MEMS(Micro Electro Mechanical System) 역사 MEMS

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MEMS

(Micro Electro Mechanical System) MEMS는 기계요소 부품, 센서, 액츄에이터, 전 자 회로를 하나의 실리콘 기판상에 집적화한 디바 이스를 가리킨다. 프로세스상의 제약이나 재료의 차이 등에 의해 기계 구조와 전자 회로가 별도인 팁이 되는 경우가 있지만 이러한 하이브리드(Hy brid)의 경우도 MEMS(Micro Electro Mechani cal System)라고 한다.

주요 부분은 반도체 프로세스를 이용해 제작되 지만 반도체 집적회로가 평면을 가공하는 프로세 스로 제작되는데 대해 입체 형상을 형성할 필요가 있어 반도체 집적회로의 제작에는 사용되지 않는 희생층 에칭으로 불리는 가동 구조를 제작하는 프 로세스가 포함된다.

현재 제품으로서 시판되고 있는 것으로서는 프 린터 헤드, 압력 센서, 가속도 센서, 자이로스코 프, DMD(프로젝터)등이 있다. 시장규모도 확대 하고 있고 제2의 DRAM라고도 말하고 있다.

역사

역사적으로는 예로부터 기계 구조를 반도체 제 작 기술로 제작하는 방법을 사용했다.

1951년에는 RCA사에 의해 쉐도우 마스크가 제 작되어 1963년에는 이미 토요타중연에 의해 반도 체 압력 센서가 발표되고 있다. 1970년경에는 스 탠포드 대학에서 NASA의 위탁연구로 가스 크로 마토그래피가 실리콘 웨퍼상에 작성되었다. 이러 한 미세한 기계 구조가 주목을 끄는 계기가 된 것 은 1987년의 Transducers’87으로 발표된 마이 크로 기어나 터빈이다. 그 후 마이크로 모터 등 발 명에 의해 각광을 받는다. 초기의 단계에서는 움 직이는 것만으로 좋았지만 최근에는 응용을 응시 한 디바이스가 주류이다.

프로세스의 견지에서는 최근까지 서페이스마이 크로머시닝이 주류였다. 하지만 ICP-RIE에 의한 깊이 파기 에칭이나 웨이퍼 접합, LIGA 프로세스 기술의 발전에 의해 벌크 마이크로 Machining가 주류가 되고 있다.

MEMS

서 인 호 /

대윤계기산업(주) dyscyg@chollian.net

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시판되고 있는 대표적인 MEMS 디바이스 (1) 프린터 헤드: 특히 잉크젯 프린터용 (2) 압력 센서

MEMS로 일반적인 압력 센서는 다이아프램 게 이지(Diaphragm Gauge)로, 격막(다이아프램) 에 들어오는 압력을 막의 변형으로서 검출한다.

변형을 검출하는 방법에는 정전 용량의 변화 등을 이용하며 막에 내부식성의 재료를 사용하면 반응 성의 액체나 기체의 압력도 계측 할 수 있다.

(3) 가속도 센서

질량 m의 물체에 가속도 a가 더해졌을 때, 물 체에 일하는 힘은

F = ma 과 나타낼 수 있다.

지금 물체를 용수철 정수 k의 용수철에 의해 지 지했다고 하면 훅의 법칙을 이용하면,

ma = kx

되어, 물체는 x만 변위한다. 한층 더 가속도 a는 a = kx

m

되어 용수철 정수, 질량이 기존이면 물체의 변 위 x를 검출하는 것으로써 가속도를 계측 할 수 있다. 변위의 계측에는 정전 용량의 변화나 폐해 게이지에 의한 전기 저항의 변화 등을 사용한다.

근본적인 성능은 추의 질량과 용수철 정수로 결정 하기 때문에 검출 방법의 향상이나 안정성∙내환 경성 등이 주된 연구∙개발 목적이 되고 있다.

MEMS의 가속도 센서의 경우 질량이 작기 때 문에 감도는 저하되지만 극적인 소형화가 가능하 게 되기 때문에 자동차의 에어백이나 카 내비게이 션(Car Navigation)의 경사계, 게임의 콘트롤러 등에 사용되고 있다.

(4) 자이로스코프

자이로스코프(Gyroscope) 란 물체에 일하는 각속도를 검출하는 계측기로 쟈이로(Gyro) 라고

생략해지는 일도 있다. 로켓이나 항공기의 위치 제어를 위해서 사용된다. 최근에는 카 내비게이션 시스템이나 자동 운전 시스템, 로보트, 디지탈카 메라, 무인 정찰기 등으로도 이용되고 있다.

