멤즈(멤스)란 무엇인가?

                        What is MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)?

  1. 정의

mems란 마이크로 시스템, 마이크로 머신, 마이크로 메카트로닉스 등의 동의어로서 혼용되 고 있으며 번역하면 초소형 시스템이나 초소형 기계를 의미한다. 아직까지 정식으로 논의 되어 선정된 단어는 없지만 현재 선도 기술사업으로 진행되고 있는 기술개발 과제명은 초소 형 정밀기계 기술개발이라 부르고 있다.
현미경에 의하지 않고서는 형체를 알수 없을 정도로 작은 기계가 공상소설의 영역을 벗어나 이제 현실공학의 새로운 분야로 정착 되었다. 한마디로 말해 개미와 같은 마이크로 로봇을 인공적으로 만들어서 미소한 운동이나 작업을 시키려고 하는 것이다. 즉 개미의 눈이나 촉 각에 해당하는 각종 센서, 뇌나 신경에 해당하는 논리 회로, 팔과 다리에 대응하는 마이크로 메카니즘, 그것을 움직이게 하는 마이크로 액추에이터를 하나로 하는 시스템을일컫는다. 크 기는 수mm에서 수nm까지에 이르며 수cm크기라 해도 마이크로 머신이라고 불리는경우도 있다.
마이크로 머신의 아이디어가 제창된 초기에는 혈관내를 돌아다니면서 환부를 치료할 수 있 는 기계에 대한 구상도 있었다. 허나 지금 기존의 기계를 단순히 축소해야 마이크로 머신이 되리라는 생각은 이제 과거의 것이 되었다. mems란 마이크로머신이 느끼고 생각하며, 운동 하는 시스템을 일컫는다.


비교 항목

반도체 기술

초소형 정밀기계기술(mems)

탄생
배경

1960년대초반 반도체의 회로
집적화로 탄생

반도체 기술에서 파생

특색

좁은 면적에 많은 회로를 얇게
2차원적으로 집적화

3차원적으로 공간을 마련하고 전기선처럼
회로를 배열

제품에서의
역할, 응용

  • 인간의 두뇌(기억 및 정보
    처리)에 상당
  • 정보통신, 컴퓨터에
    집중적으로 응용
  • 인간의 감각기관(눈, 코,
    귀, 피부) 및 손발의 역활
  • 자동차, 디스플레이를 포함한
    가전 등의 기간 산업과 앞으로
    다가올 항공, 우주 산업, 의료,
    생물, 제약산업에까지 응용

산업 및
경제에
미친 영향

80년대 및 90년대 세계적 경쟁의 각축장,한국의 수출 주력상품

2010년대 경제 및 경쟁력에 파급효과 및 다양한 상품으로 주력산업 가능

현재까지
개발된 상품

메모리 소자,마이크로 프로세서,
비메모리 소자

잉크젵 프린터 헤드,자동차
에어백용 충돌감지 센서,
압력센서 등은 세계적인
상품으로 이미
시장을 형성하고있다.

2. mems의 역사와 mems의 정의의 변화

1960년대 초 - mems는 실리콘 가공기술에서 시작되었으므로 최초의 연구는 실리콘 기판상 에서 미세 기계요소 즉, 밸브, 모터, 펌프, 기어 등의 부품을 2차원 평면으로 제작한 것이 그 시초였다. 이의 발전은 마이크로 센서의 수요 확대에 힘입어 실리콘 기판위에 압력센서,가 속도 센서등과 신호처리용 집적회로, 그리고 센서에 의해서 제어가 가능한 마이크로 액추에 이터를 집접화하여 인텔리전트 시스템을 구현하려는 의도가 있었다.
1970년대 - 이방성 에칭을 이용한 여러 가지 device가 연구 되었고 이를 이용한 3차원 구 조를 가진 광학 디바이스, 잉크젯, 홀로그래피 등이 연구 되었다. 이처럼 반도체 기판 자체 를 에칭하여 3차원구조를 만드는 것을 마이크로 머시닝이라 하고 bulk machining 이라고 부른다.
1980년대이후 surface micro machining 기술로 기판을 손대지 않고, 기판위에 증착된 희생 박막을 에칭해서 박막으로된 3차원 구조물을 만들게 되었다. mems에서 말하는 3차원 구조 란 반도체에비해 두께가 훨씬 크다.
현재 LIGA, LASER, 전기방전 등등의 여러 제작 기술이 개발되고있고 이에따라 계속해서 mems의 연구는 발전하고 있다.

