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| 21세기의 첨단 미래기술 : MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 2005/10/03 오전 10:11 | Elec-Telecom 21세기의 첨단 미래기술 : MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) 전자공업 21세기 지식기반 산업사회에서는 정보기술(IT), 생명산업(BT), 신소재·극 미세기술(NT), 신 에너지·환경(ET) 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 등의 발전을 필요로 한다. MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)은 전자혁명이라 불리는 20세기의 반도체기술에 버금가는 21세기 최대 유망기술로 꼽히고 있다. 이번 호에서는 MEMS란 무엇이고, 어떤 분야에 응용될 수 있으며 기술개발은 어디까지 이루어져 있는지 핵심 내용을 살펴본다. ▣ MEMS의 개요 및 특성 MEMS란 Micro Electro Mechanical System의 약어로서 미세전자 기계 시스템을 말한다. 이는 수㎛(마이크로미터, 1㎛는 100만 분의 1m)에서 수㎜ 크기의 초소형 정밀기계를 제작하는 기술이다. MEMS 기술의 핵심은 기존 제품의 기능을 유지하면서도 제품의 크기를 초소형화하는 것으로서, 작고 가볍우면서도 정교하고 속도가 빠르다는 장점을 갖는다. 뿐만 아니라 MEMS는 미세전자공학과 기계기술을 결합하는 첨단 미래기술 분야로 초소형화·다기능화를 통해 자원의 소모와 폐기물 발생을 줄이고 대용량 정보저장장치와 초고속 정보통신기술 등에 혁신적인 발전을 가져올 수 있는 핵심 분야라고 할 수 있다. MEMS는 반도체, 기계, 전자 등 모든 공학기술이 종합된 공학기술이다. 초미세 기계 구조물에 다양한 기능을 집적시키고 전력손실을 최소화하기 위해서는 카메라 등의 광학·생화학·유체학·재료공학 등의 복합기술이 필요하다. 초미세 전자기계 시스템은 반도체 제조 공정을 기반으로 하고 있으나, 기존의 IC가 수행하던 연산기능에 감지(Sensing)와 구동(Actuation) 기능을 부가해 하나의 독립된 시스템으로 제작됨으로써 별도의 ON/OFF 없이 주변상황의 변화감지는 물론 일정 기간의 작동, 데이터 분석까지 할 수 있다는 점에서 반도체를 능가한다. 크기는 초소형이지만 그 안에 모터나 기어, 센서, 통신장치 등이 모두 들어 있어 감지, 연산, 구동, 통신 등의 기능을 한꺼번에 해결할 수 있게 된다는 뜻이다. 이로써 체내에서 이동하며 질병을 치료할 수 있는 극소형 로봇의 탄생도 가능해진다. 이러한 MEMS 기술이 개발되기 시작한 것은 1980년대부터이며 1990년대 이후 기술 발전에 가속도가 붙고 있다. 1995년 이후부터는 눈에 띄는 기술개발 성과를 나타내고 있으며 일부 제품들은 이미 상용화가 이뤄지고 있다. ▣ MEMS의 응용분야 MEMS는 이미 알게 모르게 우리 생활에 깊숙이 침투해 있다. 초창기, 즉 1980년대에 자동차 에어백용 가속도 센서와 잉크젯 노즐에 적용됐던 MEMS는 1990년대에 이르면서 급격한 발전을 보여 정보통신 제품, DNA 칩에까지 적용되고 있다. 현재 MEMS를 응용한 센서는 대부분 상용화된 상태이며 블루투스(초단거리 무선통신)와 로봇 개발 부분에서도 60∼70% 정도의 개발이 진척된 것으로 알려지고 있다. DNA칩 부분품은 이미 개발이 끝나, 오는 2004년 경에는 완제품이 출시될 것으로 예상된다. 