NEMS(NanoElectroMechanical System, 나노전기기계시스템)는 나노스케일, 즉 100나노미터 이하에서 전기적·기계적 기능을 통합하는 소자입니다.
보통 1~100나노미터 크기 구성요소를 다루는 MEMS(마이크로전기기계시스템) 다음 단계의 고도화된 미세화 기술입니다.
NEMS는 여러 매력적 특성을 가집니다. 마이크로파 대역 기본 주파수 접근, 아토뉴턴(attonewton) 수준 힘 감도, 욕토칼로리(yoctocalorie) 훨씬 미만 열용량, 펨토그램(femtogram) 범위 활성 질량, 개별 분자 수준 질량 감도 등 열거가 끝이 없습니다.
NEMS는 주로 액추에이터, 센서, 공진기, 빔, 센서, 모터 같은 장치들을 포함합니다. 이 구성요소들은 한 에너지 형태를 다른 형태로 변환하며, 이는 쉽게 측정되고 활용될 수 있습니다.
최초 NEMS는 1960년 벨연구소(Bell Labs)의 다원 카웅(Dawon Kahng)과 모하메드 M. 아탈라(Mohamed M. Atalla)가 만들었습니다. 게이트 산화막 두께 100nm인 MOSFET(금속-산화막-반도체 전계효과 트랜지스터)였습니다.
2년 후 두께 10nm 금박을 포함한 나노레이어 베이스 금속-반도체 접합 트랜지스터 제작 성공. 그러나 게이트 산화막 10nm MOSFET은 1987년에야 나왔습니다.
바디(B), 소스(S), 게이트(G), 드레인(D) 단자를 보여주는 MOSFET 그림.
1989년 멀티게이트 MOSFET 발명으로 인텔, IBM, AMD, 삼성전자 등 여러 기업이 더 작은 마이크로프로세서와 메모리 셀 제작 가능해졌습니다.
VLSI(초대규모 집적) 공정으로 수백만 MOS 트랜지스터를 단일 칩에 결합 가능해졌습니다. 이 집적회로는 1970년대 널리 채택돼 복잡한 반도체와 통신 기술 개발을 가능케 했습니다.
CPU, GPU, RAM, ROM, 기타 글루 로직 모두 VLSI 소자입니다. VLSI 공정 발명 전 대부분 집적회로는 제한된 작업만 수행 가능했습니다.
100만 개 이상 트랜지스터 탑재 80486 마이크로프로세서 (1990년대)
MOSFET은 현대 전자공학 기본 구성요소로 간주됩니다. 1960년대 이후 집적회로 트랜지스터 밀도 증가, 성능 향상, 전력 소비 감소에 주요 책임.
MOSFET은 역사상 가장 많이 제조된 소자 중 하나이기도 합니다. 2018년 기준 약 13자(13 sextillion, 13천조) 개 MOSFET이 제조됐습니다.
NEMS는 두 가지 상호보완적 접근법으로 제작 가능합니다.
전자빔 또는 광학 빔 리소그래피, 열처리 등 기존 마이크로 제조 기법으로 소자 제작. 결과 구조물에 대한 제어력 높지만, 사용 기법 해상도에 의해 제한됩니다.
이 방식에서 시작 재료는 실리콘 결정 같은 상대적으로 큰 구조물. 일반적으로 식각된 반도체 층이나 금속 박막으로 나노로드, 나노와이어, 패턴 나노구조 같은 NEMS 소자 제작.
경우에 따라 큰 재료를 나노미터 규모로 분쇄해 표면적-부피 비율 높여 나노물질 반응성 향상. 흑연을 아크로(arc oven)에서 써서 탄소나노튜브 제조하는 과정이 전형적 탑다운 방식 예.
분자 화학적 특성 이용해 원하는 입체 구조로 분자 조직·조립. 분자 인식(분자 간 특정 상호작용) 또는 분자 자기조립(외부 지시 없이) 개념에 의존.
제조 공정 제어력은 제한되지만, 탑다운 방식 대비 재료 낭비 훨씬 적으면서 훨씬 더 작은 구조물 제작 가능.
바텀업 방식은 자연에서도 발견됩니다. 예: 생물 시스템이 생명에 필요한 세포 구조 생성 위해 화학적 힘 활용. 연구자들은 자연의 이 모방해 특정 원자 클러스터가 유용한 구조로 자기조립하게 만들려 시도.
