미세전자기계시스템(MEMS) 기술

1. 미세전자기계시스템(MEMS)의 정의와 기술적 의의

1.1 MEMS의 개념 정의

미세전자기계시스템(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)은 기계적 요소(mechanical elements), 센서(sensors), 액추에이터(actuators), 그리고 전자회로(electronics)를 실리콘(silicon)과 같은 공통의 기판(substrate) 위에 마이크로 가공 기술을 통해 집적한 초소형 통합 시스템으로 정의된다.1 이는 단순히 전자 부품과 기계 부품을 물리적으로 혼합한 것을 넘어, 하나의 칩 상에서 상호 유기적으로 작동하며 기능적으로 완벽히 결합된 단일 디바이스를 의미한다.3 MEMS 기술의 본질은 전기적 신호를 입력받아 기계적인 응답(움직임)을 출력하거나, 반대로 외부의 기계적, 물리적 입력을 감지하여 전기적 신호로 변환하는 상호 변환 기능에 있다.5

MEMS 장치를 구성하는 개별 소자들은 마이크로미터(μm) 수준으로 제작되나, 다수의 소자를 포함하는 전체 디바이스의 크기는 수 밀리미터(mm)에 이르기도 한다.1 이처럼 극도로 작은 크기에도 불구하고 복잡한 기계적 및 전기적 기능을 동시에 수행할 수 있는 능력은 MEMS 기술이 현대 전자 제품의 핵심 초석으로 자리매김하게 한 원동력이다. 스마트폰과 자동차에서부터 위성 및 의료 기기에 이르기까지, MEMS는 전례 없는 규모로 기계적 기능과 전기적 기능을 완벽하게 통합함으로써 인류가 기술과 상호작용하는 방식을 근본적으로 변화시키고 있다.1

1.2 MEMS의 핵심 구성요소

MEMS 디바이스는 일반적으로 네 가지 핵심 요소가 유기적으로 결합된 구조를 가진다.

• 마이크로센서 (Micro-sensors): 시스템의 ’감각 기관’에 해당하는 부분으로, 외부 환경으로부터 물리적, 화학적, 생물학적 정보를 감지하는 역할을 수행한다. 압력, 온도, 가속도, 각속도, 자기장, 화학 성분 등 다양한 파라미터를 측정하여 이를 처리 가능한 전기 신호로 변환한다.1 대표적인 예로는 스마트폰의 움직임을 감지하는 MEMS 가속도계, 차량의 자세를 제어하는 자이로스코프, 타이어 공기압을 측정하는 압력 센서 등이 있다.
• 마이크로액추에이터 (Micro-actuators): 시스템의 ’근육’과 같은 역할을 하며, 전자회로로부터 받은 전기적 신호를 물리적인 움직임이나 힘, 혹은 유체의 흐름 제어와 같은 기계적 에너지로 변환한다.1 마이크로미러, 마이크로모터, 마이크로펌프, 마이크로밸브 등이 이에 해당하며, 프로젝터의 영상을 만드는 것부터 잉크젯 프린터에서 잉크를 분사하는 동작까지 다양한 구동 기능을 담당한다.5
• 마이크로구조물 (Micro-structures): 센서와 액추에이터가 기능할 수 있도록 하는 물리적 뼈대를 형성한다. 기어, 빔(beam), 다이어프램(diaphragm), 캔틸레버(cantilever), 스프링 등 다양한 형태를 가지며, 외부 환경이나 시스템 내부와 기계적으로 상호작용하여 힘을 전달하거나 변위를 발생시키는 기반이 된다.1 예를 들어, 압력 센서의 다이어프램은 압력에 따라 휘어지며, 가속도계의 스프링 구조는 관성 질량의 움직임을 지지하고 복원하는 역할을 한다.
• 마이크로일렉트로닉스 (Micro-electronics): 시스템의 ’두뇌’로서, 일반적으로 집적회로(Integrated Circuit, IC) 형태로 구현된다. 마이크로센서로부터 수신한 미세한 아날로그 신호를 증폭하고, 필터링하며, 디지털 신호로 변환(Analog-to-Digital Conversion, ADC)하는 신호 처리 기능을 수행한다. 또한, 처리된 정보를 바탕으로 마이크로액추에이터를 정밀하게 제어하는 역할을 담당한다.5

이러한 구성요소들은 단일 칩 위에 통합됨으로써, 외부 세계를 감지하고(sensing), 정보를 처리하며(processing), 그에 따라 반응하는(actuating) 완전한 소형 시스템을 구현한다.

1.3 MEMS의 주요 기술적 특징

MEMS 기술은 기존의 거시적 기계 시스템이나 순수 전자회로와 구별되는 다음과 같은 독특하고 강력한 특징들을 가진다.

• 소형화 (Miniaturization): 마이크론에서 밀리미터 수준에 이르는 극도로 작은 크기는 제품의 소형화 및 경량화를 가능하게 하며, 제한된 공간에 더 많은 기능을 집적할 수 있게 한다.1
• 고집적화 (High Integration): 센서, 액추에이터, 전자회로 등 이종의 기능들을 단일 칩에 통합함으로써 시스템의 복잡성을 줄이고, 신호 전송 경로를 단축하여 노이즈를 감소시키며, 전체적인 성능과 신뢰성을 향상시킨다.1
• 대량 생산성 (Batch Fabrication): 반도체 IC 제조 공정을 기반으로 하므로, 한 장의 웨이퍼 위에서 수천, 수만 개의 디바이스를 동시에 제작하는 일괄 공정(batch process)이 가능하다. 이는 개당 생산 단가를 획기적으로 낮추어 비용 효율적인 대량 생산을 실현하는 핵심 요인이다.1
• 저전력 소비 (Low Power Consumption): 디바이스의 크기가 작고 움직이는 질량이 매우 작기 때문에 구동에 필요한 에너지가 현저히 적다. 이는 배터리로 구동되는 스마트폰, 웨어러블 기기 등 휴대용 시스템에 MEMS가 필수적으로 사용되는 주된 이유이다.1
• 고감도 및 고정밀도 (High Sensitivity and Precision): 미세 가공 기술을 통해 제작된 정밀한 기계 구조는 매우 미세한 물리량의 변화도 민감하게 감지할 수 있게 하여, 기존의 거시적 센서로는 불가능했던 수준의 정밀도와 감도를 제공한다.1

1.4 집적회로(IC)와의 비교를 통한 MEMS의 본질적 이해

MEMS 기술은 IC 제조 기술에서 파생되었기에 많은 유사점을 공유하지만, 그 본질에는 명확한 차이점이 존재한다. IC가 트랜지스터와 같은 전자 소자들로 구성된 순수한 전기 회로로서, 주로 정보의 연산 및 저장을 포함한 ‘처리’ 기능을 수행하는 2차원적 평면 구조에 가깝다면, MEMS는 여기에 ’움직이는 부품’과 같은 기계적 구조를 포함하여 물리적 세계와 직접적으로 ’상호작용’하는 기능을 수행한다.1

이러한 기능적 차이는 제조 공정의 차이로 이어진다. IC 공정이 주로 박막의 증착과 패터닝을 반복하여 2차원적인 회로층을 쌓아 올리는 데 중점을 두는 반면, MEMS 공정은 기판 자체를 깎아내거나(벌크 마이크로머시닝), 특정 층을 제거하여(표면 마이크로머시닝) 자유롭게 움직일 수 있는 3차원적이고 입체적인 기계 구조물을 형성해야 한다는 점에서 근본적인 차이를 보인다.6 즉, IC가 전자의 흐름을 제어하는 기술이라면, MEMS는 원자(물질)의 물리적 이동을 제어하는 기술이라 할 수 있다.

