센서의 초소형/저가격 실현하는 MEMS 기술 (ITEP 웹진에서)

아래 글은 한국산업기술평가원 (www.itep.or.kr)의 ITEP Webzine 11호 (2006. 1. 26)에 실린 기사로서 유비쿼터스 기술을 구성하는 5개 분야 (즉, 센서, 프로세서, 인터페이스, 통신, 보안) 중에서 센서 부분에 대한 동향을 소개하고 있다. 특히, 센서를 다양한 산업에 확대 적용하는데 중요한 역할을 하는 MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) 기술에 대해 설명하고 있다. 

 

전자공학의 산물이라 할 수 있는 센서 자체는 지난 수 십년 동안 각종 기계장치나 전자장치 (예: 전자제품, 항공기, 자동차, 선박, 자동생산시설)에 부착되어 온도, 습도, 압력 등 환경 변화를 감지하거나 사물의 움직임을 포착하는데 사용되어 왔다. 유비쿼터스 컴퓨팅 기술의 발전에 따라 센서는 초소형 컴퓨터와 결합됨으로써 지능적인 사물과 사람이 상호작용 할 수 있는 길을 열어 주고 있다. 예를 들면, 유비쿼터스 서비스를 위해 많이 활용되고 있는 RFID (Radio-Frequency Identification, 무선인식) 태그는 고유번호가 찍혀 있는 전자 칩과 안테나를 포함한 것으로서 무선 주파수를 이용해서 특정 개체의 소재를 파악할 수 있도록 제작된 센서라 할 수 있다.

 

