정보 통신 체계, 데이터의 흐름에서 메모리 반도체는 ‘데이터 저장과 기억’, 시스템 반도체는 ‘데이터 처리, 가공과 연산’을 담당했습니다. 여기에 추가되는 것이 ‘데이터 입력, 수집과 전달’과 ‘데이터 출력, 전달과 변환’입니다.
이렇게 하면 데이터의 ‘입력 – 처리와 저장 – 출력’의 체계가 완성되며, 이는 컴퓨터의 작동 체계부터 정보 통신의 거대한 체계에 이르기까지 데이터의 순환을 나타내게 되죠.
데이터의 저장과 처리를 맡는 메모리와 시스템 반도체에 더하여 입력을 담당하는 센서와 출력에 해당하는 작동기(액추에이터)의 이야기를 하려 합니다. 물론 관련 분야와 시장에서 주류가 되고 있는 실리콘 반도체를 중심으로 하여서 진행합니다.
입출력 장치, MEMS의 등장
실리콘 반도체 기반의 입출력 소자로 ‘MEMS’를 들 수 있습니다. MEMS는 Micro-Electro-Mechanical-System의 약어로 초소형(Micro), 전자(Electro), 기계(Mechanical), 장치(System) 즉, ‘초소형전자기계장치’ 기술입니다.
‘장치’라 하기에 ‘특정한 목적에 따라 완성된 제품’을 생각하기 쉬우나, MEMS는 특정 공정이나 하나의 기술 분야로 자리매김을 하였고, 지금은 초소형의 센서나 작동기 소자와 부품, 특수하게 가공된 소형 구조물, 그리고 여기에 미세전자공학(microelectronics) 분야가 가미된 소자, 부품, 시스템, 이에 더하여 공정과 제작 기술을 망라한 의미가 되고 있습니다.
1980년대 중 후반, 초기의 MEMS는 머리카락의 굵기인 0.1mm 정도의 움직이는 구조물들을 만들어서 이를 시연하는 발표로 눈길을 끌게 되었고, 이후 적절한 응용 분야에서의 최적화를 과정을 통해 발전해 왔습니다.
그리고, 20세기, 1900년대의 말미를 장식하는 초히트 MEMS 제품들이 마침내 등장합니다. 즉, 떠 있는 구조물로 열적 절연 구조를 만들어 열 손실을 최소화한 적외선 검출기 및 영상 감지 소자(Honeywell), 자동차 에어백의 작동 여부를 결정하기 위한 핵심 소자였으며 지금은 모션 트래킹의 중심인 가속도 센서(Analog Devices), 프로젝터나 프로젝션 TV용으로 지금도 각광을 받고 있는 디지털 마이크로 미러 소자(Digital Micro-Mirror Device, DMD, Texas Instruments), 가속도계와 함께 모바일 기기∙(무인) 자동차∙드론 등에서 모션 감지를 위한 핵심 아이템인 회전 운동 측정용 MEMS 실리콘 각속도계(Draper) 등이 MEMS 기술의 제품화, 범용화 시대를 열었습니다.
이후 학교와 연구소에서는 보다 창의적인 아이디어를 도입하며 MEMS를 기반으로 한 센서와 액추에이터, 그리고 여러 전자 및 기계 소자들의 부품과 시스템들을 연구하여 발표하였고, 기업은 이를 바탕으로 성능과 생산성이 더욱 향상된 MEMS 제품들을 생산해왔습니다.
이제는 마이크로 레벨에서 한 차원 더 소형화된 NEMS(Nano-Electro-Mechanical-System) 분야로 진전해, 반도체 플랫폼 위의 바이오 시스템이나 광전 소자 등 더욱 극미소 영역에서의 연구가 더욱 활발히 진행되고 있습니다.
현재 MEMS 기술은 주로 실리콘 반도체를 플랫폼으로 하여 ‘신호 변환기’로서의 역할을 충실히 수행하면서 통신용, 바이오용, 우주, 군사용, 가전용 등으로 급격한 영역 확장을 이루어 가고 있습니다. 전기와 자기 – 물리와 힘 – 생화학 – 빛과 전자기파 도메인에서의 신호 변환기, 즉 입력 부분인 ‘센서’와 출력 부분인 ‘작동기’에서 새로운 개념을 만들고 있습니다.
모바일 기기와 4차 산업의 시대, 웨어러블, 스마트 혹은 자율 주행차, 드론, 비행 택시 시대의 도래와 함께 움직임 감지, 제어, 실로 다양한 센서와 작동기에 더하여 초소형 지능 시스템의 코어로서 자리매김하고 있습니다.