궁극적으로 MEMS는 단순히 작은 기계를 만드는 기술을 넘어선다. 이는 반도체라는 강력하고 성숙한 플랫폼 위에 기계, 전자, 광학, 화학, 생물학 등 다양한 분야의 이종 기술들을 자유롭게 통합하여 새로운 기능과 가치를 창출하는 ’플랫폼 기술’로서의 본질을 가진다. 실리콘 외에도 금속, 세라믹, 폴리머 등 다양한 소재를 활용할 수 있으며 4, 광학 기술과 결합하여 MOEMS(Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems)를, 무선 주파수 기술과 결합하여 RF-MEMS를, 생명 공학과 결합하여 Bio-MEMS를 탄생시키는 등 그 확장성은 무한하다.9 따라서 MEMS의 진정한 가치는 개별 부품의 소형화 자체에 있는 것이 아니라, 이러한 이종 기술들을 융합하여 기존에는 불가능했던 새로운 기능의 시스템을 창출하는 능력에 있다.

2. MEMS 기술의 역사적 발전 과정

MEMS 기술은 반도체 기술의 발전과 궤를 같이하며, 약 70년에 걸쳐 과학적 발견에서부터 산업의 핵심 기술로 자리 잡기까지 역동적인 발전 과정을 거쳐왔다. 이 과정은 특정 기술의 선도적인 개발이 새로운 시장의 수요를 창출하고, 다시 그 시장의 요구가 기술의 발전을 촉진하는 ’기술 견인(Technology-Push)’과 ’시장 견인(Market-Pull)’의 상호작용으로 점철되어 있다.

2.1 태동기 (1950-1970년대): 개념의 정립과 기반 기술의 확보

MEMS의 역사는 반도체 재료의 기계적 특성에 대한 과학적 탐구에서 시작되었다. 1954년, 벨 연구소(Bell Labs)의 찰스 스미스(Charles Smith)가 실리콘(Si)과 게르마늄(Ge) 결정에 기계적 응력을 가했을 때 전기 저항이 크게 변하는 압저항(piezoresistivity) 효과를 발견한 것이 그 시초이다.10 이 발견은 기계적인 변형이라는 물리량을 전기적인 신호로 직접 변환할 수 있는 길을 열어주었으며, 오늘날 가장 널리 사용되는 MEMS 압력 센서의 핵심 이론적 토대를 마련했다. 이는 명백한 ’기술 견인’의 사례로, 새로운 과학적 원리가 미래 기술의 가능성을 제시한 순간이었다.

1960년대에 들어서면서 실리콘을 전자 소자뿐만 아니라 기계 구조물의 재료로 활용하려는 초기 연구가 시작되었다. 실리콘 가공 기술을 이용해 밸브, 펌프, 기어 등과 같은 미세 기계 부품을 2차원 평면 형태로 제작하려는 시도가 이루어졌다.12 이 시기의 가장 중요한 기술적 진보는 3차원 구조물 제작의 기반을 닦은 공정 기술의 개발이었다. 1960년대 후반, 실리콘 웨이퍼와 유리를 강한 전기장을 이용해 접합하는 양극 접합(anodic bonding) 공정이 발명되었고, KOH(수산화칼륨)와 같은 화학 용액을 이용해 실리콘 결정 방향에 따라 식각 속도가 달라지는 비등방성 식각(anisotropic etching) 기술이 개발되었다.13 이러한 기반 기술들은 평면적인 반도체 공정을 3차원적인 구조물 제작으로 확장하는 결정적인 발판이 되었다.

1970년대는 이러한 기반 기술들이 실제 제품으로 구현되기 시작한 시기이다. 실리콘 다이어프램 구조와 압저항 효과를 결합한 압력 센서의 시제품이 출현하였고 13, Honeywell과 Motorola와 같은 기업들이 이를 상용화하여 자동차 및 산업용으로 생산하기 시작했다.13 이는 MEMS 기술이 실험실 수준을 넘어 산업적 가치를 지닐 수 있음을 최초로 입증한 사례였다.

2.2 성장기 (1980-1990년대): 마이크로머시닝 기술의 확립과 상용화

1980년대는 MEMS 기술이 학문적으로 체계화되고 핵심 공정 기술들이 완성된 중요한 시기였다. 1982년, 스탠퍼드 대학의 커트 피터슨(Kurt Petersen)이 미국전기전자공학회(IEEE)지에 발표한 ’기계적 소재로서의 실리콘(Silicon as a Mechanical Material)’이라는 기념비적인 논문은 실리콘의 우수한 기계적 특성을 집대성하고 그 잠재적 응용 가능성을 제시함으로써 전 세계 연구자들의 연구 개발 열기에 불을 지폈다.13

이 시기부터 MEMS 기술 개발은 가속화되기 시작했다. 다결정 실리콘을 이용한 마이크로 모터, 정전기력으로 구동되는 빗살형 액추에이터(comb drive actuator), 그리고 X선 리소그래피와 전기도금을 이용해 수백 마이크로미터 높이의 정밀한 3차원 구조물을 제작할 수 있는 LIGA 공정 등이 연이어 발표되었다.13 또한, 1980년대 초에는 일회용 혈압 진단 키트에 사용되는 압력 센서가 개발되면서 의료 분야에서의 상업화 가능성도 본격적으로 타진되기 시작했다.14

1990년대는 MEMS 기술이 본격적으로 상업화에 성공하며 하나의 산업으로 자리매김한 시기이다. 자동차 산업의 안전 규제 강화라는 강력한 ‘시장 견인’ 요인은 MEMS 센서의 첫 번째 대규모 시장을 열었다. Analog Devices는 표면 마이크로머시닝 기술을 이용해 자동차 에어백 시스템용 가속도계를 성공적으로 상용화했다. 이와 동시에, Texas Instruments는 수백만 개의 미세 거울을 집적한 디지털 마이크로미러 디바이스(DMD)를 개발하여 디지털 광학 기술(DLP) 프로젝터 시장을 개척했으며, Hewlett-Packard는 미세 가공된 노즐을 이용한 잉크젯 프린터 헤드를 출시하여 대중화에 성공했다.13 이 성공 사례들은 MEMS 기술이 다양한 응용 분야에서 혁신적인 제품을 만들어낼 수 있음을 명확히 보여주었다. 특히, 2006년 닌텐도(Nintendo)가 게임 컨트롤러인 ’Wii 리모컨’에 MEMS 가속도계를 탑재하여 직관적인 동작 인식을 구현한 것은 MEMS 기술이 전문가의 영역을 넘어 일반 대중의 일상 속으로 파고드는 결정적인 계기가 되었다.5

2.3 확장기 (2000년대-현재): 응용 분야의 다각화와 기술 융합

2000년대 이후 MEMS 기술은 스마트폰의 등장과 함께 폭발적인 성장기를 맞이했다. 작고, 저렴하며, 저전력으로 작동하는 MEMS 센서는 스마트폰에 화면 자동 회전, 제스처 인식, 내비게이션 등 다양한 지능형 기능을 부여하는 핵심 부품이 되었다. 이러한 거대한 소비자 시장의 수요는 다시 MEMS 기술의 소형화, 저전력화, 고성능화를 촉진하는 강력한 동력이 되었고, 이는 기술 발전과 시장 확대가 서로를 가속하는 선순환 구조를 형성했다.

