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정밀절삭가공의 이론과 실제(MEMS)

정밀절삭가공의 이론과 실제(MEMS)최근 센서 및 센서기술의 수요는 산업 전 분야에 걸쳐 더더욱 높아지고 있다. 이러한 센서기술은 현재 반도체 기술 등 첨단기술과 긴밀하게 연계되어 소형. 경량화 및 고성능화 센서의 요구도가 높아지고 있어 종래에 사용되어 오던 각종 센서들의 형태가 성능을 개선하기 위한 개발 연구가 매우 활발하게 전개되고 있다. 센서기술의 수요는 광범위한 분야에 걸쳐 날로 높아지고 있으면서 고성능화를 요구하고 있는 것이다.현재 여러 분야에서 그렇겠지만 최근 크게 부각되고 있는 환경문제와 연관된 환경측정용 센서와 산업성이 높은 의료용 센서 등이 제품 개발 면에서 매우 중요시되고 있다. 여기서 급격히 부각된 MEMS(Micro Electro Mechanical System)분야는 초소형 구조물, 센서, 액추에이터 등 미소 소자를 제작하고 이를 응용한 시스템을 제작하는 연구 분야 이며, 최근 국내외적으로 활발히 연구되고 있고 통신, 바이오등의 미래 산업의 핵심기술로서 자리매김해 가고 있다.이제는 산업계의 전 분야에서도 활발한 MEMS 분야가 적용된 새로운 기술들이 선보일 것이다. 국내에서도 크게 발달될 MEMS 분야를 응용한 분석용 센서를 알아보자.1. MEMS의 정의MEMS는 Micro Electro Mechanical System의 약자로 초소형 전자회로와 기계부품이 같은 칩 위에 집적된 시스템을 말한다. 이를 제작하는 기술은 반도체 칩을 만드는 실리콘 기판에 밸브, 모터, 펌프, 기어 등의 미세 기계요소 부품을 3차원구조로 만들기 위해서는 표면 가공 기술(surface micromachining)뿐만 아니라, 깊은 시각으로 하는 벌크 마이크로머시닝 기술(bulk micromachining)과 LIGA기술(lithographie, Galvano-formung, Abformung)등이 개발되었다.Fig. 1 MEMS 기술을 이용하여 제작한 미세 유로의 전자 현미경 사진(왼쪽 사진의 유로폭은 80㎛이며, 유로벽은 600nm의 산화막과 50nm의 질화막 중 하나가 마이크로 머시닝 기술이다.마이크로 머시닝 기술은 대학에서 출발하여 현재 기업 .연구소등에서 이를 응용한 센서기술의 개발이 매우 활발히 일어나고 있으며 물리센서 특히 압력, 유속/유량, 속도/가속도센서 및 광학센서 등 다양한 센서를 제조하고 있으며 이들에 대한 기술개발도 활발히 이루어지고 있다. 일본의 경우 일본은 화학센서의 종주국으로 서 각종 센서의 공급원으로 전 세계 센서시장을 석권하고 있으며 현재 마이크로 머시닝 기술에서 상당한 진보를 보이고 있다.또한 세라믹재료 센서 분야에서는 독보적인 자리를 차지하고 있다. 일본 센서기술의 강점을 말한다면 바로 복합재료 기술등 센서재료기술 및 센서응용기술에서 다른 국가의 기술에 비하면 상대적인 우위를 차지하고 있다는 것이다. 마이크로 화학센서와 신 기능 재료의 개발로 탄생되어질 새로운 센서들이 앞으로 세계무대에 선 보일 것이다. 또한 유럽의 센서 강호 국들인 네덜란드, 스웨덴 및 스위스 등지에서도 정교한 화학센서 개발에 선도적인 역할을 하고 있어 앞으로의 전망이 기대된다.이러한 미래의 세상에서 선진국과의 경쟁에서 충분한 경쟁력을 가지기 위해서는 우리나라의 연구체계가 우선 확립되어야 할 것이다. 센서기술은 국가 핵심 개발사업이므로 국가주도의 전략적인 연구. 개발사업이 활발히 이루어져야 하고, 기술 및 시장정보의 체계화가 이루어지고, 산. 