 오래된 MEMS 소자는 압력센서로 년간 5억불 규모
의 시장을 가지고 있으며, 그 가격과 크기가 감소하면서 응용도
가 점점 확 되고 있다. 예를 들어 체
내 주입형 주사바늘이나 스포츠 시계
내부에 압력센서를 내장하는 것도 가능
하다. 역시주요MEMS 제품군중의하
나인 관성센서의 경우, 전통적으로 자
동차가 주응용 분야가되어왔으나, 최
근에는 가속도계와 각속도계의 가격이
하락하면서 GPS와 게임기의 위치 센
서, 디지털 카메라, 캠코더 등의 이미지
안정화용으로도응용되고있다. 아울러, 인간과컴퓨터간의UI
로서도활용이기 되고있다.
잉크젯 헤드는 가장 일반화된 MEMS 제품으로 잉크 카트리
지에 탑재되어 수요를 예측하기 어려울 정도로 큰 시장을 형성
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그림 3. MEMS 제품들의 현재 상태(Yole Development, 2009년 6월)
그림 4. 기존 및 향후의 MEMS 주요 제품군(Practial MEMS Book, 2009년 2월)
하고 있으며, MEMS 광학 부품
을 표하는 DMD는 Texas
Instruments에 의해 독점 공급
되어 TV, 프로젝터, 그리고 디
지털 사기에 광범위하게 응용
되는 중이다. 이와 함께 최근에
는 Qualcomm에 의해 광의 간
섭을 이용한 MEMS형 디스플
레이인 Mirasol이 제품화되고
있다. 아울러, MEMS형마이크
로 폰은 휴 폰 시장의 증가와
더불어 시장을 확장하여 가고
있다. 이와 함께, RF 공진기와
스위치, LOC, 약물전달기
(DDS), 광스위치, 마이크로분광
계 등은 초기 시장을 형성하고
있거나 곧 제품화될 MEMS 제
품이다.
2008년 4월에 Forbes지가 선정한 주요 MEMS 제품군에는
압력 및 관성(가속도, 각속도) 센서, 잉크젯 헤드, DLP, 통신 부
품, 마이크로폰등이포함되어있다(그림 5참조). 이들주요제
품들에 해간단히소개한다.
압력및관성센서
MEMS 기술이 적용된 마이크로
센서의 부분은 기계량 센서에 집
중되어 있으며, 이들 중에서도 표
적인 것이 압력센서와 관성센서(가
속도 및 각속도센서)이다. 그 응용
분야는자동차, 상기기, 그리고가
전 등 매우 다양하며, 이와 함께 소
자의 성능, 크기도 급속히 발전하고
있다(그림 6 참조). 예를 들어 플라
스틱 패키징된 3축 가속도계와 각속
도계의 크기는 3~4mm 수준에 이
르고있다.
MEMS 기계량 센서의 표적인
응용분야가 자동차로서, 압력센서,
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MEMS 기술의 실용화와 발전 전망
그림 5. 주요 MEMS 관련 제품들(Forbes, 2008년 4월)
그림 6. 동작 측정용 MEMS 센서의 응용도 확장과 발전(STMicroelectronics, 2009년 7월)
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 핵
심 부품으로서 자리매김을 하고 있다(그림 7 참조). 압력 센서
는 실리콘의 압저항 특성을 이용하는 압저항형과 평행판 커패
시터의 전극간 거리 변화를 이용하는 용량형이 있으며, TPMS,
엔진 압력, 충돌감지등에사용되며, 특히노면상태등의 변화
에따른타이어의압력을실시간으로측정하여조절하는TPMS
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 구조물
을평행판커패시터의한쪽전극으로하여동작하는데, 속도변
화에 따른 커패시터의 전극간 거리 변화나 겹쳐지는 전극 면적
의변화에따라정전용량이바뀌는특성을이용한다.
잉크젯헤드
일반인들에게 가장 친숙한 MEMS 소자인 잉크젯 헤드는
1970년 후반에IBM과HP에의해개발되기시작하여1990년
에 제품으로 출시되었다. 이는 저가 프린터에 사용되면서 신
속히 성장하 으며, 초기의 개념, 설계가 큰 변화없이 유지되고
있다. 현재에도교체가능한잉크카트리지에는미세가공된잉
크 젯 헤드가 있으며, 이는 MEMS 시장에서 가장 큰 비중을 차
지하는제품중의하나이다.
