본문내용
1. MEMS/NEMS의 이해와 활용사례
1.1. MEMS/NEMS 용어 정의
MEMS/NEMS는 Micro Electro Mechanical System과 Nano Electro Mechanical System의 약자로, 각각 마이크로미터(10-6m) 규모와 나노미터(10-9m) 규모의 초소형 기계 시스템을 의미한다.
MEMS는 사람 머리카락의 100분의 1 수준의 크기를 가지며, NEMS는 사람 머리카락의 100,000분의 1 수준의 크기를 가진다. 이들 용어는 각각 "작다"는 뜻의 그리스어 Mikros와 "난쟁이"라는 뜻의 Nanos에서 유래되었다.
1.2. MEMS/NEMS 실생활 활용 사례
잉크젯 프린터 카트리지 헤드는 MEMS/NEMS 기술을 활용하여 제작된 부품이다. 카트리지 헤드의 잉크 노즐은 직경이 수십 마이크로미터로 가공되어 있으며, 이 노즐을 열고 닫는 장치 또한 마이크로 크기로 제작된다. 따라서 잉크젯 프린팅 기술은 MEMS/NEMS 공정 기술을 기반으로 한다.
자동차의 에어백 가속도 센서 또한 MEMS/NEMS 기술을 활용하여 제작되고 있다. 자동차에 설치된 에어백 센서는 구부러지면 전기가 발생하는 반도체 물질을 널빤지 형태로 만들고, 그 끝에 추를 달아 제작된다. 차량이 급감속할 때 이 추의 움직임에 의해 널빤지가 휘어지면서 전기가 발생하여 에어백 사출 신호를 발생시킨다. 이처럼 MEMS/NEMS 기술은 자동차 부품 제조에 적용되어 활용되고 있다.
1.3. MEMS/NEMS 공정기술
MEMS/NEMS 공정기술은 기존 매크로 크기의 부품을 가공하던 방식과는 달리 반도체칩 공정기술을 확장하여 마이크로 및 나노미터 크기의 초소형 부품을 생산하는 기술이다.
반도체칩 공정은 실리콘 표면 위에 각종 전자 요소와 회로를 2차원으로 집적하는 방식인 반면, MEMS/NEMS 공정은 칩 위에 움직이는 기계 요소들이 포함되어 3차원 구조를 가진다. 이를 위해 반도체 공정보다 더 복잡한 공정과정이 필요하다.
MEMS 공정의 대표적인 방식으로는 표면 마이크로 머시닝과 내부 마이크로 머시닝이 있다. 표면 마이크로 머시닝은 웨이퍼 위에 희생층을 쌓고 이를 에칭하여 구조층을 3차원으로 가공하는 방식이다. 내부 마이크로 머시닝은 기판 자체를 에칭하여 구조체를 만드는 방식으로, 결정 의존성 에칭용액을 이용한다.
한편 NEMS는 MEMS와 나노기술이 결합하여 발전한 기술로, 탑다운(top-down) 방식과 바텀업(bottom-up) 방식이 있다. 탑다운 방식은 반도체 공정기술을 활용하여 전자빔이나 이온빔 리소그래피로 나노 크기의 구조물을 가공하는 것이고, 바텀업 방식은 원자나 분자 단위에서 출발하여 나노와이어 등의 구조물을 만드는 것이다.
이처럼 MEMS/NEMS 공정기술은 기존의 매크로 부품 가공 방식과는 달리 반도체 공정 기술을 활용하여 마이크로 및 나노 크기의 초소형 부품을 생산할 수 있게 해준다. 이를 통해 센서, 액츄에이터, 마이크로 구동기 등 다양한 MEMS/NEMS 제품을 제작할 수 있다.
1.4. MEMS/NEMS 공정과정
MEMS/NEMS 공정과정은 반도체 공정기술을 기계분야까지 확장한 것이다. 표면 마이크로 머시닝(surface micro machining)은 웨이퍼 위에 희생층(sacrificial layer)을 쌓고 에칭한 뒤 구조층(structural layer)을 쌓고 포토리소그래피 및 에칭을 통해 가공하여 희생층을 선택적으로 에칭하면 구조물이 3차원으로 가공되는 방식이다. 내부 마이크로 머시닝(bulk micro machining)은 기판 자체를 에칭하여 구조체를 만드는 방법으로 실리콘을 결정 의존성 에칭용액에 넣어 특정 결정만 남기고 나머지를 에칭하여 구조물을 가공한다. NEMS 공정은 MEMS와 나노기술이 결합하여 나노와이어 등 나노재료를 활용하는 추세로 탑다운 방식과 바텀업 방식을 활용한다."
1.5. NEMS 공정과정
NEMS 공정과정은 MEMS 공정과정의 발전으로부터 시작되었다. MEMS는 나노기술과 결합하여 기존의 마이크로 기계를 사용하여 나노물질을 조작하거나 마이크로 크기의 기계 및 전자부품 안에 나노재료를 융합하는 등 급속한 기술 발전을 이루었다.
NEMS 공정은 크게 탑다운(top down) 방식과 바텀업(bottom up) 방식으로 구분된다. 탑다운 방식은 기존 반도체 공정기술의 연장선에서 최근 개발된 전자빔 또는 이온빔 리소그래피 등 가공할 수 있는 구조물의 치수를 줄여나가는 방식이다. 반면 바텀업 방식은 원자나 분자 단위에서 출발하여 구조물을 만들어 나가는 방식으로, 최근 각광받는 나노와이어를 만드는 화학습식성장(chemical vapor growth) 등의 방식이 여기에 해당된다. 이와 같이 NEMS 공정은 기존의 반도체 공정기술을 바탕으로 하되, 더욱 정밀하고 정교한 나노기술을 접목하여 발전하고 있는 것이다.
이러한 NEMS 공정기술의 발전에 힘입어 MEMS/NEMS는 스마트 의복, 유인 항공기, 마이크로 비행체, 마이크로 위성 등 다양한 분야에서 활용 가능성을 보이고 있다. 스마트 의복의 경우 MEMS/NEMS를 통해 초소형·초경량화된 센서 및 전자기기들이 의복에 부착되어 신체 기능을 실시간으로 모니터링할 수 있게 되었다. 유인 항공기에서는 NEMS 기술로 개발된 메타물질을 활용하여 레이더, 육안, 가시광선, 적외선 카메라에 탐지되지 않는 스텔스 기능을 구현할 수 있게 되었다. 마이크로 비행체와 마이크로 위성의 경우에도 MEMS/NEMS 기술을 통해 정밀한 항법장치와 센서, 나노배터리 및 태양전지 등을 탑재할 수 있게 되었다.
이처럼 NEMS 공정기술은 MEMS 기술의 발전에 힘입어 더욱 정밀하고 정교한 나노 스케일의 구조물 제작을 가능하게 함으로써 다양한 응용분야에서 획기적인 발전을 이루어내고 있다. 앞으로 NEMS 기술이 더욱 발전하면 우리의 일상생활부터 첨단산업까지 그 활용 범위가 크게 확대될 것으로 기대된다.
1.6. MEMS/NEMS의 활용 가능성
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