이 시기에는 MEMS 기술이 다른 첨단 기술 분야와 적극적으로 융합하며 전문화되고 심화되는 경향이 뚜렷해졌다.

• 바이오 MEMS (Bio-MEMS): 생명공학(BT)과의 융합을 통해 하나의 칩 위에서 시료의 주입, 혼합, 반응, 분석 등 복잡한 실험 과정을 자동으로 수행하는 랩온어칩(Lab-on-a-Chip)이나, 수많은 유전자를 동시에 분석할 수 있는 DNA 칩과 같은 혁신적인 진단 및 분석 시스템으로 발전했다.9
• 광학 MEMS (MOEMS): 광학 기술과의 결합을 통해 광통신 네트워크에서 빛의 경로를 물리적으로 전환하는 광스위치, 프로젝터의 핵심 부품인 마이크로미러 어레이 등 정보통신 및 디스플레이 분야의 핵심 부품으로 자리 잡았다.9
• RF-MEMS: 무선 주파수(RF) 기술과의 융합을 통해 기존 반도체 소자로는 구현하기 어려운 고성능 스위치, 필터, 공진기 등을 개발하여 5G 통신을 비롯한 차세대 무선 통신 시스템의 성능을 향상시키는 데 기여하고 있다.13

이처럼 MEMS 기술은 초기에는 단일 센서 개발에 집중되었으나, 점차 다양한 이종 기술과 융합하여 복잡한 기능을 수행하는 ’시스템’으로 진화하고 있으며, 그 응용 범위는 이제 가전, 자동차를 넘어 의료, 통신, 산업, 국방, 우주 등 사회 전반으로 확장되고 있다.

3. MEMS의 기본 구조 및 작동 원리

MEMS 기술의 핵심은 물리적 세계의 아날로그 신호를 디지털 세계의 전기 신호로 변환하거나 그 반대의 과정을 수행하는 데 있다. 이를 위해 다양한 물리적 원리를 활용하는 감지(sensing) 및 구동(actuation) 메커니즘이 개발되었으며, 이는 정밀하게 가공된 미세 구조물을 통해 구현된다.

3.1 신호 변환 메커니즘: 트랜스듀서(Transducer)로서의 MEMS

MEMS 디바이스의 본질은 하나의 에너지 형태를 다른 형태의 에너지로 변환하는 장치, 즉 트랜스듀서(transducer)로서의 역할에 있다.2 이 변환 과정은 크게 두 가지 방향으로 이루어진다.

• 센서 (Sensor)로서의 기능: 외부 환경의 비전기적 신호(에너지)를 전기적 신호로 변환하는 역할을 한다. 예를 들어, 기계적 신호(압력, 가속도, 진동), 열에너지, 광에너지, 화학 반응 에너지 등을 측정 가능한 전압, 전류, 저항, 또는 커패시턴스의 변화로 바꾼다.5 이 과정은 외부 세계의 정보를 시스템이 이해할 수 있는 언어로 ’번역’하는 과정에 비유할 수 있다.
• 액추에이터 (Actuator)로서의 기능: 시스템 내부의 전기적 신호(에너지)를 외부 환경에 영향을 미치는 기계적 움직임이나 힘으로 변환하는 역할을 한다.5 예를 들어, 인가된 전압을 이용해 마이크로미러의 각도를 조절하거나 펌프의 다이어프램을 움직여 유체를 이송하는 등의 동작을 수행한다. 이는 시스템의 ’의지’를 물리적 세계에 ’실현’하는 과정이라 할 수 있다.

3.2 주요 감지 및 구동 원리 분석

MEMS는 다양한 물리적 원리를 기반으로 신호를 변환한다. 특정 응용 분야의 요구사항과 제조 공정의 제약 사이에서 최적의 균형을 이루는 방식을 선택하는 것이 설계의 핵심이다.

• 정전용량(Capacitive) 방식: 서로 마주 보는 두 개의 전극판으로 구성된 커패시터(capacitor) 구조를 기본으로 한다. 외부의 힘이나 가속도에 의해 한쪽 전극(주로 움직이는 구조물)이 이동하면 두 전극 사이의 간격(d) 또는 마주 보는 면적(A)이 변하게 된다. 커패시턴스는 C∝A/d 관계를 가지므로, 이 미세한 커패시턴스 변화를 정밀 회로를 통해 측정함으로써 외부 입력을 감지한다.1 이 방식은 소비 전력이 매우 낮고, 높은 감도를 구현할 수 있으며, 온도 변화에 비교적 둔감하다는 장점이 있어 고성능 가속도 센서, 자이로스코프, 압력 센서, 마이크로폰 등에 널리 사용된다.15 그러나 비선형성이 나타날 수 있고, 미세한 신호를 처리하기 위한 복잡한 회로가 필요하다는 단점도 존재한다.
• 압저항(Piezoresistive) 방식: 실리콘과 같은 반도체 재료에 기계적인 변형력(stress)이 가해질 때, 내부 결정 구조의 변형으로 인해 전기 저항률이 변하는 압저항 효과를 이용한다.15 주로 압력 센서의 다이어프램과 같이 변형이 발생하는 부분에 저항체를 형성시켜, 압력에 따른 저항 값의 변화를 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)와 같은 회로로 측정한다. 이 방식은 구조가 비교적 간단하고 공정이 용이하며, 출력 신호가 커서 신호 처리가 단순하다는 장점이 있어 산업 전반의 범용 압력 센서에 널리 쓰이고 있다.15 하지만 온도에 따라 저항 값이 변하는 온도 민감성이 커서 정밀한 온도 보상 회로가 필수적이라는 단점을 가진다.
• 압전(Piezoelectric) 방식: 수정(quartz)이나 PZT(Lead Zirconate Titanate)와 같은 압전 재료에 기계적 압력을 가하면 재료 내부에 전압이 발생하는 정압전 효과(direct piezoelectric effect) 또는 반대로 전압을 가하면 재료가 변형되는 역압전 효과(converse piezoelectric effect)를 이용한다.1 잉크젯 프린터 헤드에서는 역압전 효과를 이용해 잉크를 분사하고, 일부 마이크로폰이나 표면 탄성파(SAW) 필터 등에서는 정압전 효과를 이용해 음파나 신호를 감지한다. 빠른 응답 속도를 가지는 장점이 있다.
• 열(Thermal) 방식: 열전달 원리나 재료의 열팽창 특성을 이용한다. 예를 들어, 기체 유량 센서는 가열된 저항체 주변으로 기체가 흐를 때 열 손실률이 유량에 비례하여 변하는 원리를 이용해 유량을 측정한다.1 또한, 서로 다른 열팽창 계수를 가진 두 재료를 붙인 바이메탈(bimetal) 구조에 열을 가해 휘어지게 만드는 방식으로 마이크로액추에이터를 구동하기도 한다. 비냉각 적외선 이미지 센서의 핵심 소자인 볼로미터(bolometer)는 적외선을 흡수하여 온도가 변하면 저항이 바뀌는 원리를 이용한다.7
• 광학(Optical) 방식: 빛의 고유한 특성인 반사, 회절, 간섭 등을 이용한다. 대표적인 예인 디지털 마이크로미러 디바이스(DMD)는 수백만 개의 미세 거울이 전기 신호에 따라 각도를 조절하여 빛을 반사시키는 경로를 제어함으로써 영상을 구현한다.1 또한, 광섬유 통신에 사용되는 광스위치는 MEMS 구조를 이용해 빛의 경로를 물리적으로 차단하거나 변경하는 방식으로 신호를 제어한다.