금속 촉매 중합 기술로 탄소나노튜브 제조하는 것이 좋은 예.
가장 널리 쓰이는 실리콘 기반 유기 고분자. 이 실리콘 엘라스토머는 독특한 특성으로 유명. 열적 안정성, 화학적 비반응성, 기계적 구성 가능성, 광학적 투명성, 일반적으로 무독성, 비반응성, 난연성.
실리콘과 밀착 봉합 가능해 NEMS에 통합돼 전기적·기계적 특성 모두 구성 가능. 폴리디메틸실록산 접착력은 다양한 습도 환경에서 더 잘 작동하고 실리콘 대비 낮은 마찰 계수 가짐.
낮은 마찰 계수와 소수성 덕분에 NEMS 연구 내 포함하기 완벽한 재료. 시간 효율적 저렴한 제조로 NEMS 기술서도 주목받고 있습니다.
연구에 따르면 적절한 패키징과 양호한 에이징 안정성으로 빛, 열, 방사선에서 폴리디메틸실록산 분해 속도 늦출 수 있음.
단일벽 탄소나노튜브 주사터널링현미경 사진 | 출처: NIST
탄소 동소체, 특히 그래핀과 탄소나노튜브가 NEMS 기술에 널리 쓰입니다. 특성이 NEMS 요구사항 직접 충족. 예: 탄소 동소체 반도체·금속 전도도로 트랜지스터 동작 가능.
탄소 동소체 기계적 장점 외에도 그래핀과 탄소나노튜브 전기적 특성으로 NEMS 여러 구성요소 활용 가능. 그래핀과 탄소나노튜브 물리적 강도가 높은 응력 요구 충족. 따라서 NEMS 기술 개발에 주로 사용.
그래핀 NEMS는 질량·힘 센서로 동작 가능, 탄소나노튜브 NEMS는 나노모터(피코뉴턴 단위 힘 생성), 스위치, 고주파 발진기 등에 널리 활용.
암 퇴치 나노로봇 일러스트
미오신(근수축 담당) 같은 생물학적 기계는 세포 내 발견되는 가장 복잡한 거대분자 기계로, 보통 다중 단백질 복합체 형태.
일부는 에너지 생산, 일부는 유전자 발현 담당. 나노의학에서 결정적 역할 가능. 예: 종양 세포 탐지·파괴용.
분자 나노기술은 생물학적 기계 엔지니어링 가능성 탐구하는 나노테크 신흥 분야. 원자 단위 물질 재배열 가능. 바이오NEMS는 생물의학/로봇 응용 위한 생물학적·합성 구조 요소(나노스케일 크기) 포함. 예: 나노로봇 몸속 주입해 감염 식별·수리.
나노로봇, 분자 조립기 등 바이오NEMS 제안 요소들은 현재 능력 훨씬 넘어섰지만, 여러 연구가 미래 응용 위한 유망 결과 도출.
NEMS는 현재 마이크로스케일 기술로 불가능한 방식으로 생명과학과 공학 융합하는 이네이블링 기술 역할. 다양한 산업에 중대 영향:
가장 널리 쓰이는 반도체 소자는 MOSFET. 전체 트랜지스터 99.9% 차지. CPU나 DRAM 소자 트랜지스터 게이트 길이 고려 시 집적회로 임계 길이 스케일 이미 50나노미터 이하. 최근 실리콘 MOSFET은 핀 펫(FinFET) 기반으로 10nm, 7nm 공정 이용.
나노시트, 나노파이버, 나노튜브, 나노와이어, 나노로드 같은 나노물질이 자동차 분야 여러 이점 제공. 예: 나노 첨가제로 타이어 수명 대폭 향상, 내마모성, 구름저항, 젖은 노면 접지력 개선. NEMS는 미래 수소차 연료전지 성능 개선 열쇠.
독특한 기계적 특성(고공진 주파수, 고주파 튜닝 가능) 덕분에 NEMS 공진기, 그래핀 공진기 포함, 미래 초고속 통신 시스템 유망 기반 제공. 다만 이 분야 개발 다수는 현재 이론 모델, 시뮬레이션, 실험실 실험 단계에 머물러 있음.