잉크를 분사하기 위한 힘을 제공하는 원리로는 열공압형, 압
전형, 정전형 등이 표적이며, 삼성전자, Canon, Epson, HP,
Kodak 등 각 회사들별로 고유의 기술을 보유하고 있다. 열공
압형 잉크젯 헤드의 동작 과정은 4단계, 즉, 챔버 내에 채워진
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그림 7. MEMS 센서의 자동차 응용(Rochester Institute of Technology, SesnsoNor, Bosch, 2009년)
잉크를가열하는응집과정, 열에의해잉크버블이성장되는과
정, 잉크 증기가 외부로 토출되는 분사 과정, 그리고 흐름 채널
을통하여챔버내로다시잉크가채워지는충진과정순으로진
행된다(그림8참조).
이를위해잉크젯헤드는잉크저장소, 흐름채널, 챔버, 노즐
등으로구성되어있다(그림 9참조). 잉크젯헤드의응용분야는
종래의 사무실용 인쇄기에서 벗어나 산업용으로도 상당한 확장
을 이루고 있으며, 따라서 다수의 잉크 젯 헤드가 연결된 동시
다중 인쇄 기능이 요구되면서 수요가 급증하고 있다. 특히, 최
근에는프린팅공정을통한유연전자소자및디스플레이기술
이 관심을 끌면서 이를 위한 핵심 공정으로서 잉크젯 프린팅이
주목을받고있다.
마이크로미러디스플레이
Texas Instruments의 DLP는 가장 혁신적이고 성공적인
MEMS 제품 중의 하나로서, 특히 미러를 이용한 MEMS 기술
이자리를공고히하는데에기반이되었다. DLP는광원, 광학
계, 칼라 필터, DMD, 그리고 투사 렌즈로 구성된다(그림 10참
조). DMD는SRAM 셀어래이위에제작된알루미늄마이크로
미러 어래이이다. 각 SRAM 셀은 하나의 마이크로 미러와
응되어 미러가 ±10。로 기울도록 어드레싱을 한다. 미러는 미
러 구조물과 하부의 메모리 셀간의 정전력에 의해 움직이게 되
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MEMS 기술의 실용화와 발전 전망
그림 8. 잉크젯 헤드의 동작 과정(Yole Development, 2007년 7월)
그림 9. 잉크젯 헤드의 구조(Yole Development, 2007년 7월)
며, 미러의 각도는 구조물이 변위를 제한함으로써 ±10。로 고정
된다.
미러는 한 변이 16μm인 정사각형으로미러간 간격은 1μm 이
내로피치는17μm이다. 이는90% 이상의반사비율(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(그림 11 참조). 한 개의 칩의 경
우, 칼라 색상을 만들기 위해서는 R(빨강)-
G(녹색)-B(파랑)로 이루어진 칼라 원반이 회
전하면서 미러 움직임과 동기되어 색을 표시
하게 되며, 세 개의 칩을 사용하는 경우에는
각각의칩이R(빨강), G(녹색), B(파랑)에매칭
되어색을표시한다.
금후기 되는MEMS 제품들
자동차용센서류, 잉크젯헤드, 그리고미러
디스플레이 등의 뒤를 이어서 적지 않은
MEMS 제품들이 실용화 되고 있거나 준비 중
이다(그림 12참조). 이미초기시장을형성하
거나, 곧 시장에 본격적으로 진입할 몇몇
MEMS 제품 후보군들로는 1) 가변 광 감쇄기
(VOA)와광스위치를포함한광MEMS 부품, 2) TV 게임용센
서, 마이크로 폰, 비냉각형 적외선 카메라, 로봇 센서, 미각 및
후각센서와같은IT 기반센서류, 3) RF 스위치, 마이크로공진
기, 높은 품질계수를 갖는 가변 커패시터 및 인덕터와 같은 RF
MEMS 소자류, 4) AFM 캔틸레버, 원자나분자조작기구와같
은 나노 부품, 5) DNA 분석칩, 마이크로 리액터, 의료 진단칩,
환경 모니터링 칩 등을 포함한 마이크로 유체 시스템, 5) 3차원
MEMS 구조물을적용한여러제품군들등을생각해볼수있다.
MEMS 산업및시장동향
현재 활발한 성장이 기 되는 MEMS 산업
과 관련 시장은 자동차 부문, 통신 부문, 건강
및 의료 부문, 가전 부문 등으로 구분할 수 있
다(그림 13참조). 자동차 부문에서는 압력센
서와 관성센서, 그리고 유체제어용 밸브 등의
MEMS 소자가 활용되고 있으며, 통신 부문에
서는 특히 고주파 관련 소자들이 RF MEMS
기술로 개발되고 있다. 건강 및 의료 부문에
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그림 10. DMD의 동작 원리 및 구조(Texas Instruments, 2008년 5월)
그림 11. DLP 시스템의 동작 원리(Texas Instruments, 2008년 5월)
서는 물리 및 (생)화
학적인 센서류, 인
체내장형액튜에이
터 등이 중심이 되
고 있고, 가전 부문
에서는 잉크 젯 헤
드, 마이크로 폰,
DMD 등 실용화된
MEMS 소자들의
적용이활발하다.