이러한 작동 원리의 선택은 단순히 기술적 우위를 따르는 것이 아니라, 해당 기술이 적용될 애플리케이션의 요구사항과 제조 공정의 현실적인 제약 사이의 복합적인 트레이드오프(trade-off) 결과물이다. 예를 들어 압력 센서 시장을 살펴보면, 압저항 방식은 공정이 단순하고 저렴하여 대량 생산이 필요한 자동차나 산업용 분야에서 지배적인 위치를 차지한다.15 반면, 정전용량 방식은 공정이 복잡하고 비용이 더 들지만 온도 특성이 우수하고 고감도를 구현할 수 있어, 미세한 압력 변화를 정밀하게 측정해야 하는 생체 의료용이나 특정 정밀 계측 분야에서 그 가치를 인정받는다.15 이처럼 각 기술은 고유의 장단점을 가지며, 시장의 요구와 경제성을 고려한 전략적 선택을 통해 각자의 영역에서 최적의 솔루션으로 자리 잡고 있다.

3.3 주요 미세 구조물의 기능 및 원리

상술한 작동 원리들은 다음과 같은 대표적인 미세 기계 구조물을 통해 구현된다.

• 다이어프램 (Diaphragm): 압력 센서의 가장 기본적인 구조로, 얇은 막 형태로 제작된다. 외부 압력과 내부 기준 압력의 차이에 의해 막이 위나 아래로 휘게 되는데, 이 휨(변형)의 정도를 압저항 소자나 커패시터 전극을 이용해 측정함으로써 압력을 감지한다.15
• 캔틸레버 (Cantilever): 한쪽 끝만 고정된 외팔보(diving board) 형태의 구조물이다. 끝단에 가해지는 미세한 힘이나 표면의 질량 변화에 매우 민감하게 반응하여 휘거나 진동 주파수가 변한다. 이러한 특성을 이용해 원자 현미경(AFM)의 탐침이나 극미량의 화학/생물학 물질을 감지하는 바이오 센서 등에 응용된다.1
• 진동 질량 및 스프링 (Seismic Mass and Spring): 가속도계와 자이로스코프의 핵심을 이루는 관성계 시스템이다. 외부에서 가속이 인가되면, 관성의 법칙에 따라 진동 질량은 원래의 위치를 유지하려는 경향 때문에 프레임에 대해 상대적으로 움직이게 된다. 이 상대적인 변위는 질량을 지지하는 스프링 구조의 변형을 유발하며, 이 변형을 정전용량 방식으로 측정하여 가속도를 계산한다.7
• 빗살 구동기 (Comb Drive): 서로 맞물려 있는 두 개의 빗살 모양 전극으로 구성된 대표적인 정전 구동 액추에이터이다. 두 전극 사이에 전압을 인가하면 발생하는 정전기적 인력(electrostatic force)을 이용해 한쪽 빗살 구조를 수평 방향으로 정밀하게 움직일 수 있다.18 큰 변위를 얻을 수 있고 정밀한 위치 제어가 가능하여 공진기, 광학 스캐너 등 다양한 액추에이터에 사용된다.

4. MEMS 제작 기술: 마이크로머시닝 공정

MEMS 디바이스의 구현은 반도체 집적회로(IC) 제조 기술을 기반으로 하면서도, 3차원의 움직이는 기계 구조물을 만들기 위한 독자적인 특화 공정들을 결합한 마이크로머시닝(micromachining) 기술을 통해 이루어진다. IC 공정이 2차원 평면 위에서 전기적 특성을 제어하는 데 집중한다면, MEMS 공정의 핵심 과제는 ’3차원’의 형태와 ’움직임’을 정밀하게 제어하는 데 있다.

4.1 반도체 공정 기반 기술의 응용

MEMS 제작 공정의 근간은 반도체 산업에서 수십 년간 발전시켜 온 핵심 단위 공정들이다. 증착(Deposition), 패터닝(Patterning), 식각(Etching)이라는 세 가지 기본 공정의 반복을 통해 복잡한 구조가 형성된다.7

• 포토리소그래피 (Photolithography): ’사진 식각’이라고도 불리며, MEMS 구조의 형태를 정의하는 가장 중요한 패터닝 공정이다. 웨이퍼 위에 빛에 반응하는 감광액(Photoresist, PR)을 얇고 균일하게 도포한 후, 만들고자 하는 구조의 패턴이 그려진 마스크(mask)를 올려놓고 자외선(UV)과 같은 빛을 조사한다. 빛을 받은 부분 또는 받지 않은 부분의 감광액 성질이 변하게 되며, 이후 현상액(developer)을 이용해 특정 부분의 감광액을 제거하면 웨이퍼 위에 원하는 패턴이 남게 된다.1 이 남은 감광액 패턴은 이후 진행될 증착이나 식각 공정에서 마스크 역할을 하여 특정 영역을 보호하거나 노출시키는 역할을 한다.20

• 증착 (Deposition): 웨이퍼 기판 위에 원하는 물질의 얇은 막(thin film)을 입히는 공정이다. 이 박막은 MEMS의 구조체를 형성하는 구조층(structural layer), 나중에 제거될 희생층(sacrificial layer), 또는 전기 신호를 전달하는 전극층 등 다양한 용도로 사용된다.24 증착 방식은 크게 두 가지로 나뉜다.

• 물리적 기상 증착 (PVD, Physical Vapor Deposition): 증착할 물질을 물리적인 방법(가열 증발 또는 이온 충돌)으로 기화시켜 웨이퍼에 달라붙게 하는 방식이다. 스퍼터링(Sputtering)과 증발(Evaporation)이 대표적이다.19

• 화학적 기상 증착 (CVD, Chemical Vapor Deposition): 반응 가스를 챔버 내로 주입하여 웨이퍼 표면에서 화학 반응을 통해 박막을 형성하는 방식이다. 박막의 품질과 균일도가 우수하여 절연막(산화막, 질화막)이나 다결정 실리콘(Poly-Si) 증착에 널리 사용된다.23

• 식각 (Etching): 화학 용액이나 반응성 가스를 이용해 웨이퍼나 증착된 박막의 특정 부분을 선택적으로 제거하여 원하는 3차원 형상을 조각하는 공정이다.1

• 습식 식각 (Wet Etching): 액체 상태의 화학 약품(식각액)에 웨이퍼를 담가 식각하는 방식이다. 공정이 간단하고 비용이 저렴하지만, 모든 방향으로 식각이 진행되는 등방성(isotropic) 특성 때문에 정밀한 수직 구조를 만들기 어렵다는 단점이 있다. 단, 단결정 실리콘의 경우 결정면에 따라 식각 속도가 다른 비등방성(anisotropic) 식각이 가능하여 V자 홈 등을 제작하는 데 사용된다.1

• 건식 식각 (Dry Etching): 진공 챔버 내에서 플라즈마 상태의 반응성 가스나 이온을 이용해 물질을 제거하는 방식이다. 이온의 직진성을 이용하므로 수직 방향으로 정밀한 식각이 가능하여(비등방성), 종횡비(aspect ratio)가 높은 구조 제작에 필수적이다.1 특히, 식각과 측벽 보호 공정을 반복하여 매우 깊고 수직적인 구조를 만드는 깊은 반응성 이온 식각(DRIE, Deep Reactive Ion Etching)은 MEMS 제작의 핵심 공정 기술 중 하나로 꼽힌다.19

4.2 MEMS 특화 공정 기술

반도체 기본 공정 외에, 움직이는 3차원 구조를 구현하기 위해 MEMS 고유의 특화된 공정 기술이 사용된다.

