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MEMS 센서는 유용하지만 지금은 혁신의 시작에 불과합니다

오늘날 저비용 고성능 초소형 전기 기계 시스템(MEMS) 센서의 유용성이 당연하게 받아들여지고 있지만, 처음부터 그랬던 것은 아닙니다. MEMS가 정식으로 대중 시장에 출시된 것은 Analog Devices가 시뮬레이션, 고체 물리학, 공정 기술, 패키징, 테스트 등 다양한 분야에서 약 10년간 기술적 사투를 벌인 후 ADXL50(1993년부터 대량 생산, 현재 단종) 단축 가속도계를 출시한 1991년입니다(그림 1).

그림 1: 모든 것이 아날로그로 이루어진 ADXL50은 대중 시장에 최초로 선보인 MEMS 가속도계였으며, 자동차 에어백을 대상으로 비교기 회로에서 직접 사용되거나 디지털화할 수 있는 완전 조건부 아날로그 출력을 제공했습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

5mm × 5mm 크기의 이 장치는 그 당시 도입된 지 얼마 되지 않아 관련 규정도 없었던 자동차 에어백을 작동시키기 위해 단 하나의 특정 응용 분야를 위한 혁신적인 기술로 설계되었습니다. MEMS 센서가 출시되기 이전에는 대부분의 에어백이 Allen K. Breed가 1967년에 개발한 센서에 의해 작동되고 있었습니다. 이 센서에서는 튜브 내에서 움직이는 볼을 감지하는 질량체로 사용했습니다. 충돌 감속이 발생하면 볼이 고정 자석에서 분리되고 소형 전기 스위치를 작동 시켜 회로를 닫아 에어백 화학 약품을 점화하는 원리였습니다.

최초의 MEMS 센서는 이보다 더 작고 경제적이면서 패키징이 쉬웠는데, 이는 이 기술의 장점 중 일부에 불과합니다. 중요한 것은 이 기술로 가속도 감지에 있어 예/아니요 시나리오에서 벗어나 센서가 감지된 값의 아날로그 스트림을 제공할 수 있는 시나리오가 가능해졌다는 것입니다. 그 결과 실제 가속도 파형이 트리거 알고리즘의 일부로 편입되었습니다.

ADLX50은 1999년에 단종되고 더 향상된 MEMS 장치로 대체되었습니다. 현실에서도, 기술적인 면에서도 MEMS의 임팩트는 광범위하게 나타났습니다. 후속 장치들에서 대부분의 센서에 필수적인 센서 자체 보정 기능을 매우 안정적으로 통합했고, 내부 신호 조절, 아날로그 디지털 컨버터(ADC), 마이크로 컨트롤러 인터페이스 및 기타 간편한 기능을 추가했습니다. 얼마 지나지 않아 이전에는 측정이 어렵고 큰 비용을 발생시켰던 파라미터(크기, 무게, 전력)들이 아주 사소한 문제가 되었습니다.

여기서 멈출 이유가 없었습니다. 이내 벤더들이 2축, 심지어 3축 가속도계를 소형 모듈로 만들더니 곧 모놀리식 장치로 발전시켰습니다. 아주 단시간에 실제 동작 감지, 심지어 내비게이션과 같은 응용 분야가 현실이 된 것입니다(간단한 물리학 원리를 설명하자면, 각각 속도 결정에 가속도를, 변위 결정에 속도를 통합한 것).

그리고 곧 이러한 작은 장치는 진동하는 MEMS 소리굽쇠를 추가하고 자이로스코프 및 완전한 관성 측정 장치(IMU)로 발전하여 지난 달(2019년 7월)로부터 오십 년 전에 우주비행사들을 달나라로 안내했던 농구공 크기의 IMU(>100lb, >200W)와 1980년대의 링 레이저 자이로(RLG) 및 광섬유 자이로(FOG)를 대체할 수 있었습니다.

이전에는 미지의 분야였던 가속도/포지셔닝 응용 분야와 드론의 유도 코어에 소형 IMU를 사용할 수 있게 된 것입니다. 예를 들어 STMicroelectronicsLSM6DSOXTR은 14리드 패키지의 3축 IMU(전체 범위 ±2g/±4g/±8g/±16g)로, 크기가 단지 2.5mm × 3mm × 0.83mm밖에 안 되며, 필요한 전류가 0.55mA에 불과합니다. 이 장치는 SPI 및 I2C 인터페이스와 함께 제공됩니다.

이보다 더 완벽할 수는 없는 것입니다. 이내 다른 가속기들이 전자 영상 안정화 분야에서 사용되기 시작하면서 기계식 자이로스코프에 의해 안정화되어야만 했던 짐벌 플랫폼 문제가 해결되었습니다. 실제 실행에서까지는 아니더라도 원리적인 면에서 가속기와 다소 유사한 부분이 있는 MEMS 마이크에 일부 아이디어가 적용되었습니다.