MEMS 시장 규
모는소자기준으로
2008년의 70억불
에서 2020년에는
490억불, 응용 시
스 템 기 준 으 로
2008년의 460억불
에서 2020년에는
2000억불로 성장
할 것으로 예측된
다(그림 14 참조).
이와 함께 MEMS
장비 시장과 소재
시장도 각각, 1.5억
불에서 17억불, 3억
불에서 18억불로 증
가할것으로보고있
다. 이러한요인으로
는기존시장의확
와 함께, 새로운
MEMS 소자들의등
장과응용범위확장
등을 들 수 있다.
2008년을기준으로,
세계적으로 MEMS
관련 기업은 30여
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MEMS 기술의 실용화와 발전 전망
그림 13. MEMS 유망 산업 부문(Oce Technologies, 2006월 11월)
그림 12. 실용화가 진행 중인 차세 MEMS 제품 후보들: 시계 방향으로 자율적인 데이터 취득용 마이크로시스템, 동맥 내 혈압/혈류 측정-전송용 능동 스텐트, 손목 시계형 마이크로 가스분석계, 신경계와의 전기적인 연결을 위한 피하주입장치(Micromachine Summit, 2009년 5월)
개에 이르고 있다(그림
15 참조).
나노기술과의연계
MEMS 기술은 센
서 연구자들의 욕구에
서 시작되어 전자, 기
계, 광, (생)화학, 통신
분야와의 기술적인 접
목, 연계를 거치면서
꾸준히 발전하여 왔으
며, 2000년 에 들어
서면서 나노 기술과의
연계성이 강조되고 있
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그림 14. MEMS 공급 체인 및 시장 규모 예측(Yole Development, 2009년)
그림 15. MEMS 관련 상위 30개 업체(iSupply, 2008년 9월)
다(그림 16참조).
나노 기술과의 연계에는 두 가지 접근법, 즉, Top-down 방
식과 Bottom-up 방식이 있다. Top-down 방법은 VLSI 기술
의 연장선으로 반도체의 가공 기술을 더욱 미세화하여 치수를
줄여나가는 접근 방식이며, 이는 수 십 nm 수준에서 한계에 이
를 가능성이 높다. 반면에 Bottom-up 방식은 원자나 분자 단
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MEMS 기술의 실용화와 발전 전망
그림 16. MEMS 기술의 발전과 연계 구도(J.Semicon.Tech.Sci. 2007년 9월)
위에서부터 출발하여 구조와 소자를 만들어가는 접근 방식으
로, 이는 나노급 구조를 만들 수는 있으나 치수 조절이나 설계
자유도에서제한이있다.
이와함께, 기존의MEMS 플랫폼위에나노물질을형성하는
접근 방식도 유용하게 활용할수있는데, 특히고감도-고기능나
노화학, 생화학센서를제작하는데유용하다.
맺음말
이상 MEMS 기술의 과거로부터 현재까지, 그리고 미래에
한 예측까지 신뢰성 있는 참고자료들을 활용하여 기술해 보았
다. 요약하여 보면, MEMS 기술은 1950년 에 태동하 다고
볼수있으며, 소자들별로10년~ 30년의연구, 개발, 사업화기
간을 거친 뒤에 제품으로서 생산되었다. 현재 주류를 형성하고
있는MEMS 제품으로는압력및관성(가속도, 각속도) 센서, 잉
크젯 헤드, 그리고 마이크로 미러 디스플레이를 들 수 있으며,
금후 마이크로 폰, RF 부품, LOC와 DDS, 광스위치 등의 시장
에 열릴 것으로 보고 있다. MEMS 소자의 시장 규모는 2008
년의70억불에서, 2020년에는약500억불로성장할것으로예
측되며, 이와관련된응용시스템, 제조설비, 그리고화학약품
및소재등을함께고려하며, 시장규모는수년내에1,000억불
을상회할것으로보인다. MEMS 기술의다음단계로나노 기
술과의 연계를 들 수 있는데, Top-down 방식과 Bottom-up
방식 모두가 장 단점을 지니고 있으며, 특히 MEMS 플랫폼 위
에 나노소재및소자를연계시키는시도가실용적인면에서는
속도가빠를것으로생각된다.
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