학. 연 협력 연구가 활성화되어 수요 우선의 개발이 이루어지면서 자연스럽게 전문 인력의 양성과 관련인력과 기업의 효율적인 규합이 이루어지도록 해야겠다.3. MEMS의 응용Fig. 2 MEMS를 이용한 각종 센서의 일례MEMS는 초소형 시스템이나 초소형 정밀기계를 말하며 또한 마이크로 시스템, 마이크로 신, 마이크로 메카트로닉스 등으로 불려지고 있다. MEMS장치는 아주 좁은 장소에도 사용되어질 수 있기 때문에 자동차 엔진 또는 생체 내부에서 들어가서 여러 가지 기능을 할 수 있다.MEMS는 전자 및 기계 부품들로 구성되어 있고 초기에는 IC 공법과 소재를 이용하여 미세 기계요세포 융합 시스템, 약물 주입기 등 생화학 및 의공학 분야에 응용되고 있다. 마이크로 펌프는 구조, 운동방식, 구동 방식에 따라 종류가 나뉜다. 우선, 펌프 구동부의 박막 유무에 다라 박막형 펌프에는 운동방식에 따라 노즐/디퓨저 혹은 밸브를 갖는 왕복운동형 펌프와 3개 이상의 구동 박막을 연동 운동시켜 펌핑하는 연동형 펌프가 있다. 또한, 구동 방식에 따라 정전형, 압전형, 열공압형, 상변화형, 전자기형, 버블형, 전기영동형, 전기삼투압형 펌프로 구분된다.① 정전형 펌프정전력은 거시세계에서는 무시될 정도로 작으나, 미시세계에서는 에너지 밀도가 큰 정전력을 이용한 펌프이다. 간극이 작은 두 평행한 전극 사이에 전압을 인가하면 정전력에 의해 가동전극 박막의 변위가 생긴다. 이를 이용하여 가스나 시료를 펌핑하게 된다. 정전형 펌프는 수 ms의 고속 응답이 가능하지만, 100V이상의 고전압으로 구동되는 단점이 있다.② 압전형 펌프압전 물질(PZT)에 전압을 인가하면 변형이 일어나는 효과를 이용하여 박막을 구동시킨다. 압전 세라믹을 이용하는 경우 다른 구둥방식에 비하여 큰 힘을 낼 수 있고, 간단한 구조로 제작할 수 있다. 그러나 이 방식은 비교적 높은 인가 전압이 필요하며 변위가 작은 단점이 있다.③ 열공압형 펌프마이크로 히터에 전압을 인가할 때 발생되는 열로 공동 내의 공기를 팽창시켜 박막을 구동한다. 다른 구동 방식에 비해 구동 전압이 낮고 구동기의 변위가 큰 장점이 있으마 펌프 자체의 온도가 상승하는 문제가 있다.Fig. 3 열공압형 마이크로 펌프(왼쪽)와 기포형 마이크로 펌프(오른쪽)의 사진. 왼쪽 펌프의 크기는 10×9㎟이며, 중앙에 있는 나선형 마이크로 히터를 볼 수 있다. 오른쪽 펌프의 경우 800Pa압력 하에서 0.5nl/min의 유량을 보였다.④ 상변화형 펌프열공압형과 유사하며 공기 대신 액체를 이용한다. 공동 내 작동 액체를 히터 열로 가열하여 기체로 기화시킨다. 이때 공동 내 부피 팽창을 이용하여 박막을 구동시킨다. 장단점은 열공압형과 같으며 상대이러한 저항 변화를 측정하여 유속을 산출한다. 그 외 정전 용량형 유량 센서의 경우 유체 흐름에 의한 평판 전극간 거리 변화로 인하여 정전용량이 변화한다. 이 정전용량의 변화를 증폭시켜 유량을 측정하게 된다.유체의 압력 이외에 열전달 효과를 이용하여 유량을 검출하는 센서 방식도 있다. 미세 유로를 제작하고 말단에 저항체를 제작한다. 저항체는 온도 변화에 따라 저항의 변화가 발생할 수 있는 재료를 사용한다. 저항체에 일정한 전류를 인가하면 열이 발생되며, 유로의 유량이 증가할수록 저항체의 열손실이 커진다. 이 때 발생되는 온도 변화에 따른 저항값의 변화로 유량을 측정한다. MEMS 기술을 적용하여 제작된 유량 센서의 경우 수 nl/min의 유량을 측정할 수 있다.