MEMS 이해: 미세전자기계시스템, 종류, 응용

MEMS란 무엇인가?

미세전자기계시스템(MEMS, Micro-Electro-Mechanical Systems)은 미세가공 기술을 사용해 기계적, 전기적 구성 요소로 만들어진 소형 장치나 기계입니다.

'MEMS'라는 용어는 미세 메카트로닉 시스템의 범주와 이를 제조하는 공정 기술을 모두 설명하는 데 자주 쓰입니다. 일부 MEMS는 기계적 구성 요소가 없지만, 특정 기계적 신호를 전기적 또는 광학적 신호로 변환하므로 MEMS로 분류됩니다.

유럽에서는 MEMS를 마이크로시스템 기술(microsystems technology)이라고 더 흔히 부르며, 일본에서는 마이크로머신(micromachines)이라고 부릅니다.

MEMS의 크기

MEMS 장치의 물리적 치수는 20마이크로미터에서 1밀리미터까지 범위가 있습니다. 1~100마이크로미터 크기의 구성 요소로 만들어집니다.

개별 구성 요소는 사람 머리카락 폭보다 작을 수 있지만, 배열로 배치된 여러 모듈은 10센티미터 제곱 이상의 면적을 차지할 수 있습니다.

MEMS 장치는 보통 중앙 데이터 처리 장치(마이크로프로세서 등)와 주변 환경과 상호작용하는 미세 기기(마이크로센서 등)를 포함합니다.

MEMS의 종류

MEMS 스위치 기술에는 옴(Ohmic) 방식과 정전용량(Capacitive) 방식 두 가지 형태가 있습니다.

1. 옴 방식 MEMS 스위치는 정전기 캔틸레버를 사용해 개발됩니다. 캔틸레버는 시간이 지남에 따라 변형되므로, 이 스위치는 접촉 마모나 금속 피로로 인해 고장날 수 있습니다.

2. 정전용량 방식 스위치는 움직이는 판이나 감지 요소가 정전용량을 변경시킴으로써 제어됩니다. 공진 특성을 활용해 특정 주파수 대역에서 옴 방식 장치보다 뛰어난 성능을 낼 수 있도록 구성할 수 있습니다.

어떻게 제작되는가?

1980년대에 MEMS 생산에 대한 관심이 커졌지만, 상업적 개발에 필요한 설계 및 제조 인프라를 구축하는 데 거의 20년이 걸렸습니다. 처음 제작된 몇 가지 장치로는 잉크젯 프린트헤드와 에어백 컨트롤러가 있습니다.

이 기술을 이용해 연구자들은 1990년대 후반에 마이크로미러를 이용한 프로젝터(MEMS 활용)를 제작할 수 있었습니다. 시간이 지나면서 마이크로센서가 더 대중화되었습니다: 방사선, 자기장, 온도, 압력용 센서를 포함한 다양한 유형의 센서에 점차 통합되었습니다.

오늘날 MEMS는 거의 모든 스마트 기기에 사용되며, 더 큰 대응물보다 성능과 에너지 소비 면에서 훨씬 더 효율적이 되었습니다. 마이크로프로세서, 마이크로액추에이터, 마이크로센서, 여러 데이터 처리 장치 같은 부품으로 구성됩니다.

MEMS 제작에는 집적회로와 반도체 소자를 만드는 데 사용되는 것과 같은 기술이 사용됩니다. 기본 기술은 다음과 같습니다.

• 증착(Deposition): 1~100마이크로미터 두께의 얇은 물질 층을 특수 표면에 증착합니다.
• 패터닝(Patterning): 리소그래피(lithography)라는 공정을 사용해 패턴을 물질에 전사합니다.
• 식각(Etching): 화학 용액이나 반응성 이온을 사용해 물질을 용해시켜 원하는 형태를 만듭니다.
• 다이 준비(Die preparation): MEMS 장치가 실리콘 웨이퍼에 준비되면 개별 다이가 분리되고, 냉각액이나 건식 레이저 공정으로 웨이퍼 다이어싱이 수행됩니다.