압전 NEMS 공진기용 그래핀 전극 | 이미지 출처: 노스이스턴 대학
NEMS 센서가 환자 데이터(수분 레벨, 포도당 레벨, 다양한 단백질·이온 존재) 탐지·모니터링. 인간 알부민부터 베타-2-마이크로글로불린까지 특정 단백질 식별하도록 구성 가능. 모니터링 외에 크기 다른 세포 분리해 마이크로플루이딕 시스템 막힘 방지.
나노기술은 리튬이온 배터리 수명과 성능 증가 큰 약속. 전력 밀도 향상, 충전 시간 단축, 무게·크기 감소하면서 안정성·안전성 개선 잠재력도.
나노스케일 전기화학 소자(갈바닉 또는 연료전지 등) 이용 에너지 생산 연구 진행 중. 생체 내 혈당에서 전력 끌어오는 바이오-나노 발전기(음식에서 에너지 얻는 몸과 같은 방식).
또한 기존 평면 실리콘 태양전지보다 더 효율적이고 저렴한 태양전지 개발 목표로 나노와이어 등 여러 나노구조 재료 연구 중.
현재 NEMS 소자 시장은 초기 단계. 나노집게, 나노공진기, 자이로스코프, 나노센서, 나노로봇, 나노집게, 기타 미세 구성요소로 세분화.
향후 견고한 성장 예상. NEMS 이점(고공진 주파수, 저에너지 소비, 단일 칩 다중 주파수, 집적회로 크기·비용 절감) 덕분.
참고: MEMS(마이크로전기기계시스템)란? 유형 및 응용
나노물질과 나노기술 분야 연구개발 진행 중. 보고서에 따르면 글로벌 NEMS 시장 연평균 29% 성장해 2022년 1억 888만 달러(약 1,400억 원) 도달 전망, 북미 시장 주도.
MEMS(마이크로전기기계시스템)는 크기 1μm~100μm 범위 구성요소로 구성. MEMS 소자는 보통 중앙처리장치(마이크로프로세서 등)와 주변과 상호작용하는 다중 구성요소(마이크로센서 등) 포함.
반면 NEMS(나노전기기계시스템)는 MEMS 다음 논리적 미세화 단계. 1~100nm 나노스케일에서 기계적·전기적 기능 통합.
NEMS는 전신 MEMS와 크게 다른 독특하고 흥미로운 특성 가집니다. 예:
나노센서는 나노튜브, 나노와이어 같은 1차원 나노물질로 만듭니다.
이 미세 소자들은 부피, 농도, 온도, 압력, 전기·자기력 같은 물리적 특성 측정. 가장 일반적인 나노센서 판독값은 기계적, 진동, 광학, 전자기적.
산업기술
오버몰딩이란? 오버몰딩은 두 가지 이상의 서로 다른 열가소성 수지로 단일 제품을 생산하는 멀티샷 사출 성형 공정입니다. 첫 번째 샷을 서브스트레이트(substrate)라고 하며, 일반적으로 사용되는 두 소재 중 더 딱딱한 소재로 후속 샷(오버몰드)을 수용하도록 설계됩니다. 오버몰드에는 다양한 열가소성 수지를 사용할 수 있지만, 보통 서브스트레이트보다 더 부드럽고 유연합니다. 오버몰드 소재는 착색제, 발포제 및 기타 첨가제와 혼합하여 완료 시 원하는 효과를 얻을 수 있습니다. 오버몰딩은 조립 라인에서 2차 작업으로 두 개 이상의 부품
폴리프로필렌은 다른 복합체와 쉽게 결합할 수 있는 열가소성 폴리머 수지입니다. 이 소재는 특히 사출 성형에 매우 인기가 있는데, 매우 내구성이 뛰어나고 다양한 용례에 적합하기 때문입니다. 일반적인 응용 분야에는 리빙 힌지(living hinge), 스냅 핏(snap fit), 재사용 용기, 심지어 자동차 배터리가 포함됩니다. 특정 프로젝트에서 엔지니어는 원하는 화학적 또는 기계적 특성을 달성하기 위해 선택한 소재에 필러(filler)를 추가해야 할 수 있습니다. 필러는 제조 공정 중 수지에 첨가되는 미세 입자로, 제품을 더 강하게