MEMS 기술을 이용한 구조물, 소자, 부품, 시스템 등은 주로 실리콘 반도체 공정, 즉, 집적 회로 공정과 미세 가공을 통하여 웨이퍼에 일괄 제작됩니다. 실로 다양한 특장점들이 존재하죠. 소자의 크기가 작고, 신호의 증폭, AD(Analog-to-Digital) 변환, 신호 처리 등을 할 수 있는 회로가 함께 집적화될 수 있으며, 아울러 서로 연관성이 있는 다양한 센서들이 하나의 칩에 동시에 만들어지기도 합니다. 단기적인 성능과 재현성은 물론 장기적인 내구성과 신뢰성이 높고(Performance), 가격은 낮아지고(Price), 소비 전력은 적게 들어가니(Power), 3P의 장점과 경쟁력을 지닌 것으로 표현됩니다.
이에 더하여 반도체와 디스플레이처럼 집적도, 성능 등의 핵심 포인트에서 장기적인 로드맵이 만들어지면서 그 응용 분야는 우리의 실생활, 일상으로 깊고 넓게 확장될 것입니다.
MEMS의 응용 분야
MEMS 기술의 응용 분야는 가전부터 국방, 우주 산업까지 다양합니다. 크게 가전 및 모바일 기기류, 자동차를 비롯한 탈 것들, 바이오와 건강, 의료, 환경, 국방 및 우주 산업 등으로 생각해 볼 수 있으며, 이들 분야에 적용되는 센서, 액추에이터, 그리고 다양한 소자와 부품, 마이크로 시스템 등을 망라하죠.
이러한 응용 분야들은 4차 산업 혁명과 사물 인터넷(Internet of Things, IoT), 이를 통한 스마트 라이프와 스마트 홈, 인텔리전트 빌딩, 스마트 팩토리, 스마트 에너지 등으로 이어지면서 특히 센서, 자가 전력 공급 및 신호의 송수신 기능을 갖는 스마트 센서 모듈의 응용도는 급격히 확장되고 있습니다.
이들 중에서 특히 모바일 기기(스마트폰)에 적용되는 MEMS 센서, 소자와 부품에 관한 내용을 다루어 좀 더 살펴보고자 합니다. 모바일 기기 안에는 MEMS 기술의 대부분이 초소형, 저전력 개념으로 집약되어 있으며, 특히 모션 트래킹 센서는 모바일 기기에 이어서 웨어러블 기기, 안전 강화나 무인 자동차와 같은 탈것들, 그리고 드론이나 비행 택시 등까지 확장 응용이 예상되고 있죠.
스마트폰으로 대표되는 모바일 기기에는 현재에도 센서들, 특히 MEMS 기술 및 제품들이 여럿 들어갑니다. 즉, 방위를 나타내는 나침반, 이는 자기 센서(magnetic sensor)로서 주로 자기장에 따른 저항 변화를 측정하고는 있지만, 이후 홀 센서(Hall sensor)와 로렌츠 힘을 이용한 자기장 센서 등으로 변화될 가능성도 적지 않죠. 그리고, 기압 변화를 측정하여 고도를 읽는 압력 센서, 온도 센서, 음향 신호를 전기 신호로 변환하여 주는 MEMS 마이크로폰, 지문 인식 센서, 이에 더하여 가속도와 각속도를 측정, 직선 운동과 회전 운동을 감지하는 관성 센서류가 있죠.
스마트폰이 출현한 이래로 MEMS 센서류의 채택은 급격히 늘어났습니다. 모션 센서로 대표되는 움직임과 방위, 고도 센서에 더하여 가시광, 밝기, 3차원 시각 센서, 근접 센서 등 빛을 감지하거나 감지에 응용하는 광센서류, 그리고 온도와 습도, 자외선이나 유해 가스, 미세 먼지, 혹은 간단한 의료 정보들을 제공하는 환경 및 바이오 센서류로 기술이 발전하면서 채택되는 센서들의 종류와 수량이 꾸준히 확장되고 있습니다.
이러한 센서들에 더하여서, 마이크로폰과 스피커, 자동 초점(auto-focus) 기구, 피코 프로젝터, 통신용 부품 등에 MEMS가 사용되고 있거나 적극 개발 중인 상황입니다.
반도체, 4차산업혁명의 밀알이 된다
4차 산업혁명의 핵심 키워드는 지능화, 연결성, 그리고 자동화입니다. 사물이 소프트웨어 및 하드웨어적으로 지능이 높아지고 사물들이 서로 연결이 된다면 자동화 개념은 저절로 도입이 되죠. 정보통신 기술의 융합적 발전을 통해 고지능형, 초연결성 시대로의 전환이 4차 산업혁명의 시작이라는 점에는 이견이 없습니다.
따라서 4차 산업혁명의 시대에 들어서면서 데이터의 획득에서 시작하여 저장과 처리, 그리고 출력과 피드백으로의 순환을 책임지는 반도체 소자들, 즉 센서, 메모리와 시스템 반도체, 디스플레이와 MEMS의 역할은 아무리 강조하여도 지나치지 않습니다. ‘반도체와 4차 산업혁명’을 모두 다룰 수는 없지만 핵심 기술과 응용 분야인 모션 트래킹, 사물 인터넷과 스마트 홈, 그리고 공장 자동화로 이야기를 이어갑니다.