최근에는 광학부품 기술과 접목한 옵티컬 MEMS나 통신부품기술과 접목한 RF-MEMS, 그리고 바이오 기술과 접목한 바이오 MEMS 등으로 연구개발의 폭이 한층 넓어지고 있다. 따라서 적용분야도 무궁무진한 것으로 판단된다. 그 중에서도 통신분야 및 바이오 분야에서는 MEMS 기술을 적용한 제품이 급속히 늘어날 것으로 예상된다. 향후 활발한 진전을 보일 것으로 전망되는 5개 분야에 걸쳐 적용 현황을 살펴본다. 1_ 의료 부문 의약 분야에서 최근 각광받고 있는 BIO-MEMS(Biomedical MEMS) 기술은 실리콘이나 유리, 플라스틱 등을 미세 가공해서 초미세 내시경, 주사바늘 등을 만든 후 질병 진단이나 치료의 목적으로 사람 몸 안에 삽입할 수 있게 하거나 각종 생명공학 실험을 손쉽게 수행하도록 하는 시스템을 말한다. 한 마디로 정보기술, 생명공학, 미세 전자기계 시스템이 융합된 전기·전자 생명공학이라고 할 수 있으며 직경 0.2∼2 마이크로미터, 길이 2∼8마이크로미터에 해당하는 세포나 0.34마이크로미터 정도 되는 DNA 분자 등의 연구에 활용되고 있다. 이 기술을 응용해 개발된 것으로는 현재 휴대용 랩 칩(LOC)이 대표적이고, 그 외에 체내에서 움직이는 내시경과 혈액분석 장치, 세포조절 장치 등에 이미 적용되기 시작했다. 현재 상황으로 미루어 볼 때 지능을 갖춘 칩과 혈관을 누비는 수술용 로봇 등의 개발도 멀지 않은 것으로 예견된다. 특히 휴대용 랩 칩은 하나의 유리 슬라이드 표면 위에서 수백 가지의 실험을 동시에 자동으로 수행할 수 있도록 하는 것으로서 혈액·타액 등 수 나노 리터∼수십 마이크로 리터 분량의 시료를 정확하게 이송·분배·혼합할 수 있다. 이 기술을 이용하면 환자의 혈액을 채취한 현장에서 바로 간기능 검사를 할 수도 있다. 지금 이 순간에도 여러 가지 의료기기에 MEMS 센서와 액추에이터가 널리 사용되고 있으며 특히 압력센서는 심장수술과 혈압 측정에까지 사용되고 있다. BIO-MEMS 기술은 이밖에 방독면, 환풍기, 약품주입 펌프, 신장투석 장비 등에도 적용이 가능하다. 앞으로 바이오칩을 이용한 약품개발과 임상실험, 피하 및 체내 약품 투여 시스템 등도 선보일 것으로 예상된다. 이처럼 BIO-MEMS 기술은 유전자 정보의 활용과 데이터베이스화에 유용한 핵심기술로서 앞으로 맞춤의학 시대를 여는 데 큰 몫을 할 것으로 기대를 모으고 있다. 2_ 광통신 부문 최근 MEMS 기술이 가장 활발하게 적용될 것으로 예상되는 분야가 광통신 부문이다. 통신분야에서 광 네트워크가 확산되면서 MEMS 기술과의 접목이 두드러지고 있다. 이에 따라 수많은 MEMS 업체들이 광 스위치용 파장가변 필터, 레이저, 감쇠기 등의 개발에 노력을 집중하고 있다. 해외에서는 노텔네트웍스를 비롯한 몇몇 업체가 파장가변 필터 생산에 들어갔고, 아이올론 사를 비롯한 몇몇 업체는 파장가변 레이저 양산을 이미 개시했다. 또한 광 네트워크용 배열 거울이나 간섭계를 개발하고 있는 업체들도 많다. 3_ 산업 부문 산업 부문에서의 MEMS 응용제품 개발도 한창이다. 산업용 장비는 통상 소비자들과 관계가 없는 공장의 생산장비, 건설현장 장비 등을 가리킨다. 현재 이 분야에서는 자동차, 프로젝션 시스템, 장비 감시장치 등에 MEMS 기술이 사용되고 있고 생산공정 제어, 바코드 스캐너, 몸에 걸치는 디스플레이, 농업, 지진감지 등에도 이미 채택되기 시작했다. 자동차 산업에서는 가속도계와 압력센서를 비롯해 다양한 MEMS가 사용되고 있으며, 에어백 장착 시스템용 가속도계는 이미 일반화되어 있다. 앞으로도 전복 탐지, 안전 시스템, 타이어 감시용 센서들이 적용될 것으로 기대된다. 