각속도를 검출하는 방법은 크고 역학적인 관성 을 이용하는 방법으로서 회전 관성과 프리셋션(회 전형) 코리올리력(진동형, 가스형) 광학적인 간섭 을 이용하는 방법으로서 사난크 효과(광학식)가 있다.

∙광스캐너

∙AFM용 캔틸레버

∙유로 모듈

∙디지털 밀러 디바이스(DMD)

∙HDD의 헤드

∙DNA 팁

∙광스위치

∙보로미터형

∙적외선 촬상 소자

∙파장 가변 레이저

주된 응용분야 연구 단계의 물건이나 기대되는 응용 분야

(1) 고주파 응용

∙고주파 스위치

∙필터

필터란 주어진 것의 특정 성분을 없애는(혹은 약하게 한다) 작용을 하는 기능을 가지는 것이다.

어느 성분 이외의 전성분을 약하게 하는 것으로 그 성분만큼을 강조하는 효과를 얻는 경우도 있 다. 게다가 각 성분에 대해 어떠한 처리를 가하는 경우도 있다.

(2) 필터의 예 1) 여과기

유체 중에 섞인 고형물을 없애는 장치 (예： 여 과지(여과지), 방독면)

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2) 광학 필터

투과하는 빛을 파장이나 편광으로 제한하는 것.

그 밖에 광원의 주위에 광조를 발생시키거나 밝은 부분이 어두운 부분에 배이기 시작하는 것 같은 효과를 일으키게 하는 것도 필터의 일종으로 여겨 지는 경우도 있다. → 렌즈 필터

3) 전기 필터

더해진 전기신호의 특정의 주파수 영역만을 강 하게 하거나 약하게 하거나 하는 전자 회로.

4)디지털 필터

광학 필터, 전기 필터와 동등의 효과를 디지털 연산(디지탈 신호 처리)으로 실현된 필터. 퍼스널 컴퓨터의 음성 재생 소프트의 톤 컨트롤이나 그래 픽 이퀄라이저 기능, Photo Retouch 소프트의 화상 처리기능도 이것에 상당한다.

(3) 광 응용

∙광 통신용 광 스위치

∙광 스캐너

∙투사형 디스플레이

∙전자 페이퍼

전자 페이퍼는 종이의 장점으로 여겨지는 시인 성이나 휴대성을 유지한 표시 매체 가운데, 표시 내용을 전기적으로 고쳐 쓸 수가 있는 것을 말한 다. 어느 정도 접어 구부려도 견디며 백 라이트를 이용하지 않기 때문에 액정 판넬 등 다른 디스플 레이에 대해서 소비 전력이 적다. 전원의 절단 후 도 일정기간 표시 내용을 유지할 수 있다. 다만 응 답 시간이 길기 때문에 동영상의 표시에는 적합하 지 않는다.

1970년대에 미국 제록스사의 파로아르트 연구 소에 소속해 있던 닉∙시리돈이 Gyricon로 불리 는 최초의 전자 페이퍼를 개발했다. Gyricon의 구조는 반구를 흰색, 다른 반구를 흑에 발라 나눈 미소한 공을 다수 디스플레이에 묻은 것이다. 공 의 일부는 정전기를 띠고 있어 전계에 의해 공을

회전시키는 것으로 흰 바탕에 검은 문자를 떠오르 게 할 수가 있다. 20세기말에 이르러 복수의 방식 이 제안되고 있다.

(4) 헤드 마운트 디스플레이

통상 눈의 피로를 억제하기 위해서 가능한 멀리 결상 한 상을 형성하도록 한다. 이것에 의해 만성 피로를 억제할 수가 있다. 또, 좌우의 눈에 어긋 나는 영상을 비추는 일도 가능하기 때문에 좌우의 영상을 미묘하게 바꾸는 것을 입체적인 화상으로 할 수도 있다. 다만 안구의 폭주각과 초점 거리에 차이가 나기 때문에 이 경우도 만성피로의 원인이 된다. 그리고 밖의 세계를 완전하게 안보이게 만 든 후 헤드폰과 병용해 시각, 청각을 제어할 수 있 도록 하면 보다 완전하게 가까운 가상 현실을 만 들 수가 있다.

