인간의 뇌/혈관에 침투해 질환을 파악하고 알아서 치료까지 하는 초소형 의료 로봇, 영화나 드라마 속에서 한 번쯤은 보셨을 텐데요. 공상 과학 영화 속에만 존재하던 로봇이 ‘이 기술’의 등장으로 점차 현실화되고 있다는 사실, 알고 계셨나요?
그 기술의 정체는 바로 MEMS! 마이크로미터 크기의 시스템으로, 다양한 전자기기의 입출력 소자로 활용되는 기술인데요. 이번 시간에는 디바이스 소형화 시대를 이끄는 핵심 기술, MEMS에 대해 자세히 알아봐요!
▪ MEMS(Micro Electro Mechanical System) : 초소형 전자 기계 장치의 약어. 반도체 및 기계 기술을 융합해 제작한 마이크로미터 단위의 초소형 시스템으로, 하나의 기판에 센서 & 회로 & 액추에이터가 탑재된 3차원 구조체
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[활용]
▪ 입력 장치 : 센서(Sensor)
– 온도, 움직임, 압력 등 다양한 물리적 변화를 감지 및 측정하여 전기 신호로 변환
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▪ 출력 장치 : 액추에이터(Actuator)
– 센서가 감지한 전기 신호를 받아 특정 작업을 수행
MEMS 기술은 다양한 부품을 미세한 공간에 집적한다는 점에서 ‘집적 회로(IC)’와 유사하게 느껴질 수 있는데요. 실제로 MEMS는 직접 회로 제작 기술로부터 파생되어 제조 공정은 유사하지만, 적용 목적과 구조는 분명히 다릅니다.
수많은 전자 회로 소자의 집합인 집적 회로와는 다르게 MEMS는 전자 회로 소자와 기계 소자를 결합한 형태로 구성됩니다. 처리하는 정보의 종류와 동작 원리도 각기 다른데요. 집적 회로가 전기 신호를 처리하고 연산하는 데 초점을 두고 있다면, MEMS는 물체의 움직임과 관련된 기계적 정보를 함께 처리해 외부의 변화를 감지하고 반응을 일으키는 방식으로 구동됩니다. 즉 이 2가지를 우리 몸에 비유하자면 집적 회로는 인간의 두뇌, MEMS는 외부 세계와의 인터페이스 역할에 해당하는 눈이나 귀 등에 해당한다고 볼 수 있어요.
집적 회로와 MEMS의 또 다른 점은 구조! 편평한 웨이퍼에 회로를 새겨 만드는 2차원 집적 회로와 달리 MEMS는 칩 위에 모터와 같은 기계적 요소가 포함된 3차원 형태로 제작돼요. 따라서 MEMS의 경우, 입체 구조 특성상 집적 회로 대비 공정이 복잡하고 표준화하기 어렵다는 특성이 있습니다.
전자기기 시스템은 기본적으로 ‘데이터 입력 -> 해석 및 연산 -> 출력’의 체계로 정보를 처리합니다. 이 중 데이터의 연산을 담당하는 것이 실리콘 반도체, 입력부와 출력부에 적용되는 기술이 바로 MEMS인데요. 더 자세히 말하자면, MEMS는 입력을 담당하는 ‘센서(Sensor)’와 출력에 해당하는 ‘작동기(Actuator)’에 주로 활용되고 있어요.
센서는 빛, 소리, 열 등의 외부 자극을 전기 신호로 변환하고, 작동기는 내부 명령 신호를 받아 기계적 움직임을 만들어내죠. 이 두 장치의 역할을 쉽게 이해할 수 있도록 화재 감지 설비를 예로 들어 설명해 드릴게요.
화재 감지 시스템 속에는 열 감지, 연기 감지 센서 등 다양한 센서가 탑재되어 있는데요. 이러한 센서들은 온도나 연기 농도가 높아질 경우 변화를 즉각적으로 감지해 서버에 변화 값을 송출하는 역할을 합니다. 센서로부터 입력된 신호가 설정된 값을 초과하면 서버는 화재가 발생한 것으로 인식해, 신호를 전달! 작동기에서 화재 신호를 받으면 헤드를 개방하여 자동으로 물을 분사하는 것이죠.
대부분의 시스템에는 입/출력 소자가 필요하기에 MEMS 기술은 가전제품부터 모바일 기기, 바이오와 의학까지 다양한 분야에 적용되고 있어요. 그중 일상에서 자주 볼 수 있는 활용 사례를 소개해 드릴게요.
제품의 소형화를 가능하게 하는 MEMS는 모바일 & 웨어러블 기기에 빠질 수 없는 기술입니다. 지문 인식 센서부터 GPS 센서까지 디바이스의 필수적인 기능 구현을 위해 MEMS 기술이 적용되고 있는데요. 예를 들어, 영상을 보거나 게임을 할 때 핸드폰을 돌리면 자동으로 화면이 가로 모드로 전환되죠. 여기에도 디바이스의 움직임과 방위, 고도 등을 감지하는 MEMS가 활용되었다는 사실!
이 밖에도 주위 온도에 따라 냉기를 조절해 주는 에어컨 & 냉장고의 온도 조절 기능부터, 충돌이 감지되면 자동으로 작동해 탑승자를 보호해 주는 자동차의 에어백까지, MEMS는 광범위하게 이용되며 우리의 생활 속 깊숙이 들어와 있습니다.
사물 인터넷(IoT) 시대가 다가옴에 따라 환경 감지 및 연결에 필요한 기능을 제공하는 MEMS의 활용도는 앞으로도 더더욱 무궁무진할 것으로 예상되는 상황! 마이크로미터 이하 크기의 초소형 시스템이 사물 인터넷과의 조합을 통해 어떠한 IT 기술 발전을 끌어낼지 기대됩니다
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MEMS 기술의 핵심 응용 분야
(디일렉, 2024.01.02)
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▪ 집적 회로(Integrated Circuit) : 수많은 독립적 소자를 하나의 기판에 분리 불가능한 상태로 결합한 소형 전자 칩. ‘모아서 쌓는다’ 즉, 집적한다고 하여 집적 회로라 명칭
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