• 벌크 마이크로머시닝 (Bulk Micromachining): 실리콘 웨이퍼 기판(bulk) 자체를 식각하여 구조물을 만드는 가장 전통적인 MEMS 가공 방식이다.1 주로 습식 비등방성 식각을 이용해 웨이퍼의 한쪽 면 또는 양면에서부터 깊게 파내어 압력 센서의 얇은 다이어프램이나 유체 노즐과 같은 비교적 단순한 구조를 제작하는 데 사용된다.28
• 표면 마이크로머시닝 (Surface Micromachining): 기판 표면(surface) 위에 여러 층의 박막을 쌓아 구조물을 만드는 방식이다. 핵심은 ‘희생층(sacrificial layer)’ 개념에 있다. 먼저 기판 위에 희생층(주로 산화막)을 증착하고 패터닝한 후, 그 위에 실제 움직일 구조물에 해당하는 구조층(주로 다결정 실리콘)을 증착한다. 마지막으로, 특정 화학 약품을 이용해 희생층만을 선택적으로 제거하면, 구조층이 기판으로부터 분리되어 자유롭게 움직일 수 있는 구조가 완성된다.1 이 방식은 기어, 힌지, 모터 등 복잡하고 정교한 기계 시스템을 제작하는 데 매우 유용하다.
• LIGA 공정: 독일어인 리소그래피(Lithographie), 전기도금(Galvanoformung), 성형(Abformung)의 머리글자를 딴 기술이다. 강력한 투과력을 가진 X선을 이용한 리소그래피로 수백 마이크로미터(μm) 두께의 감광재에 매우 정밀하고 수직적인 패턴을 형성한 후, 이 패턴을 틀로 삼아 금속(주로 니켈)을 전기도금하여 금속 구조물을 만든다. 이 금속 구조물을 최종 제품으로 사용하거나, 다시 이를 금형으로 사용하여 플라스틱이나 세라믹 재료를 사출 성형하는 방식으로 대량 복제할 수 있다.18 매우 높은 종횡비(high aspect ratio)를 갖는 정밀 부품 제작에 탁월한 기술이다.

4.3 재료 및 패키징 기술

• 주요 재료: MEMS의 가장 기본이 되는 재료는 우수한 기계적, 전기적 특성과 성숙한 가공 기술을 갖춘 단결정 실리콘이다.29 하지만 응용 분야가 다각화되면서 특정 기능을 구현하기 위해 다양한 재료가 적극적으로 활용되고 있다. 예를 들어, RF-MEMS나 광학 부품에는 금속이, Bio-MEMS에는 생체 적합성이 좋은 폴리머가, 고온 환경에서는 세라믹이 사용되며, 자성(magnetic) MEMS에는 자성 재료가 필수적이다.4
• 패키징 (Packaging): 패키징은 완성된 MEMS 칩을 외부의 물리적 충격, 수분, 오염 등으로부터 보호하고, 외부 시스템과 전기적으로 연결해주는 필수적인 후공정이다. 그러나 MEMS 패키징은 IC 패키징과 비교할 수 없을 정도로 복잡하고 어렵다. 그 이유는 MEMS가 움직이는 부품을 포함하고 있으며, 많은 경우 압력, 음파, 빛 등 외부 환경과 상호작용해야 하기 때문이다. 따라서 내부 구조물은 보호하면서도 필요한 물리량은 통과시켜야 하는 모순적인 요구사항을 만족시켜야 한다.32 이로 인해 패키징이 전체 MEMS 디바이스 비용의 상당 부분을 차지하기도 한다. 이러한 문제를 해결하고 비용 절감과 소형화를 동시에 달성하기 위해, 개별 칩 단위가 아닌 웨이퍼 전체를 한 번에 패키징하는 웨이퍼 레벨 패키징(WLP, Wafer-Level Packaging) 기술이 핵심 기술로 주목받고 있다.28

이처럼 MEMS 제조의 본질적인 복잡성과 기술적 난이도는 단순히 작은 부품을 만드는 데 있는 것이 아니다. 그것은 성숙한 반도체 공정 플랫폼 위에서 ’움직이는 3차원 기계’를 원자 단위의 정밀도로 제어하여 제작하고, 이 섬세한 구조가 외부 환경과 상호작용하며 안정적으로 작동하도록 보호하는 전 과정에 걸쳐 있다. 박막 증착 시 발생하는 잔류 응력(residual stress)을 제어하여 구조물이 휘지 않게 만들어야 하고, 표면 마이크로머시닝 후 구조물이 바닥에 달라붙는 점착(stiction) 현상을 방지해야 하며, 외부 환경과 소통하는 동시에 내부를 보호하는 패키징을 구현해야 한다.35 이 ’3차원’과 ’움직임’이라는 두 가지 요소가 바로 MEMS 기술의 높은 진입 장벽을 형성하는 동시에, 그 독보적인 부가가치를 창출하는 원천이 된다.

5. MEMS 기술의 응용 분야

MEMS 기술은 그 고유의 특성인 소형화, 저전력, 고성능을 바탕으로 현대 산업의 거의 모든 분야에 깊숙이 침투하여 혁신을 주도하고 있다. 특히 자동차, 소비자 가전, 의료, 정보 통신 등 주요 산업에서 핵심적인 역할을 수행하며, 사용자가 인지하지 못하는 사이 일상 경험의 질을 높이는 ’보이지 않는 기술(Invisible Technology)’로서 그 가치를 발휘하고 있다.

5.1 자동차 산업 (Automotive)

자동차 산업은 MEMS 기술이 가장 먼저 대규모로 상용화된 분야이자, 현재까지도 가장 큰 시장 중 하나를 형성하고 있다.37 자동차의 안전성, 편의성, 효율성을 향상시키는 데 MEMS 센서는 필수불가결한 요소로 자리 잡았다.