또한 MEMS는 프리젠테이션이나 사업 설명회 등에 사용되는 휴대형 프로젝션 시스템에도 도입되고 있다. 수압, 공기압, 장비의 진동 등을 탐지하는 데도 사용된다. 또한 생산공정 제어, 엘리베이터의 승차감 제어장치, 기차 궤도 안정장치, 선박 동요 안정장치 등에도 사용될 수 있다. 또 건설 현장에서 각종 장비의 안정 장치나 측정 장비로도 사용된다. 농업분야에서는 습도, 압력, 수평, 흐름 등을 계측하는 데 센서를 사용할 가능성이 있다. 4_ 소비제품 부문 MEMS 기술이 발전하면서 일반 소비자들이 접하는 제품에도 MEMS 기술 적용이 확산될 것으로 예상된다. 현재 잉크젯 프린터의 마이크로 노즐에 이미 이 기술이 적용되고 있다. 잉크젯 프린팅 기술 중 열기포 방식에 MEMS 기술이 응용되고 있는 상황이다. MEMS 기술은 앞으로 행글라이더, 자전거, 스쿠버, 등산장비 등의 운동기구를 포함해 세탁기나 전자레인지 같은 가전제품, 장난감 등에도 폭넓게 응용될 수 있다. 캠코더의 손 떨림을 보정하거나 휴대전화 안테나의 신호를 바꾸는 데 이미 MEMS 기술이 사용되고 있다. 게임기도 MEMS 센서 응용이 가능한 분야다. 적외선 센서는 가전제품의 지능화와 네트워킹화의 급진전에 따라 진동·습도 센서를 포함하는 각종 센서가 냉장고, 가스레인지, 전자레인지, 세탁물 건조기, 식기세척기, 드라이어 등 가전제품에 사용될 것으로 보인다. 5_ 기타 부문 군사 및 항공 분야에도 MEMS 기술이 응용될 수 있다. 항공 부문에서는 고도 및 기압 측정, 기류 및 객실 압력 감지 등에 MEMS를 사용하고 군사 부문에서는 위성, 무기, 차량 등에 이를 채택한다. 특히 초소형 항공기 개발에서는 항법장치, 위치추적 시스템, 나침반, 속도계, 거리계 등을 고집적화 할 필요가 있으므로 MEMS 기술이 필수적이다. 가장 활발한 기술개발이 이뤄지고 있는 이들 부문은 대부분 연구 진행상황이 비공개로 이루어지고 있어 외부에 크게 알려져 있지는 않다. 위에서 볼 수 있듯이 MEMS 기술은 의약·통신·교통·산업·가전·농업 등 모든 분야에 응용 가능한 21세기 필수 기반기술로서 그 영역이 더욱 확대되고 있다. ▣ MEMS의 분류 1_ 센서 기본적으로 MEMS는 센서와 액추에이터로 구분된다. 센서(Sensor)는 물체의 환경을 변경하지 않고 그 상태를 측정하는 것으로서 의료기기, 자동차, 가전, 생산공정 제어, 공조 시스템 등에 사용된다. 대표적인 것이 자동차 에어백에 장착되는 가속도 센서. 기존의 가속도 센서는 대부분 기계식으로서 부피가 큰 것이 단점이었다. 그러나 MEMS 센서는 센서 자체를 하나의 초소형 부품으로 제작할 수 있다는 장점이 있다. 현대자동차는 이미 KAIST와 손잡고 MEMS 가속도 센서를 개발해 특허를 취득한 상태다. 캠코더의 손떨림 보정에도 MEMS 센서가 이용된다. MEMS 자이로 센서는 물체의 회전에 따라 발생하는 힘을 측정해 영상이 떨리지 않도록 하면서도 크기가 기존에 사용되던 압전 세라믹의 1/4밖에 되지 않아 효율적이다. 국내에서는 최근 삼선전자가 이 센서의 개발을 마친 것으로 알려져 있다. 가스 센서의 경우 현재 소비자들이 직접 접할 수 있는 제품들 즉, 음주측정기와 가스레인지, 가스보일러, 에어컨 등에 널리 도입돼 있는 상태다. 2_ 액추에이터 액추에이터(Actuator)는 전자장치에서 전기 에너지를 기계적인 동작으로 변환하는 부분을 일컫는다. 통상 작동 부품의 유무에 관계없이 물체의 환경과 상호작용 하면서 영향을 미친다. 