실리콘은 MEMS 제작에 가장 흔히 쓰이는 재료입니다. 쉽게 구할 수 있고 저렴하며, 특히 마이크로전자공학 분야에서 상당한 이점이 있습니다. 예를 들어 실리콘은 피로가 거의 없고 에너지 소모가 거의 없습니다.

일부 MEMS는 도금, 증착, 스퍼터링 공정을 통해 금속으로 만들어집니다. 높은 신뢰도를 보이는 금속으로는 금, 백금, 은, 텅스텐, 구리, 티타늄, 알루미늄 등이 있습니다.

폴리머도 MEMS 장치 제조에 사용될 수 있습니다. 대량 생산이 가능하고 다양한 재료 특성을 가질 수 있기 때문입니다.

MEMS와 NEMS의 차이

NEMS(나노전기기계시스템, nano-electro-mechanical systems)는 나노스케일에서 전기적, 기계적 특성을 가진 장치 클래스입니다. NEMS는 MEMS로부터의 다음 논리적 소형화 단계입니다.

간단히 말해 NEMS는 MEMS와 유사하지만 더 작습니다: 100나노미터 이하(원자 또는 분자 스케일)에서 임계 구조 요소를 가집니다.

NEMS와 MEMS는 별개의 기술로 언급되지만 서로 의존합니다. 예를 들어 원자를 감지하는 주사터널링팁 현미경은 MEMS 장치입니다.

MEMS 기술에서는 유체 역학과 주변 전자기력에서 발생하는 힘이 중요한 역할을 합니다. 반면 NEMS 기술에서는 표면 기반 감지 메커니즘과 큰 양자역학적 효과도 중요합니다.

MEMS와 달리 NEMS 기술은 탄소 기반 재료, 특히 다이아몬드, 탄소 나노튜브, 그래핀을 활용합니다. 그래핀의 성장, 조작, 전기·기계적 특성 지식의 상당한 발전으로 연구자들은 압력 센서, 공진기, 가속도계 등 NEMS 장치에 그래핀을 더 많이 활용하고 있습니다.

예시와 응용

MEMS가 더 효율적이고 저렴하게 제작됨에 따라 IoT(사물인터넷)와 홈 오토메이션에서 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. MEMS의 일반적인 상업적 응용 분야는 다음과 같습니다.

스마트폰의 가속도계 | YouTube

• 차량용 가속도계: 전자식 안정성 제어, 에어백 전개 등 다양한 목적
• 빌딩 관리 시스템용 센서 구동 냉난방 시스템
• 데이터 통신용 스위칭 기술 및 정렬에 사용되는 광학 스위치
• 실리콘으로 만든 일회용 혈압 센서 및 차량용 압력 센서
• 정전기, 전자기, 압전 마이크로 하베스터(에너지 하베스팅용)
• 스마트폰 애플리케이션을 지원하는 소형 마이크, 기압계, 자이로스코프
• 잉크젯 프린터의 잉크 흐름을 제어하는 마이크로노즐

참고: 5가지 현미경 유형과 응용

글로벌 시장

많은 기업이 MEMS 프로젝트에 종사하고 있습니다. 소규모 기업은 혁신적인 솔루션으로 가치를 제공하고 높은 판매 마진으로 맞춤형 제작 비용을 처리합니다. 대기업은 주로 전자, 생물의학, 자동차 같은 최종 시장을 위한 대량 생산 저가 부품이나 패키지 솔루션을 제조합니다. 일반적으로 소규모와 대기업 모두 새로운 MEMS 기술 개발을 위해 연구개발에 투자합니다.

Grand View Research Inc에 따르면 전 세계 MEMS 시장 규모는 2024년까지 288.4억 달러에 달할 것으로 추정됩니다. 2015년에는 약 120억 달러였습니다. 연결된 라이프스타일의 인기 증가로 소비자 전자 분야가 지배적 부문(전 세계 매출의 40% 이상)이 될 것으로 예상됩니다.

참고: 배터리 10가지 유형

보정 및 정확성 문제가 시장 성장을 늦출 수 있습니다. 하지만 치열한 경쟁으로 업계 플레이어들은 향후 몇 년간 가격을 낮게 유지할 수밖에 없을 것입니다.