대부분의 유량 센서는 제작 시 증폭회로를 동일한 칩 내에 내장하여 잡음을 줄이고 외부회로 없이 신호처리가 가능하도록 만들어진다.② 초소형 혼합기두 개 이상의 물질의 혼합 제어는 화학적 분석과 합성, 약물 주입, 세포 용해 등의 작업에 있어서 매우 중요하다. 일반적으로 물질의 혼합을 위해서는 각 물질간의 접촉 면적이 최대가 되어야 한다. 거시세계의 겨우 난류가 이러한 작요을 충분히 해주지만, 미시세계에서는 확신 및 난류가 충분하게 발생되지 못한다. 마이크로 혼합기는 강제적으로 두 물질을 혼합하기 위해 수동적 방법과 능동적 방법을 사용한다. 수동적 방법의 경우 유로 및 교차 지점의 형태를 확신 및 난류의 발생이 쉽도록 특수하게 제작하며, 능동적 방법의 경우 펌프와 밸브를 사용하여 강제적으로 혼합시키는 형태를 갖는다.③ 초소형 노즐/디퓨저노즐은 입구로부터 출구의 단면적이 점진적으로 작아지는 형태이며, 디퓨저는 반대의 형태를 갖는다. 노즐/디표저에 유체가 흐를 때, 양방향의 유로저항이 다르므로 한쪽 방향의 순유량이 생기게 된다. 일반적으로 노즐과 디표저는 함께 쓰이며, 주로 밸브가 필요 없는 펌프에 사용된다. 주 응용 분야로 잉크젯 프린터 헤드, 초소형 피펫, 질량 분석기, DNA주입기 등이 있으며, 극소량의 핀 배열방식 칩초소형 핀(바늘)을 이용하여 시펀에 점을 찍는 듯한 방법으로 반응 물질의 배열을 만든다. 그 후 검사하고자 하는 시료와 반응시킨 후 레이저를 이용하여 활성화 된 상태를 관찰한다. 이러한 방법은 수천개 이상의 유전자 발현변이를 단 한번의 실험으로 검샐 할 수 있다.② 잉크젯 배열방식 칩핀 방식과 비슷하며, 핀 대신 잉크젯 프린터에 쓰이는 초소형 주사 장치를 사용한다. r동 방식에 따라 열공압형, 전자기형, 압전형이 있다. 이 기술은 유전자를 전기적으로 칩 표면에 닿지 않고 뿌릴 수 있기 때문에 정량의 유전자가 붙어 있는 많은 수의 칩을 생산할 수 있다.③ 반도체 및 MEMS 제조 공정에서 사용되고 있는 사진 식각 기술(photolithography)을 사용하여 수만개의 다른 염기들을 하나의 유리판 위에 직접 합성시켜 chips을 생산한다. 현재 Affymetrix 사에서 이러한 방법을 이용하여 한 개의 칩에 65,000개의 효모 유전자를 갖는 올리고 뉴클레오 타이드 칩을 제작하였다.④ 전기적 배열방식 칩DNA가 음(-) 전하를 띠고 있는 성질을 이용하여 칩의 표면에 있는 특정 위치에 양(+) 전기를 갖도록 하여 유전자를 붙게 만드는 방법을 이용한다. 이 기술은 전기 회로에 고유의 번지를 지정할 수 있고, 목적이 되는 DNA를 원하는 특정 위치에 끌어들임으로써 결합 시간을 단축 할 수 있다. 현재 이 칩은 미국의 Nanogen 사에서 생산하고 있으며 2년 안에 모든 경찰차에 이 칩을 보급하여 범행 현장에서 DNA감식 작업을 할 수 있도록 하고 있다.위의 네 가지 종류의 칩 중 마지막에 언급된 전기적 배열방식 칩을 제외한 형광물질이 부착된 물질과 결합하게 하여 레이저 등의 광원으로 활성화시켜 광학적으로 검출하는 방법을 사용하여, 전기적 배열방식 칩의 경우는 전기신호로 검출하는 방법을 사용한다.Fig. 5 왼쪽 사진은 Affymetrix 사에서 제작된 Genechip이며 중앙 사진은 Nanogen k에서 제작된 Semiconductor Microchip

공학/기술| 2008.12.11| 11페이지| 1,000원| 조회(464)

센서, mems, 절삭가공, 정밀, 초소형

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