종래의 디스플레이가 장치에 시선을 향하지 않 으면 안되는데, 이 디스플레이는 그 필요가 없으 며 모자나 안경의 형태를 하고 있기 때문에 운반 에 편리해 언제라도 이용할 수가 있다. 또 소형의 디스플레이를 이용하기 때문에 매우 전력 절약이 다. 특히 가상적인 대형 디스플레이를 형성했을 때에는 상당한 에너지 절약 효과를 낳는다. 그러 나 복수인으로 공통의 디스플레이를 볼 수가 없기 때문에 공통의 영상을 감상하는 경우에는 에너지 절약 효과를 기대할 수 없다.

1) 유체 응용

∙마이크로 밸브

∙마이크로 유로 2) 생화학 응용

∙DNA 분석 팁

∙단백질 분석 팁 3) 의료 응용

∙혈액검사 팁

∙능동 카테이테르

마이크로 액츄에이터를 탑재해 그 동작을 체외

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로부터 자재로 컨트롤 할 수 있는 카테이텔. 내시 경이나 심장내에서 이용되고 있는 일부의 카테이 텔은 샤프트에 내장한 와이어를 체외로부터 견인 하는 것으로 첨단부를 굴곡 제어하고 있다. 그러 나 구조가 복잡하기 때문에 가늘게 하는 것이 어 렵다. 또 와이어의 견인으로 봉이나 추가 힘에 의 해 구부러지지 않게 샤프트를 비교적 딱딱하게 할 필요가 있다. 체내에 첨단 마이크로 액츄에이터를 탑재해 능동적으로 움직일 수 있도록 하는 것이 체내의 곡선 구간에 처에서도 그 동작을 체외로부 터 자재로 컨트롤 할 수 있게 된다. 게다가 마이크 로 액츄에이터의 구성을 궁리하는 것으로 굴곡 동 작 뿐만이 아니라 뒤틀림 회전운동이나 신축 동작 등 여러 가지 움직임을 실현할 수 있다. 능동 기구 를 위한 마이크로 액츄에이터로서 형상기억합금 이나 폴리머액츄에이터, 액압구동 액츄에이터 등 이 제안되고 있다. 또 마이크로 액츄에이터를 이 용하지 않지만 카테이텔 첨단에 작은 자성체를 내 장해 체외로부터 전자석을 이용해 자기적으로 견 인하는 것도 있다.

4) 센서

∙압력 센서

∙관성 센서

∙가속도 센서

∙자이로 센서

∙화학 센서

MEMS에 있어서의 특징적인 프로세스 기술 (1) 집적회로 제작 기술 이외에 MEMS로 이용

되는 기술 1) 대 분류

∙벌크 마이크로 Machining(Bulk Microma chining)

벌크 마이크로 Machining란 MEMS(마이크로 머신) 제작 기술의 하나. 기판 혹은 후막(수십μm

이상)을 가공해 MEMS 디바이스를 제작하는 기 술의 총칭이다.

주로 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼나 기 판 그 자체를 가공해 디바이스를 제작한다. 종래 는 수산화 칼륨(KOH)이나 수산화 테트라 메틸 암모늄(TMAH)등을 이용한 웽트 에칭에 의한 가 공이 주류였지만, ICP-RIE에 의한 깊이 파기 에 칭이 가능해져 이것이 주류가 되었다.

∙서페이스마이크로마시닝(Surface Microma chinig)

서페이스마이크로마시닝은 MEMS(마이크로 머 신) 제작 기술의 하나로 박막(수μm정도)을 가공해 MEMS 디바이스를 제작하는 기술의 총칭이다.

2) 에칭 기술

∙깊이 파기 에칭

∙이방성 에칭

∙ICP-RIE

∙다단 에칭 3) 리소그래피 기술

∙LIGA

∙3차원 리소그래피

∙후막레지스터 4) 접합 기술

∙직접 접합

∙양극 접합

MEMS에 이용되는 액츄에이터 (1) 정전력을 이용한 것

∙평행 평판형 정전 액츄에이터

∙스크래치 드라이브 액츄에이터(Scratch Drive Actuator : SDA)

∙정전 마이크로 모터 (2) 전자력을 이용한 것

∙전자력 액츄에이터

∙자왜 액츄에이터

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(3) 압전 효과를 이용한 것

∙압전형 액츄에이터

∙압전 바이모르프

(4) 열 일그러짐을 이용한 것

∙열 바이모르프 아크 액츄에이타

∙열 팽창형 (5) 그 외

∙압축 기체를 이용한 것

∙전기 분해를 이용한 것