• 관성 센서 (Inertial Sensors): 자동차 안전 시스템의 핵심이다. 가속도 센서는 충돌 시 급격한 감속을 감지하여 수 밀리초 내에 에어백을 전개시키는 역할을 한다.6 또한, **자이로스코프(각속도 센서)**는 가속도 센서와 함께 차량의 미끄러짐이나 회전 상태를 실시간으로 감지하여, 각 바퀴의 제동력을 독립적으로 제어하는 전자식 주행 안정화 컨트롤(ESC, Electronic Stability Control) 시스템의 핵심 두뇌 역할을 수행함으로써 사고를 미연에 방지한다.38
• 압력 센서 (Pressure Sensors): 다양한 부분에서 압력을 모니터링한다. 타이어 공기압 모니터링 시스템(TPMS, Tire Pressure Monitoring System)은 타이어 내부의 압력 저하를 운전자에게 알려주어 안전 운행을 돕는다. 엔진의 흡기 매니폴드 절대압(MAP) 센서는 흡입되는 공기의 양을 정밀하게 측정하여 최적의 연료 분사를 가능하게 함으로써 연비 향상과 배기가스 저감에 기여한다. 이 외에도 브레이크 오일 압력, 연료 압력 감지 등에도 널리 사용된다.13
• 기타 응용: MEMS 마이크로폰은 차량 내 음성 인식 시스템, 핸즈프리 통화 기능을 지원하며, 최근에는 자율주행 기술의 일환으로 구급차 사이렌과 같은 외부의 특정 소리를 감지하는 데에도 활용되고 있다.40
  유량 센서는 엔진으로 유입되는 공기와 연료의 흐름을 정밀하게 제어하는 데 사용된다.39

5.2 소비자 가전 (Consumer Electronics)

2000년대 후반 스마트폰의 등장은 MEMS 기술이 폭발적으로 성장하는 기폭제가 되었다. 제한된 공간과 배터리 용량 하에서 다양한 사용자 경험을 제공해야 하는 모바일 기기의 요구사항은 MEMS 기술의 장점과 완벽하게 부합했다.2

• 가속도계 및 자이로스코프: 스마트폰, 태블릿, 스마트워치, 게임 컨트롤러 등 거의 모든 휴대용 기기에 탑재되어 있다. 기기의 기울임에 따라 화면을 가로 또는 세로로 자동 전환하고, 사용자의 걸음 수를 세는 스텝 카운터, 손떨림을 보정하는 카메라의 광학적 이미지 안정화(OIS), 그리고 직관적인 제스처 인식 기반의 사용자 인터페이스를 구현하는 핵심 기술이다.1
• MEMS 마이크로폰: 기존의 일렉트릿 콘덴서 마이크(ECM)를 빠르게 대체하며 스마트폰, 노트북, 무선 이어폰, AI 스피커 등의 표준 부품으로 자리 잡았다. 초소형 크기에도 불구하고 높은 신호 대 잡음비(SNR)를 제공하여 깨끗한 통화 품질과 정확한 음성 인식을 가능하게 한다.1
• 마이크로미러 (DMD/DLP): Texas Instruments가 개발한 디지털 마이크로미러 디바이스(DMD)는 수십만에서 수백만 개에 이르는 미세 거울들이 초당 수천 번씩 개별적으로 각도를 조절하여 빛을 반사시키는 원리로 동작한다. 이 기술은 고해상도 디지털 광학 기술(DLP) 프로젝터, 디지털 영화관, 헤드업 디스플레이(HUD) 등의 핵심 부품으로 사용되고 있다.13
• 잉크젯 프린터 헤드: MEMS 기술의 가장 성공적인 초기 상용화 사례 중 하나로, 수백 개의 미세 노즐과 가열 또는 압전 액추에이터를 집적하여 잉크 방울을 종이 위에 정밀하게 분사한다.13

5.3 의료 및 헬스케어 (Medical & Healthcare)

생명공학(BT)과 융합된 Bio-MEMS 기술은 질병의 조기 진단, 개인 맞춤형 치료, 실시간 건강 모니터링 등 의료 및 헬스케어 분야에 혁신을 가져오고 있다.14

• 진단 시스템: **랩온어칩(Lab-on-a-Chip)**은 혈액이나 타액과 같은 극소량의 시료만으로도 기존의 대형 실험실에서 수행하던 복잡한 생화학 분석을 칩 하나로 신속하게 수행할 수 있게 한다. 이는 현장 진단(Point-of-Care Testing, POCT)을 가능하게 하여 질병의 조기 발견에 크게 기여한다.1 **DNA 칩(마이크로어레이)**은 수많은 유전자 탐침을 칩 위에 집적하여 유전병 진단이나 신약 개발을 위한 유전자 발현 분석에 활용된다.14
• 의료용 압력 센서: 일회용 혈압 측정 키트에 사용되어 저렴하고 정확한 혈압 측정을 가능하게 한다. 또한, 혈관 내 압력을 직접 측정하기 위한 카테터(catheter)의 끝에 장착되거나, 녹내장 환자의 안압을 24시간 모니터링하기 위한 스마트 콘택트렌즈에 삽입되는 등 다양한 형태로 활용되고 있다.1
• 약물 전달 시스템 (DDS, Drug Delivery System): 마이크로펌프는 인슐린과 같은 약물을 체내에 정밀한 양으로 지속해서 주입하는 데 사용된다. **마이크로니들(microneedle)**은 통증 없이 피부를 통해 약물을 전달하는 새로운 방식으로 주목받고 있다.13

5.4 정보 통신 (Information & Communications)

정보 통신 분야에서는 RF-MEMS와 Optical MEMS(MOEMS) 기술이 통신 시스템의 소형화, 고성능화, 저전력화를 이끌고 있다.

• RF-MEMS: 5G와 같은 차세대 이동통신 시스템은 더 많은 주파수 대역을 사용하므로, 신호를 효율적으로 처리하기 위한 고성능 RF 부품이 필수적이다. RF-MEMS 기술은 기계적인 움직임을 이용해 신호를 전환하는 RF 스위치, 안테나 성능을 최적화하는 가변 커패시터(튜너), 특정 주파수 신호만 통과시키는 공진기 및 필터 등을 기존 반도체 소자보다 훨씬 낮은 손실과 높은 선형성으로 구현할 수 있다.1
• Optical MEMS (MOEMS): 대용량 데이터 트래픽을 처리하는 광통신 네트워크에서 빛의 경로를 물리적으로 전환하는 **광스위치(optical switch)**의 핵심 기술로 사용된다. MEMS 기반 광스위치는 수많은 광섬유 채널을 빠르고 안정적으로 연결할 수 있다. 이 외에도 광 신호의 세기를 조절하는 광감쇠기(attenuator) 등에도 활용된다.5

5.5 산업 및 항공우주 (Industrial & Aerospace)

극한 환경에서의 정밀한 측정을 요구하는 산업 및 항공우주 분야에서도 MEMS 기술의 활용이 증가하고 있다.

• 산업 분야: 반도체 공정이나 화학 공장에서 가스의 흐름을 정밀하게 제어하는 질량 유량 센서(mass flow controller), 고온 환경에서 작동하는 압력 센서, 시설 감시나 화재 감지를 위한 비냉각 적외선 이미지 센서 등에 MEMS 기술이 적용된다.4
• 항공우주 분야: 인공위성의 자세를 정밀하게 제어하고 항법 정보를 제공하기 위한 고성능 관성 측정 장치(IMU), 위성의 궤도를 미세 조정하기 위한 마이크로 추력 시스템(micro-thruster), 우주 망원경의 광학 시스템 등 첨단 분야에 활용되고 있다.47

이처럼 MEMS 기술은 다양한 산업 분야에서 눈에 보이지 않는 핵심 부품으로 기능하며 현대 기술 생태계의 근간을 이루고 있다. 사용자는 스마트폰의 화면이 저절로 회전하고, 자동차가 미끄러운 길에서 자세를 바로잡는 것을 당연하게 여기지만, 그 이면에는 물리적 세계의 미세한 변화를 감지하고 반응하는 MEMS 센서가 쉼 없이 작동하고 있다. MEMS의 진정한 파급력은 이처럼 최종 제품의 표면에 드러나지 않으면서도, 시스템에 완벽하게 통합되어 사용자에게 새로운 차원의 가치와 경험을 ‘보이지 않게’ 제공하는 데 있다. 이는 MEMS가 단순한 부품 산업을 넘어, 시스템 통합 솔루션 산업의 성격을 강하게 띠고 있음을 시사한다.