3. 설계

A.마이크로 세계의 이해

a.스케일의 벽

마이크로 세계에서는 치수의 세제곱에 비례하는 체적의 효과가 상대적으로 약해지고 치수 의 제곱에 비례하는 면적의 효과가 탁월하다. 공중에 물체를 놓으면 낙하 한다라는 상식은 눈으로 안보일정도의 작은 먼지에 대해서는 성립하지 않는다. 먼지는 매우 가볍고 표면에 작용하는 공기의 마찰에 의해서 언제까지나 부유한다. 이것 때문에 마이크로 세계에서는 잘 움직이는 기계도 그대로 작게 해서는 잘 움직이지 않거나 매우 효율이 나빠져서 실용화 할 수 없다.

b. 정보교환의 벽

기계를 제어하는 정보의 검출과 처리를 위하여 센서와 컴퓨터를 접속할 필요가 있을 때 그 배선이 기계 그 자체와 같을 정도로 커져버리는 문제이다.특히 다수의 소형기계를 좁은 장 소에 집중하여 사용하려 할 때에 이것은 큰 문제가 된다.

c. 단품 조립생산의 벽

기계부가 소형으로 되면 그것을 취급하고 조립하는 것은 어려워진다. 한 개의 소형기계를 만드는 단품생산에서는 완성품의 비용은 매우 높아지며 특수한 용도이외에는 사용할수 없게 된다. 매우 작은 부품을 만들고 미소의 오차로 조립하는 것은 굉장히 비용이 들며 생산성이 나쁘다. 이것이 단품 조립생산의 벽이다.

d. 반도체 마이크로 머신

일반적으로 포토라소그러피라고 불리는 IC 제조용 수법은 상대정도가 일정한 축소가 가능 하지만 다음의 문제점을 생각하지 않을수 없다.

          • 재료가 실리콘에 한정되어 있어서는 곤란하다.
          • 박막을 가공한 평면적인 구조밖에 얻을수 없다.
          • 마이크로 세계에서 잘 움직이는 마이크로머신의 시스템구조의 이미지가 떠오르지 않는다.
          • 힘이나 구조가 너무 작아서 어디에 응용하면 좋을지 모른다.

B. 마이크로 머신의 재료

명 칭

용 도

반도체 프로세스

특 성

포리이미드

구조재

반도체 프로세스

막형성이 용이, 유연하다.

텅스텐

구조재

반도체 프로세스

불화수소에 용해되지 않는다.
취약하지 않다.

몰리브덴

구조재

반도체 프로세스

취약하지 않다.

Ni, Cu, Au

구조재

전기도금

LIGA프로세스로 두꺼운 (0.1mm이상)구조
제작 가능

수정

액츄에이터

이방성 에칭

압전성 있음,절연물

ZnO

액츄에이터

반도체 프로세스

압전성 있음

PZT

액츄에이터

후막 프로세스

압전성 큼

TiNi

액츄에이터

반도체 프로세스

형상 기억 합금

Si3N4

윤활막

반도체 프로세스

 

DLC

윤활막

반도체 프로세스

(다이아몬드상 탄소막)

C. 실용적인 접근에 초점

인체의 혈관내를 유영하는 초소형 로봇의 개발까지 꿈꾸게 되었지만 지금까지의 개발한 초소형 장치들이 실제로 사용될수있는 곳은 별로 없다. 환상에서 벗어나 실용적인 관점에서 접근이 필요하며 일상 생활에 직접적인 영향을 미칠수있는 장치에 산업계의 초점이 맞춰지고 있다. 예-자동차,가정,수술실

D. 조합형 작동 시스템

현재 마이크로 머시닝 기술을 이용하고 제작되는 마이크로 액츄에이터에서는 마찰이 문제가 되고있다. 마찰 때문에 기어나 링크기구를 조합시키면 효율이 나빠지고 손실이 커지게 된다. 하지만 다수의 마이크로 액츄에이터를 직병렬로 조합시켜 구축하면 동작은 단순하더라도 실제로 복잡한 과정을 효율적으로 실행하게 된다.

E. 마이크로 CAD

mems센서의 설계및 해석을 위해서는 미소재료의 물성및 거동 특성, 미소영역에서의 물리적 현상의 이해, 기전 복합시스템의 모델링과 작동 시뮬레이션기법등이 필요하다. 초기 설계단계에서부터 구조설계,매스크및 공정설계,제작,시험에 이르기까지 소요되는 인력과 경비를 절감하고 설계주기를 단축시키기 위한 마이크로머신 전용 cad시스템의 필요성의 대두되고있다.