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MEMS (micro electro mechanical systems)란?
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초소형 정밀기계기술 - 21세기형 유망 산업으로 주목
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자동차 에어백 가속도 센서, 가장 먼저 실용화
의료, 정보 기기 분야 개발 활발
21세기를 주도할 신기술로 손꼽히는 것 중 하나가 초소형 정밀기계 기술이다.
MEMS는
Micro Electro-
mechanical Systems의 약자로 초소형 전자기계
시스템이라 번역되며, 전자회로와 기계부품이 같은 칩 위에 집적된 시스템을
말한다. 이를 제작하는 기술은 반도체 칩을 만드는 실리콘 가공기술에서
시작되었다. 실리콘 기판에 밸브, 모터, 펌프, 기어 등의 미세 기계요소
부품을 3차원구조로 만들기 위해서는 표면 가공 기술(surface micromachining)
뿐만 아니라, 깊은 식각을 하는 벌크 마이크로머시닝 기술(bulk micromachining)과
LIGA 기술(Lithographie, Galvanoformung, Abformung) 등이 개발되었다.
MEMS기술은 응용 분야에 따라 생물, 의학, 의료 분야 응용의 Bio/medical
MEMS, 광학 응용의 Optical MEMS, 통신 분야 응용의 RF MEMS, 소형 전력쪽의
Power MEMS, 우주 분야 응용의 Space MEMS 등으로 분류된다.
MEMS의
장점으로 몇 가지를 들 수 있다. 첫째로, MEMS공정은 반도체 제작 공정을
이용하므로 초소형(수 um ～ 수백 um 크기)으로 제작 할 수 있으며,
일괄 공정에 의한 대량생산이 가능하다. 이로서 소자의 크기와 단가
및 소비 전력을 크게 낮출 수 있다. 둘째로, 기계부품과 센서, 전자회로
등을 한 칩에 집적하여 높은 신뢰도를 얻을 수 있다. 셋째로, 작은 소자를
이용하여 미량의 물질을 다루거나 분석할 수 있고, 다수의 소자를 집적하여
분석시간을 대폭 줄일 수 있다. 현재 MEMS는 화학, 생물, 의학,
기계, 전자
분야에서 응용되고 있으며 앞으로 응용분야가 더 넓어질 것으로 기대된다.
MEMS기술은
구체적으로 마이크로 크기의 구조체복합시스템을 응용한 초미세기술의 한 분야로 각종 센서와 조절장치, 항법장치 등에 쓰이고 있으며, 특히, 전기, 전자, 기계, 화학 등의 종합적인 지식이 요구되는 복합 기술이다. 반도체 제조기술을 그대로 활용할 수 있고 응용분야가 무궁무진해 각처에서의 연구가 활발하게 진행중이다. MEMS는 실리콘 세라믹 등의 반도체 재료에 광반응물질을 덧씌우고 빛으로 깎아냄으로써 3차원 구조체를 만들 수 있다. 이를 이용해, 마이크로미터 단위를 제조할 수 없는 기계적 방법의 한계를 극복하는 것이다.
그림1.
Analog device社(USA)의 MEMS기술
기반의 가속도센서 (accelerometer).
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MEMS가 가장 먼저 실용화된 분야는 자동차 에어백의 가속도 센서로 현재 이 기술은 보편화되어 사용되고 있다. 미국의 아날로그 디바이스사가 93년에 시판한 이 센서의 핵심부품인 진동감지기는 모래알 수준의 크기이다. 최근 들어서는 보안 장치, 의료기기, 정보기기 분야 연구가 활발해지고 있는데, 광케이블망의 보급만 예를 들어봐도 MEMS가 없으면 그 실현이 거의 불가능하다. 광케이블은 거울처럼 빛을 반사하는 광스위치로 광섬유에서 전달되는 신호를 각 가정으로 전달하게 되는데, 100um단위의 광스위치를 만들기 위해서 MEMS 기술은 필수적이다. 이밖에 고화질 TV도 수백만 개의 MEMS를 이용해 구성되어 있으며 미사일 등의 보안장치에도 사용되고 있다.