MEMS 혁신과 응용은 시작에 불과합니다.

이러한 사례를 볼 때 MEMS 기술이 단지 가속도 분야 안에서만 다양한 형태로 활용되는 것 같지만, 전혀 그렇지 않습니다. MEMS 장치는 이제 가속도와 무관한 다양한 응용 분야에서 사용됩니다.

예를 들어 Texas Instruments는 초기에 대형 화면 디스플레이 및 피코 프로젝터를 대상으로 디지털 조명 처리(DLP) IC에 있어 마이크로 미러를 통해 조향 조명 분야를 개척했습니다. TI의 DLP6500은 200만 개 이상의 마이크로 미러를 갖춘 1080p(1920 × 1080) 어레이를 탑재하고 공간 광 변조기(SLM)로 사용되어 유입되는 조명의 진폭, 방향 및/또는 위상을 제어할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: Texas Instruments DLP6500 DLP IC는 정밀 제어되는 풀 어드레서블 광학 빔 조향이 가능하고 어레이 내에서 200만 픽셀을 제어할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

일반적인 예측을 뛰어넘어, TI는 오래된 아이디어를 완전히 새롭게 구현해내며 자동차의 스티어링 휠 방향에 따라 헤드라이트를 비추는 기능을 소개했습니다(1940년대 후반 Tucker 48 자동차에 최초로 제안됨). TI의 DLP5531은 기어, 모터, 베어링이 필요하지 않고 완벽하게 프로그래밍 방식으로 작동하며 헤드라이트당 100만 어드레서블 픽셀 이상의 고해상도를 지원하는 MEMS 기반 전자 스티어링 장치입니다.

비광학 RF 분야에서는 Analog Devices가 0Hz(DC) ~ 13GHz 대역폭으로 RF 신호를 처리하는 ADGM1004 4극 단투(4PST) MEMS 캔틸레버 스위치를 제공하고 있습니다(그림 3). 양방향 금속 팁 접촉 단자 스위치와 함께 회로에서 사용하여 RF 신호를 네 출력 포트 중 하나에 라우팅하거나 네 입력 신호 중 하나를 선택하여 출력으로 이동할 수 있습니다. 이러한 스위치는 RF 신호 체인을 따라 여러 분야에서 사용되거나 테스트 어레이 및 매트릭스에서 광범위하게 사용됩니다.

그림 3: Analog Devices는 기초 MEMS 기술을 확장하여 4PST RF 스위치를 위한 DC ~ 13GHz 대역폭의 MOM(Metal-on-Metal) 접점 클로저를 제공하는 캔틸레버 구조를 구축했습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

대학 연구팀들도 장치를 개발하기 위해 유일무이한 기술인 MEMS를 사용하고 있으며, 이 기술 없이는 제작할 수 없습니다. AChIP(Accelerator on a Chip International Program)은 실리콘 칩을 통해 최대 100만 전자볼트(MeV)의 에너지를 갖는 펨토초 ~ 아토초(10-15초 ~ 10-18초) 펄스 전극을 생성할 수 있는 소형 실리콘 기반 전극 가속도계를 만들기 위해 미국의 Gordon and Betty Moore Foundation의 자금을 지원받아 운영 중인 전 세계적인 프로젝트로서, 현재 요구되는 1마일 길이의 구조체와는 크기에서 극명하게 차별되는 실리콘 칩을 만들기 위해 노력하고 있습니다.

이 프로젝트에 대해서는 “Photonics-based laser-driven particle acceleration: from proof-of-concept structures to the accelerometer on a chip”에서 광범위하게 논의되고 있으며, Physical Review Letters에 게시된 “Alternating-Phase Focusing for Dielectric-Laser Acceleration” 논문에 이 프로젝트의 한 측면이 자세히 설명되어 있습니다. 이 논문에서 TU Darmstadt의 프로젝트 담당 가속도계 물리 그룹 소속 엔지니어들이 매우 취약한 기존의 자기 중심 접근 방식을 대체하는 소형 MEMS 채널과 새로운 전극 빔 중심 방식을 어떻게 구축했는지 설명하고 있습니다(그림 4).

그림 4: 실리콘으로 제조된 이중 필러 구조에서는 레이저 기반 광학 위상 제어를 사용하여 전극 가속 및 감속 영역에 집중합니다. (이미지 출처: TU Darmstadt)

다른 혁신적인 MEMS 프로젝트에서는 더욱 일상적인 사물 인터넷(IoT) 환경을 대상으로 합니다. Northeastern University 팀이 휴면 대기 모드에서는 전력을 소비하지 않지만, 적외선(IR) 조명이 작용하여 트리거되면 “절전 해제”되는 MEMS 기반 스위치를 개발했습니다(그림 5). 이 팀이 개발한 플라스몬 향상 마이크로 기계 광스위치(PMP)가 정의된 스펙트럼 대역 내에 있는 소량의 광자 에너지를 변환하여 MEMS 메커니즘을 작동하는 원리입니다. 작동하는 IR 에너지가 제거되면 스위치가 자동으로 꺼집니다.