액추에이터에는 노즐, 거울, 펌프, 밸브, 릴레이, 감쇠기 등이 있다. DWDM 시스템에서 각 파장의 강도를 같은 수준으로 맞추는 데 사용되는 MEMS 감쇠기는 크로노스인티그레이티드 마이크로시스템스, 다이콘파이버옵틱스, 피텔테크놀로지스, 인라이트커뮤니케이션스, 인티그레이티드 마이크로머신스, 나노베이션 테크놀로지스 등에서 개발하고 있으며 이미 상용화에 들어간 제품도 다수 있다. 채널의 파장, 출력정도, 신호·소음 비율 등을 측정하여 신호가 정확한 상태를 유지할 수 있도록 해주는 파장가변 필터도 액선테크놀로지스, 밴드위즈9, 아이올론 등이 개발중이다. 파장가변필터의 경우 가격이 매우 고가이나 앞으로 기술개발이 진전되고 대량생산이 이루어지면 좀더 저렴한 가격을 기대할 수 있다. 스위칭의 능률을 향상시키는 데 사용하는 릴레이는 콜리브리스, 크로노스인티그레이티드 마이크로시스템스, 하니웰, 메저먼트 스페셜티즈, 모토로라 등에서 개발하고 있다. 특히 모토로라는 릴레이를 휴대전화의 이곳 저곳에 다양하게 응용할 계획을 갖고 있는 것으로 알려지고 있다. 액추에이터를 가장 많이 사용하는 예는 잉크젯 프린터. 잉크젯 프린팅 기술에는 지속적인 잉크의 분사, 정전제어, 필요에 따른 분사(DOD) 등 세 가지 방식이 있고 또 DOD에는 열기포방식과 압전방식이 있는데 이 중 열기포방식이 MEMS기반 기술로서 DOD방식 프린터의 80%를 차지하고 있다. 생체이식에 사용되는 액추에이터도 있다. 아이올론 사는 2001년에 이미 액추에이터 거울을 비롯해 첨단 제어기술을 응용한 파장가변 레이저를 출시했고 노텔 네트웍스는 이미 파장가변 레이저를 양산하기 시작했다. 이와 같이 액추에이터 시장은 이미 활성화되어 있으며 나날이 새로운 액추에이터가 속속 등장하고 있다. ▣ 국내의 최근 기술개발 동향 국내에서도 이미 MEMS 기술 개발이 활기를 띠고 있다. 과기부 산하의 지능형마이크로시스템개발사업단이 MEMS 연구개발에 매진하고 있으며 연세대 의료원·한국과학기술연구원·이탈리아의 성 안나 고등기술원(Scuola Superiore Sant’Anna) 공동연구팀은 국내 최초로 몸 속에 투입해서 원격조종으로 장기를 촬영할 수 있는 초소형 로봇을 개발했다. KAIST도 초미세화학공정시스템연구센터를 설립하고 본격적인 연구활동에 들어갔다. 삼성그룹을 비롯한 관련 기업, 각 대학 연구센터 등도 MEMS 연구에 열을 올리고 있다. 이 분야로 진출하는 벤처기업도 크게 증가하고 있는 추세다. 국내 BIO-MEMS 분야의 선두주자라 할 수 있는 디지털바이오테크놀로지는 하나의 미세 플라스틱 칩 위에서 동시에 다양한 실험을 신속히 시행할 수 있는 랩 온 어 칩(Lap-on-a-chip) 개발에 성공, 상용화에 들어갔다. 뿐만 아니라 MEMS 기술을 응용한 각종 진단·측정장치 개발도 추진하고 있다. 두 가지 이상의 세포를 구별하여 개수를 측정하는 기능을 갖춘 셀 카운터(Cell Counter), 혈액응고 상태를 자동으로 측정할 수 있는 휴대형 혈액응고측정기 등의 제품을 개발해 놓은 상태이며 DNA칩을 비롯해 각종 바이오 칩을 분석할 수 있는 스캐너를 개발, 판매하고 있다. 벤처기업인인 세주실업도 세계 최초로 MEMS 센서를 장착한 디지털 음주측정기를 개발, 상용화했다. 실리콘 웨이퍼로 가공할 수 있는 MEMS 알코올 가스센서는 크기가 2×2㎜에 불과한 초소형으로 4인치 실리콘 웨이퍼 1장당 1500개의 센서를 생산할 수 있으며 2장의 마스크 공정만 소요되기 때문에 기존 제품에 비해 생산 단가를 10% 수준으로 절감할 수 있다. 정확도도 높아서 혈중 알코올 농도를 숫자로 나타냄은 물론 혈액 속에 들어 있는 알코올의 무게까지 표시한다. 