MEMS 기술의 핵심 응용 분야
(출처: Катерина Євтехова - stock.adobe.com)
MEMS(microelectromechanical systems)는 많은 응용 분야에 활용할 수 있는 유용한 기술이며, 실제로 MEMS는 오래 전부터 사용돼 왔다. 제조 기술이 진보하고 갈수록 더 미세한 제조가 가능해짐에 따라 점점 더 다양한 소재를 활용해서 MEMS를 제조할 수 있게 됐다. 보다 다양한 소재를 활용해서 더 많은 기능, 구조, 소자들을 집적할 수 있게 되자 MEMS는 더욱 다양한 애플리케이션에 활용할 수 있는 선순환 구조를 갖게 됐다.
MEMS란?
MEMS는 기계 소자와 전자 소자를 기능적인 디바이스로 결합한 초소형 통합 시스템을 말한다.
MEMS의 각 소자들은 저마다 다른 기법을 사용해서 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 각각의 소자마다 서로 다른 구조와 소재를 사용할 수 있다. 제조 기법의 경우, 전자 소자 제조에 사용되는 집적회로(IC) 일괄 처리에서부터 기계 소자 제조에 사용되는 첨단 마이크로머시닝, 리소그래피, 증착 기법에 이르기까지 다양한 기법들이 사용된다. 사용되는 소재들도 실리콘에서부터 금속, 세라믹, 폴리머 소재에 이르기까지 매우 다양하다. MEMS 디바이스를 구성하는 소자들은 마이크로미터 수준으로 제조되나, 다수의 소자들을 포함하는 전체적인 디바이스는 밀리미터 대에 이르기도 한다.
MEMS의 주요 응용 분야
MEMS 디바이스는 실리콘 칩 상에 다양한 기계적 마이크로구조, 마이크로센서, 마이크로액추에이터, 마이크로일렉트로닉스를 포함한다. 이처럼 다양한 소자들을 MEMS에 포함할 수 있으므로 미시적 차원에서 센싱, 제어, 액추에이션을 수행하면서 거시적 차원의 효과와 기능성을 달성하는 디바이스를 설계할 수 있다. 예를 들어 광학, 방사선, 열, 자기, 화학, 기계 액추에이터 같은 다양한 액추에이터 제품들이 MEMS 기술을 이용해 개발됐다. MEMS 디바이스에 포함될 수 있는 소자들과 활용할 수 있는 소재들이 다양한 만큼 MEMS를 활용할 수 있는 애플리케이션 역시 다양하다. 대표적인 예로 산업용, 자동차, 포토닉, 생명 과학, RF 분야를 들 수 있다.
센서의 경우, 압력 센서, 가속도계, 방사선 센서, 열 센서, 자기 센서, 질량 유량 센서, 기체 센서, 화학 센서, 바이오 센서 등에 MEMS가 활용된다. 압력 센서는 고온 산업용 환경과 의료 분야에 사용할 수 있고, 자동차 분야에서는 가속도계 센서를 에어백 전개용 센서로 사용하고 기체 센서를 사용해서 일산화탄소 농도를 측정할 수 있다.
산업용 애플리케이션에서는 유체 노즐, 힌지 장치, 열전사 잉크젯 프린터 헤드, 마이크로머신드 밸브, 마이크로펌프, 데이터 저장 시스템에 사용되는 마이크로포지셔너 등에 MEMS가 활용되고 있다. 또한 MEMS는 디스플레이, 적외선 화상 애플리케이션, 프로젝션 디스플레이, 광섬유 통신 장비, 튜너블 레이저, 광 스위치, 포토닉 스위치, 파장 로킹 디바이스를 포함한 광학 및 포토닉 분야에도 널리 활용된다.
의료 및 생명 과학 애플리케이션 역시 다양하게 MEMS를 활용하고 있는 분야이다. 믹싱 및 펌핑 장비에 사용되는 미세유체 디바이스, 세포 배양과 DNA 및 DNA 교배를 분석할 수 있는 마이크로전극 어레이, PCR 및 전기영동(electrophoresis-on-a-chip) 디바이스에 MEMS가 활용되고 있다.
MEMS를 유용하게 활용할 수 있는 또 다른 분야는 RF 애플리케이션이다. 마이크로머신드 커패시터 및 인덕터, 미세전자기계 공진기, 콤-드라이브(comb-drive) 공진기, 빔 공진기, 결합형 공진기 대역통과 필터, 미세전자기계 스위치, 멤브레인 션트 스위치, 캔틸레버 스위치 등에 MEMS 디바이스가 활용되고 있다.
지금까지 소개한 분야들 외에도 MEMS의 활용 분야는 그야말로 무궁무진하다.
최근에는 MEMS라고 정의할 수 있는 경계도 모호해지고 있다. MEMS가 다른 복합적 시스템들과 구별되는 분명한 특징들을 가지고 있기는 하지만, 마이크론 크기의 소자들을 사용하는 다른 통합형 기술들과 겹치는 부분도 있으며, 활용되는 애플리케이션들 역시 마찬가지다. 이 때문에 MEMS와 그 밖에 다른 유사한 통합형 시스템들을 묶어서 ‘마이크로시스템 기술(microsystems technologies, MST)’이라고 부르기도 한다. 하나의 예가 MOEMS(micro-opto-electromechanical system)이다. 이는 MEMS와 유사하지만, 기계 소자와 전자 소자만이 아니라 미세 광학 소자까지도 사용해서 특정한 기능들을 수행하고 또 다른 거시적 특성, 효과, 기능성을 달성한다는 점에서 구별된다.
맺음말
MEMS는 다양한 전자 소자와 기계 소자들을 포함하고 이들 소자들이 결합해서 다양한 기능들을 수행하는 복합적인 시스템이다. MEMS에 포함시킬 수 있는 소자들과 활용할 수 있는 소재들이 다양한 만큼, MEMS를 활용할 수 있는 응용 분야들 또한 다양하다. 대표적인 예로 산업 제조, 자동차, 생명 과학, RF, 광학, 포토닉스를 들 수 있다. 제조 기술이 진보하고 갈수록 더 미세한 제조가 가능해짐에 따라 MEMS를 활용할 수 있는 애플리케이션 분야들은 계속해서 더 늘어날 것이다. 이미 다양한 영역에 널리 활용되고 있지만 말이다.
저자 소개
리암 크리츨리(Liam Critchley)는 화학 및 나노 기술 전문 작가이자 저널리스트, 커뮤니케이션가로서 분자 수준의 화학 물질을 다양한 응용 분야에 어떻게 적용할 수 있는지에 대해 연구한다. 화학과 나노기술을 넘나드는 다양한 과학 및 산업 분야 전반에 걸쳐 350편 이상의 기고를 집필했다. 유럽 NIA(Nanotechnology Industries Association)의 수석 과학 커뮤니케이션 책임자로 지난 몇 년 동안 전 세계의 많은 기업, 협회 및 미디어 웹사이트에 글을 기고했다. 미국 NGA(National Graphene Association), 국제 기구인 NWN(Nanotechnology World Network)의 자문위원이자, 영국의 과학학술 단체인 GlamSci의 이사회 위원이다.