그림 5: PMP의 각 캔틸레버는 헤드, 작동을 위한 내부의 열 감지 이중 소재 레그 쌍, 온도 및 응력 보정을 위한 외부의 동일한 이중 소재 레그 쌍, 내부 레그와 외부 레그를 연결하는 열 분리 링크 쌍으로 구성됩니다(a). 각 PMP가 적외선의 다른 대역에 맞게 “튜닝”되는 네 개의 PMP에 작용하는 입사광 빔의 개념도(b). 실제 제조되는 PMP 스위치 “메커니즘”의 의사 컬러 스캐닝 전극 현미경 이미지와 확대 강조된 플라스몬 흡수재, 반달형 접촉팁, 자체 정렬 AI 및 SiO2층을 갖춘 이중 소재 레그 말단 부분 이미지(c). (이미지 출처: Northeastern University/Nature Nanotechnology)

이러한 기술에 대한 자세한 내용은 Nature Nanotechnology의 “Zero-power infrared digitizers based on plasmonically enhanced micromechanical photoswitches” 논문을 참조하세요. IR 흡수를 변환하는 물리학은 플라스몬 즉, 광자에 부딪힌 이후에 금속의 표면을 따라 이동하는 전극의 파장입니다. 플라스몬 흡수재는 3소재 스택으로 제조되며, 상부에는 100nm 유전체층이 50nm 골드 나노 패치들 사이에 끼어 있고, 하부에는 100nm 백금 판이 있습니다(그림 5 참조). 이 스위치는 특정 대상 파장의 IR 전자기파에서 가져온 에너지를 스위치의 접점을 기계적으로 닫는 데 사용합니다.

결론

MEMS 기반 기술은 처음에 에어백 작동을 위한 가속도계 센서로 시작했지만, 지금은 광범위하게 확장되고 변형되어 마이크로 미러 및 접촉 기반 RF 스위치를 통한 광학 빔 조향을 비롯한 다양한 응용 분야를 지원합니다. 동시에 최첨단 대학 연구를 통해 MEMS가 과학의 일상 분야와 전문 분야 모두로 확장되고 있습니다. 유명한 말을 빌리자면, 물리적으로 불가능한 것은 없으며 다만 MEMS 기술과 도구를 발전시키려는 이들의 상상력과 노력 여하에 앞으로의 무궁무진한 가능성이 달려있다고 볼 수 있습니다.

 

참고 자료:

1 – Analog Devices, ADXL50 규격서(단종)

2 – Patrick L. Walter, “The History of the Accelerometer: 1920s-1996 – Prologue and Epilogue, 2006” Sound and Vibration, 2007년 1월

3 – Tekla S. Perry, “Kurt Petersen, 2019 IEEE Medal of Honor Recipient, Is Mr. MEMSIEEE Spectrum, 2019년 5월

작성자 정보

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Bill Schweber는 전자 엔지니어로서 전자 통신 시스템에 관한 세 권의 교과서를 집필하고 수백 건의 기술 자료, 의견 칼럼 및 제품 특집 기사를 기고해 왔습니다. 이전에는 EE Times의 다양한 주제별 사이트 관련 기술 웹 사이트 관리자와 EDN의 편집장 및 아날로그 편집자를 역임한 바 있습니다.

Analog Devices, Inc.(아날로그 및 혼합 신호 IC 업계를 선도하는 판매업체)에서는 마케팅 통신(홍보 관련)을 담당했습니다. 결과적으로 Bill은 미디어에 회사 제품, 사례, 메시지를 제공하는 기술적 PR 역할과 이러한 내용을 받는 미디어 역할 모두를 경험했습니다.

Analog의 마케팅 통신을 담당하기 전에는 평판 있는 기술 저널에서 편집장을 역임했으며 제품 마케팅 및 응용 엔지니어링 그룹에서도 근무했습니다. 그 이전에는 Instron Corp.에서 아날로그 및 전력 회로 설계와 재료 시험 기계 제어를 위한 시스템 통합 실무를 담당했습니다.

Bill은 MSEE(메사추세츠 주립대학교) 및 BSEE(컬럼비아 대학교) 학위를 취득한 공인 전문 엔지니어이자 어드밴스드 클래스 아마추어 무선 통신 면허를 보유하고 있습니다. 또한 MOSFET 기본 사항, ADC 선택, LED 구동을 비롯한 다양한 엔지니어링 주제에 관한 온라인 과정을 계획 및 작성하여 제공하고 있습니다.

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