6. MEMS 기술의 당면 과제와 미래 전망

MEMS 기술은 지난 수십 년간 눈부신 발전을 거듭하며 현대 산업의 지형을 바꾸어 놓았지만, 기술의 성숙과 시장의 확대를 위해 해결해야 할 여러 기술적, 산업적 과제들을 안고 있다. 이러한 과제들을 극복하고 인공지능(AI), 나노 기술 등 첨단 기술과의 융합을 통해 MEMS는 더욱 지능화된 융합 시스템으로 진화하며 새로운 성장 동력을 확보해 나갈 것으로 전망된다.

6.1 기술적 과제 (Technological Challenges)

• 신뢰성 (Reliability): MEMS의 가장 근본적인 과제는 움직이는 기계 부품에서 비롯되는 신뢰성 문제이다. 특히 접촉이 발생하는 스위치나 밸브와 같은 디바이스에서는 반복적인 움직임으로 인한 마모(wear), 표면 간의 인력으로 인해 구조물이 달라붙는 점착(stiction), 재료의 피로(fatigue) 파괴 현상이 소자의 수명을 단축시키고 오작동을 유발하는 주요 원인이 된다.35 이러한 문제는 MEMS가 자동차의 안전 시스템이나 의료용 임플란트와 같이 극도의 신뢰성이 요구되는 분야로 확장되는 데 있어 가장 큰 기술적 장벽으로 작용한다.
• 패키징 (Packaging): MEMS 패키징은 외부 환경으로부터 미세하고 취약한 기계 구조물을 보호하는 동시에, 센서가 외부 물리량을 감지할 수 있도록 통로를 열어두어야 하는 이중적인 과제를 안고 있다. 또한, 내부의 움직이는 구조물이 패키지와 간섭하지 않도록 충분한 공간을 확보해야 하며, 진공 상태를 유지해야 하는 경우 기밀 밀봉(hermetic sealing)이 요구된다.28 이러한 복잡성으로 인해 패키징 공정은 전체 MEMS 디바이스 제조 비용의 50% 이상을 차지할 정도로 비중이 크며, 소형화와 저비용화를 동시에 달성하는 것이 매우 어렵다.49
• 교정 및 정확도 (Calibration & Accuracy): 반도체 공정의 미세한 편차는 웨이퍼 내 각기 다른 칩의 기계적, 전기적 특성에 미세한 차이를 유발한다. 이로 인해 동일한 공정으로 제작된 센서라도 출력 특성이 조금씩 달라질 수 있다. 따라서 고정밀도를 요구하는 응용 분야에서는 생산된 모든 칩에 대해 개별적인 교정(calibration) 과정을 거쳐야 하며, 이는 테스트 시간과 비용을 증가시키는 주요 요인이 된다.50
• 재료 및 공정의 표준화 부재: 표준화된 CMOS 공정을 기반으로 하는 IC 산업과 달리, MEMS는 응용 분야에 따라 요구되는 기능과 구조가 천차만별이다. 이로 인해 사용되는 재료(실리콘, 폴리머, 금속, 압전 물질 등)와 공정 기술(벌크/표면 마이크로머시닝, LIGA 등)이 매우 다양하고 파편화되어 있다.4 이는 공정 개발 기간을 늘리고, 서로 다른 파운드리 간 공정 호환성을 낮추며, 결과적으로 개발 비용 상승과 시장 진입 장벽을 높이는 요인으로 작용한다.

6.2 시장 동향 및 주요 기업 분석

이러한 기술적 과제에도 불구하고 MEMS 시장은 강력한 수요에 힘입어 지속적인 성장세를 보이고 있다.

• 시장 규모 및 성장 전망: 여러 시장 조사 기관의 분석을 종합하면, 세계 MEMS 시장은 2024년 약 165억 달러 규모에서 연평균 7%에서 11% 사이의 견조한 성장률을 기록하며, 2029년에서 2030년경에는 242억 달러에서 351억 달러 규모에 이를 것으로 전망된다.50 이러한 성장은 사물인터넷(IoT), 자율주행차, 웨어러블 기기, 헬스케어 등 미래 핵심 산업의 수요가 견인하고 있다.52

• 지역별 동향: 아시아 태평양 지역은 강력한 반도체 및 소비자 가전 제조 기반을 바탕으로 현재 세계에서 가장 큰 MEMS 시장을 형성하고 있으며, 향후에도 가장 빠른 성장세를 보일 것으로 예측된다.52

• 주요 기업 분석: 세계 MEMS 시장은 각자의 전문 분야에서 강력한 기술력을 보유한 소수의 글로벌 기업들이 주도하고 있다.

• Robert Bosch (독일): 자동차용 MEMS 센서 분야의 절대 강자로, 가속도계, 자이로스코프, 압력 센서 등에서 압도적인 시장 점유율을 차지하고 있다.55

• Broadcom (미국): RF-MEMS 분야의 선두 주자로, 스마트폰용 FBAR/BAW 필터 등 고주파 통신 부품 시장을 장악하고 있다.57

• STMicroelectronics (스위스): 소비자 가전용 모션 센서 시장의 강자이며, 자동차, 산업용 등 다양한 포트폴리오를 갖추고 있다.59

• TDK (일본): 자회사 InvenSense를 통해 모션 센서 시장에서 강력한 입지를 구축하고 있으며, MEMS 마이크로폰, 압력 센서 등 다양한 제품군을 보유하고 있다.60

• Qorvo (미국): Broadcom과 함께 RF-MEMS 필터 시장을 양분하고 있는 주요 기업이다.57

• 국내 기업: 삼성전자, SK하이닉스, DB하이텍 등은 이미지 센서 및 일부 MEMS 제품에 대한 파운드리 서비스를 제공하고 있으며, 마이크로투나노와 같은 전문 기업이 반도체 테스트용 프로브 카드 시장에서 활동하고 있다.61

6.3 미래 기술 동향 및 전망

MEMS 기술은 기존의 한계를 극복하고 새로운 가치를 창출하기 위해 다른 첨단 기술과 적극적으로 융합하며 진화하고 있다.

• 나노 기술과의 융합: NEMS (Nano-Electro-Mechanical Systems): MEMS의 구조물 크기를 마이크로미터(μm)에서 나노미터(nm) 스케일로 축소한 NEMS는 MEMS의 궁극적인 발전 방향으로 여겨진다. 질량이 극도로 작아지기 때문에 NEMS는 기존 MEMS보다 훨씬 더 높은 공진 주파수, 높은 감도, 빠른 응답 속도, 그리고 극도로 낮은 전력 소비를 달성할 수 있다.6 이는 차세대 초고주파 통신 필터, 단일 분자 수준을 감지하는 바이오 센서 등 새로운 응용 분야를 열어줄 것으로 기대된다.64
• 인공지능(AI)과의 통합 (AI Integration): 미래의 MEMS는 단순히 데이터를 수집하여 중앙 처리 장치로 보내는 역할을 넘어, 센서 칩 자체에 머신러닝 코어(MLC)나 지능형 센서 처리 장치(ISPU)와 같은 AI 연산 기능을 내장하는 방향으로 발전하고 있다.65 이러한 ‘스마트 센서’ 또는 ’엣지 AI 센서’는 센서단에서 직접 데이터를 분석하여 의미 있는 정보만을 추출하거나 이상 징후를 판단할 수 있다. 이는 클라우드로 전송되는 데이터의 양을 획기적으로 줄여 통신 부하와 전력 소비를 최소화하며, 시스템의 응답 속도를 향상시키는 장점이 있다.53
• 신소재 및 신공정의 도입: 전통적인 실리콘 기반 기술의 한계를 극복하기 위한 연구가 활발하다. 압전 특성이 뛰어난 신소재를 이용한 에너지 하베스팅 기술, 유연하고 생체 적합성이 높은 폴리머를 이용한 웨어러블 및 의료용 디바이스, 그리고 마모와 점착 문제를 해결하기 위한 나노 복합소재 코팅 기술 등이 대표적이다.35