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센서의 초소형·저가격 실현하는 MEMS 기술

테크트렌드 / MEMS 센서 센서의 초소형·저가격 실현하는 MEMS 기술 21세기 최대 유망 기술로 부각되면서 다양한 분야에 성공적으로 적용되는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술은 종전에 없던 새로운 소자나 장치를 가능케 하는 것은 물론이고 기존 제품의 성능 향상에도 크게 기여하고 있다. 특히 MEMS 기술을 통해 개발되는 압력 센서, 가속도 센서, 자이로 센서는 기존 센서를 초소형·경량화하면서 차세대 센서의 중심축이 되고 있다. 우리 생활 가까이까지 접근한 MEMS MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 센서는 기존의 반도체 공정뿐만 아니라 마이크로 사이즈의 기계적 구조물을 만드는 데 필요한 마이크로 머시닝 기술을 기반으로 개발된  것으로, 1980～90년대 발전을 거듭하면서 MEMS 기술 전반을 주도해오고 있다. 특히 지난 1990년대 후반부터 MEMS 센서에 대한 연구가 본격적으로 이루어져 MEMS 기술은 센서의 초소형화·,고성능화· 고집적화를 실현하는 데 필수적인 요소가 되고 있다. MEMS가 센서 기술에 접목되면서 센서의 검출 범위가 대폭 확대되었으며 더 많은 기능과 특징을 하나에 집적할 수 있게 됐고, 단순 센서에서 여러 기능이 복합된 마이크로 시스템으로 기술이 진화해가고 있다. 재료 면에서도 순수한 실리콘만 사용하던 초기 단계를 지나 2000년대 들어 실리콘과 새로운 물질의 결합으로 변화되고 있으며, 센싱 영역도 역학 센서 위주에서 온도, 광, 가스, 바이오 등 다른 에너지 영역으로까지 확대되고 있다. 이러한 MEMS 센서는 기존 센서 시장을 점점 대체해가고 있을 뿐 아니라 예전에는 전혀 생각하지 못했던 분야에도 적용되기 시작했다. 휴대전화기에 MEMS 가속도 센서가 적용되어 방위, 만보기 등의 기능을 수행하는가 하면, 디지털 카메라의 손 떨림 보정에 사용되던 수정식 자이로를 MEMS 자이로 센서가 대체해 나가고 있다. 현재 이들 디지털 기기에는 손 떨림 방지용 세라믹 자이로 센서가 1대당 2개씩 사용되고 있고 시장 규모만도 1,300만 개에 이르고 있다. 또한, 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 잉크젯 헤드는 MEMS 기술에 의해서만 가능한 제품이다. 전문가들은 가까운 장래에 휴대폰에 내장되는 각종 RF 부품도 MEMS 센서로 대체될 것으로 전망하고 있다. 자동차 탑재 센서로 확실한 자리매김 현재 MEMS 센서의 가장 큰 시장은 역학 센서를 중심으로 한 자동차 산업이다. 차량용 MEMS 센서의 수요는 타이어 공기업 경보장치법(TPMS) 시행, 카 에어백의 의무화, 각종 배기가스 규제, 안전 시스템 채용 증가를 중심으로 지속적으로 확대되겠지만 성장률은 크지 않을 전망이다. 앞으로는 휴대전화, PDA, 노트북 PC, DSC, DVC, 게임 기기와 같은 민생 기기로 시장 확대가 급진전될 것으로 보인다. 특히 최근 급성장을 보이는 모바일 기기 장착용 MEMS 가속도 센서와 자이로 센서 시장도 눈여겨볼 만하다. 가장 성숙된 MEMS 기술이 적용되는 MEMS 압력 센서는 초기에는 압저항 방식(Piezoresistive Pressure Sensor)과 정전용량 방식(Capacitive Pressure Sensor)이 개발되었으나 현재는 압저항 압력 센서가 주류를 이루고 있다. MEMS 압력 센서의 대표적인 응용 분야는 역시 MEMS 센서의 최대 시장인 자동차 분야로, 엔진에 유입되는 공기의 질량 유량을 계산하기 위한 MAP(Manifold Absolute Pressure) 센서와 고도 보정을 위한 BAP(Barometric Absolute Pressure) 센서가 있다. 최근에는 CMOS 반도체 기술로 센서와 신호 조정 회로를 집적화환 원 칩 센서가 시판되기 시작했다. MEMS 압력 센서는 자동차 엔진 흡기 압이나 대기압 계측, 압력 스위치 대체, 차량 안정화 장치와 브레이크 제어, 디젤 커먼 레일 엔진 등에서 수요가 증가하고 있다. 또한, 민생 기기  분야에서는 바이오 메디컬용, 업무용 에어컨, 청소기, 세탁기, 손목시계 등에도 사용되고 있다. 특히 모토롤라는 일회용 압력계로 매년 5천만 개를 출하하고 있다. 이외에도 건설 기계, 반도체 제조 장치, 가스 압 계측, 가스 미터 및 수위계 등의 각종 계측 기기에도 사용되고 있다. 가속도 센서, 자이로 센서에 기대 모아져 압력 센서보다 다소 늦게 실용화된 MEMS 가속도 센서는 1990년대 후반 자동차의 에어백에 채용된 후 비약적인 발전을 거듭해 현재는 각종 안전 장치에 사용되고 있다. 특히 MEMS 가속도 센서는 기존 센서와 마찬가지로 질량-스프링-댐퍼 시스템을 사용하지만 그 크기는 비교할 수 없을 정도로 초소형화됐다. 질량 변위를 검출하는 방식으로는 현재 정전용량식이 압도적으로 많으며, 최근에는 열식 가속도 센서가 출시되고 있다. 정전용량식 센서는 센싱 요소가 간단하고 새로운 재료가 필요 없으며 낮은 소비 전력, 우수한 온도 안정성이 장점이다. 단점인 비선형 특성은 피드백을 사용해 해결해 나가는 추세다. 특히 최근 차량당 에어백 수가 지속적으로 늘어나면서 가속도계의 수요도 완만하게 증가하고 있을 뿐 아니라 민생 분야에서의 확대도 기대된다. 미국 아날로그 디바이스사는 카 내비게이터, LCD 프로젝터, 휴대형 게임기, IBM 노트북 PC 등으로 가속도 센서의 적용 범위를 넓혀 나가고 있으며, 일본 회사들도 3축 가속도 센서의 출하에 열을 올리고 있다. 가속도 센서와 함께 향후 MEMS 센서 시장의 주역이 될 자이로 센서는 1990년대 중반부터 대량 생산에 적합한 저가의 MEMS 자이로가 개발되어 실용화되기 시작했다. 미국 실리콘 센싱 시스템스(Silicon Sensing Systems)사가 처음으로 실용화해 자동차에 장착하면서 양산을 개시했고, 이어 보쉬도 같은 시기에 반도체식 자이로를 양산해 자사의 차량 안정화 장치용(ESP) 자이로를 세라믹에서 반도체식으로 교체하기 시작했다. MEMS 자이로는 향후 MEMS 시장에서 가장 기대되는 분야로 현재 제품 개발이 가장 활발하게 진행되고 있으며, 자동차용뿐 아니라 산업용, 항공 관련 제품 등에도 적용이 확대될 전망이다. 최근에는 가속도 센서와 마찬가지로 전자 회로와 센서를 하나의 칩에 집적한 제품도 출시된 바 있다. 이외에도 MEMS를 기반으로 하는 센서 중 개발이 가장 늦은 화학 센서의 경우도 최근 가스 센서를 중심으로 개발이 활발하다. 이렇듯 현재 MEMS 기술은 여러 센서 분야에 성공적으로 적용되어 새로운 센서의 개발은 물론 센서의 적용 분야의 확대에도 큰 역할을 하고 있다. 따라서 앞으로 MEMS 센서는 연구 중심에서 저가격화를 실현하기 위한 기술 개발이 중요하다. 이를 위해서는 MEMS 센서와 신호 처리 IC를 하나의 칩에 집적하는 기술 개발과 MEMS 공정의 표준화가 중요한 과제로 남아 있다.