그림
2. 왼쪽
사진은 Affymetrix 에서 제작된 Genechip이며, 중앙 사진은 Nanogen
에서 제작된 반도체
마이크로칩(Semiconductor Microchip)이다.
마이크로칩(Microchip) 중앙에 있는 DNA 시험 영역(Test site)을
확대한
사진이 오른쪽 사진이다.
기계,
자동차, 센서 쪽의 응용 이외에도 의료용 진단키트 개발에는 수많은 업체가 뛰어들고 있는데 동전 크기만한 이 키트 칩 위에 혈액 한 방울만 떨어뜨리면 수백 종의 검사가 한꺼번에 이루어진다.
특히 DNA
칩은 인간 유전자 기능 분석, 유전병 진단, 유전자 치료, 동식물 검역,
생태학 연구, 신약 개발 등 기존의 생물학적, 의학적 지식에 엄청난
파급효과를 가져오고 있다. 지금까지 유전자 암호를 얻어내는 유전
공학적 방법들은 한 연구자가 동시에 많은 수의 유전자를 가지고 실험을
하는데 한계가 있었다. 하루에도 수백개 이상 밝혀지는 새로운 유전정보들을
기존 방법들로 연구한다는 것은 너무나 많은 시간을 요구하기 때문이다.
그러나, MEMS 기술과 컴퓨터 처리 기술을 적용하여 적게는 수백에서
수십만개의 DNA를 아주 작은 단위 공간에 집적하는 것이 가능해졌기
때문에, 수백개 이상의 유전자를 동시에 고속으로 검색할 수 있게 되었으며,
아주 적은 양의 유전물질을 고밀도로 사용함으로서 비용을 획기적으로
줄일 수 있게 되었다.
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MEMS, 무한한 개발 가능성 갖고 있어
기계, 전자, 생화학 등의 상호 협력 필요
MEMS는 각 분야의 첨단 기술 개발에 필수적인 기술로서 아직까지 짧은 역사로 인해 상대적으로 선진국가와 기술격차가 적어 미래형 첨단 기술로서 각광을 받고 있다. 전세계적으로 천여 개에 가까운 대학·정부·기업 연구소에서 수만 명의 과학자와 공학자들이 기술 개발에 한창이다. 현재 전산이 이공계 각계에서 필수적인 기본 기술로 사용되고 있는 것처럼 MEMS 기술도 얼마 후면 모든 분야에 침투할 것으로 보인다. 다시 말해 시장으로서의 규모도 상상을 초월하게 된다. 산업적인 규모뿐만 아니라 여러 분야의 기본 기술로서 발전하게 되면 MEMS 기술의 기반에 따라 전자, 기계, 생물, 화학, 의료 등의 분야에서의 시너지 효과도 같이 기대된다. 반대로 MEMS 기술이 뒤떨어지면 다른 여러 분야의 발전도 도모하기 힘들어질 수도 있다.
MEMS는 기계공학 분야의 독자적인 개발뿐만이 아니라 전자, 생화학, 전산, 물리 등의 분야에서 서로 협력하여 연구되어야 할 기술인 만큼, 협력과 교류를 통해 21세기 첨단 기술의 선두에 설 수 있게 되기를 기대해본다.
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그림3.
A는 Caliper Technologies에서 제작한 LabChip의 사진이며, B와
C는 전기 삼투압을 이용하여 유체를 nl이하로 추출해내는 모습을 형광물질을
이용하여 찍은 사진이다.
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위의 MEMS 소개 자료는 아래의 참고자료를 참고로 제작되었습니다.
[참
고 문 헌]
1. "작은 것이 아름답다 - MEMS," Internet
KAIST TIMES, 180호, 2002.
2. "Micro Fluidics for MEMS Application,"
기계저널, 12월호, 2000.
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