이러한 기술적 진화는 MEMS가 더 이상 개별적인 ’부품’이 아님을 시사한다. 미래의 MEMS는 나노 기술로 구현된 초고감도 감지부(NEMS)를 통해 외부 세계를 정밀하게 인식하고, 내장된 인공지능(AI)을 통해 스스로 상황을 판단하며, 에너지 하베스팅 기술로 외부 전원 없이 자가 발전하고 35, 저전력 무선 통신으로 필요한 정보만을 전송하는 하나의 완전하고 독립적인 ’지능형 융합 시스템’으로 발전할 것이다. 이러한 진화는 진정한 의미의 사물인터넷(IoT) 시대를 여는 핵심 기술적 기반이 될 것이며, 자율주행, 원격의료, 스마트 시티와 같은 미래 사회의 패러다임을 현실로 만드는 데 결정적인 역할을 수행할 것이다.

7. 결론

7.1 MEMS 기술의 핵심 가치와 기여 요약

미세전자기계시스템(MEMS) 기술은 지난 수십 년간 반도체 제조 기술이라는 강력한 기반 위에서 기계공학, 전자공학, 재료과학 등 다학제적 지식을 융합하여 탄생한 혁신적인 기술 패러다임이다. 이는 단순히 부품을 작게 만드는 소형화 기술을 넘어, 물리적 세계의 아날로그 신호와 디지털 정보 세계를 연결하는 핵심적인 교량 역할을 수행한다. MEMS는 소형화, 저전력, 고집적화, 대량생산성이라는 독보적인 장점을 바탕으로 자동차, 소비자 가전, 의료, 통신 등 현대 산업의 전반에 걸쳐 기존 기술의 한계를 돌파하고 새로운 기능과 시장을 창출하는 핵심 동력(enabling technology)으로 기능해왔다. 보이지 않는 곳에서 우리 삶의 안전과 편의, 효율을 책임지는 MEMS는 현대 기술 문명의 근간을 이루는 가장 중요한 기술 중 하나로 평가받아 마땅하다.

7.2 미래 사회 변화에 미칠 영향과 기술 발전 방향 제언

앞으로 다가올 4차 산업혁명 시대에 MEMS 기술의 역할과 중요성은 더욱 증대될 것이다. 수십억 개의 디바이스가 연결되는 사물인터넷(IoT) 환경에서 세상의 모든 정보를 수집하는 말단 감각기관의 역할은 MEMS 센서가 담당하게 될 것이다. 또한, 완벽한 자율주행차의 눈과 귀, 균형감각이 되어줄 것이며, 원격 의료와 개인 맞춤형 헬스케어를 통해 인류의 건강한 삶을 지원하고, 스마트 시티와 스마트 팩토리의 효율적인 운영을 위한 핵심 인프라를 구성할 것이다.

이러한 밝은 미래를 실현하기 위해 MEMS 기술은 다음과 같은 방향으로 지속적인 연구개발 노력을 경주해야 한다.

첫째, 신뢰성 확보를 위한 소재 및 공정 기술의 혁신이 시급하다. 마모, 점착, 피로 파괴 등 기계적 구조의 본질적인 신뢰성 문제를 해결하기 위해 새로운 나노 복합소재를 개발하고, 표면 처리 기술을 고도화하며, 고장 메커니즘에 대한 깊이 있는 이해를 바탕으로 한 설계 기술을 확립해야 한다.

둘째, 이종 기술 융합을 위한 표준화 및 플랫폼화 노력이 필요하다. 다양한 응용 분야에 따라 파편화된 재료와 공정을 모듈화하고 표준화하여 개발 비용과 시간을 단축해야 한다. 특히, AI, NEMS, 에너지 하베스팅 등 차세대 기술을 보다 쉽게 통합할 수 있는 개방형 설계 및 패키징 플랫폼의 구축이 중요하다.

셋째, 차세대 NEMS 기술에 대한 선제적이고 장기적인 투자가 이루어져야 한다. NEMS는 기존 MEMS의 성능 한계를 뛰어넘어 양자 컴퓨팅, 분자 진단 등 미래 기술 시장을 선점할 수 있는 잠재력을 지니고 있다. 기초 연구에서부터 공정 장비 개발, 상용화에 이르는 전주기적 지원을 통해 기술 주도권을 확보해야 한다.

결론적으로, MEMS 기술은 과거와 현재의 성공에 안주하지 않고, 끊임없는 기술 혁신과 융합을 통해 스스로를 재정의하며 미래 사회의 변화를 이끌어 나갈 것이다. 물리적 세계와 디지털 세계의 경계가 허물어지는 미래에, MEMS는 그 중심에서 가장 작지만 가장 강력한 영향력을 발휘하는 기술로 기록될 것이다.

8. 참고 자료

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3. www.thelec.kr, https://www.thelec.kr/news/articleView.html?idxno=25028#:~:text=MEMS%EB%9E%80%3F,%EC%86%8C%EC%9E%AC%EB%A5%BC%20%EC%82%AC%EC%9A%A9%ED%95%A0%20%EC%88%98%20%EC%9E%88%EB%8B%A4.
4. [기고] MEMS 기술의 핵심 응용 분야 - 전자부품 전문 미디어 디일렉, https://www.thelec.kr/news/articleView.html?idxno=25028
5. MEMS 장치란? - Ansys, https://www.ansys.com/ko-kr/simulation-topics/what-are-mems-devices
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7. MEMS 센서, https://www.reseat.or.kr/portal/cmmn/file/fileDown.do?menuNo=200019&atchFileId=f76a19051dc34dd9ae4fe5a647d65fb8&fileSn=1&bbsId=
8. [5호]위드로봇 무료강좌 기술자료 -1차 | NTREXGO, http://www.ntrexgo.com/archives/7658
9. 정보통신 광 MEMS 기술의 동향분석, https://ettrends.etri.re.kr/ettrends/70/0905000261/16-4_023_040.pdf
10. MEMS센서의 과거와 현재 그리고 미래, https://www.reseat.or.kr/portal/cmmn/file/fileDown.do?menuNo=200019&atchFileId=0774ff8bb1e542cb8793cad67a1f132f&fileSn=1&bbsId=
11. MEMS - 기술 및 시장 동향, http://www.cinelove.net/newtech/mems.htm
12. mems의 역사와 mems의 정의의 변화 - 레포트월드, https://m.reportworld.co.kr/knowledge/3895
13. MEMS 기술의 실용화와 발전 전망 < 칼럼 < 오피니언 < 기사본문 …, https://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=8530
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15. MEMS 압력센서의 기술 및 산업동향, https://ettrends.etri.re.kr/ettrends/156/0905002088/0905002088.html
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