특히 이 가스센서는 기존 후막형 및 감지체 센서에 비해 크기가 작고 공정이 단순하기 때문에 소비전력과 안정성·균일성·성능 면에서 월등한 경쟁력을 갖추고 있는 것으로 알려지고 있다. 국내 최대의 전자부품 및 반도체 소자업체인 KEC도 그 동안 수입에 의존해온 전자혈압계용 압력센서를 자체 개발하며 이 분야에 신규 진출했다. 측정 대상물로부터 물리량을 검출하고 검출된 물리량을 전기적인 신호로 변환해 주는 소자로서, 전자혈압계의 핵심부품이라고 할 수 있는 이 압력센서는 측정 결과를 디지털 수치로 나타내주며 날짜와 시간을 포함한 이전의 측정값을 자동 저장하는 기능을 갖추고 있다. 국내 최초 냉각솔루션업체 에이팩은 초소형 정밀기계기술(MEMS)을 이용한 냉각모듈과 태양열 집열기 및 산업폐열 회수장치 등의 히트파이프에 MEMS 응용제품을 개발하고 있다. 아이큐리랩은 MEMS 기술을 이용해 휴대전화 통화시 주변 소음의 차단 및 흡수·소거를 통해 통화음질을 향상시키는 장치를 개발, 상용화 계획에 들어갔으며 엠지비엔도스코피도 1.9㎜의 초소형 모터가 초음파 센서를 작동시키는 한편, 형상기억합금을 이용하여 혈관을 타고 인체를 구석구석 진단할 수 있는 초소형 내시경 시제품을 최근 선보였다. 서울일렉트론에서도 광케이블 제조시 원재료를 소결하는 장비인 횡형확산로를 내놓았다. 이 확산로는 섭씨 8백∼1천도 사이에서 1도 차이를 조절하고 여러 가지 가스시스템을 자동으로 통제할 수 있다. 광통신 커플러 개발에 성공한 세협테크닉스도 MEMS 기술을 적용한 광스위치 개발에 착수한 것으로 알려졌다. 이밖에도 수많은 대기업과 벤처기업들이 MEMS 기술의 상용화를 목전에 두고 있다. ▣ MEMS 시장 현황 및 향후 전망 MEMS의 세계시장 규모는 D램 반도체 시장의 60%에 해당하는 수준으로 알려져 있다. 관련기술의 특허출원도 활발히 이뤄지고 있다. 이 분야의 특허는 총 3천 건에 달하며 그 중 액추에이터와 미소 부품소자에 대한 출원이 가장 큰 부분을 차지하고 있는 것으로 나타났다. 시기별로 볼 때는 1990년대 이전에는 특허출원 성과가 상당히 미미했으나 1990년대 이후에 급증하기 시작한 것으로 분석됐다. 그 계기는 자동차 에어백 등에 사용되는 센서류 소자의 개발 및 상용화가 활성화되고 바이오 산업에 관한 연구가 구체화되었기 때문이다. 국내 출원 건수 중 내국인에 의한 출원 건수도 지난 1993년의 8건에서 1998년에는 61건으로 크게 증가하고 있는 추세다. 그러나 미국, 일본, 독일 등의 선진국과 비교할 때 이는 상당히 낮은 수치다. 특히 핵심분야의 특허는 미국, 일본, 독일이 전세계의 70%를 차지할 정도로 선진국에 의한 기술 독점이 뚜렷해지고 있다. 이러한 현상은 앞으로 국내의 관련 산업이 본 궤도에 올랐을 때 저해요인으로 작용할 수도 있다. 업계 관계자들은 이처럼 국내 MEMS 기술 개발이 활성화되지 못했던 이유가 제조장비와 전문기술 인력의 부족 때문이라고 입을 모은다. 기술을 개발해도 테스트 할 공간조차 부족하다는 것이다. 일부에서는 연구원들이 너무 소형화에만 집착한 나머지 상용화를 간과했기 때문이라고 보는 견해도 있다. 우리가 MEMS 기술을 통해 21세기에 세계 시장을 선도하기 위해서는 반도체 기술을 기반으로 정부와 기업, 연구소가 힘을 합쳐 조직적인 연구개발을 진행해야 하며 해외 선진국과의 기술협력 및 제휴도 반드시 필요하다. 이렇게 구축된 기술 기반 위에서 우리 실정에 맞는 아이디어로 상용화를 시도한다면 세계 MEMS 시장에서 우위를 차지하는 일이 결코 불가능하지만은 않을 것으로 전망된다. |
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