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1 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술

2 머 리 말 국경 없는 무한경쟁시대를 맞이하여 우리나라 과학기술계 및 산 업체의 국제경쟁력강화가 초미의 국가적 과제로 대두되고 있습니 다. 창조적 지식이 다른 어떤 생산요소보다 큰 부가가치를 창출하 고, 경제적 혹은 사회적 풍요가 과학기술 지식을 얼마나 창의적으 로 활용할 수 있느냐에 달려있는 지식기반사회로의 빠른 변모가 필 요하게 되었습니다. 수년 내 1인당 국민소득 2만 불 시대를 지향하 고 있는 우리나라가 소기의 목적을 무리 없이 달성한 뒤 최강 경제 대국으로 도약하기 위해서는 창조적 국가전략기술의 육성 및 확산 의 뒷받침이 필수불가결한 여건이 될 것입니다. 이러한 우리의 사회적 요구 여건과, 어느덧 상당한 정도의 지식 기반사회가 우리 곁에 성큼 와 있는 우리나라의 현실에 박차를 가 할 목적으로 저희 한국과학기술정보연구원(KISTI)에서는 첨단기 술정보 분석 업무를 수행하여 관련 산학연에 능동적으로 보급하고 있습니다. 이 분석업무는 과학기술부 과학기술진흥기금 출연 원로 과학기술인 활용 지원사업 의 일환으로 수행되는 것으로, KISTI 전 문연구위원들의 오랜 연구개발 현장경험과 노하우를 바탕으로

3 KISTI의 방대한 첨단 과학기술정보를 분석하여 전문가 제언 을 첨 부시킨 것입니다. 이번의 첨단기술정보분석보고서 60과제는 저희 연구원이 2005년 도에 수행한 첨단기술정보 분석 결과물 중에서 각 기술분야별로 지식기반 산업사회를 선도해 나갈 수 있도록 목록을 재편집하여 작 성한 것으로, 각 전문가 제언 에서 주장하는 내용은 각 분석자의 사견일 뿐 저희 연구원의 공식 견해가 아님을 밝혀둡니다. 2005년 12월 한국과학기술정보연구원 원 장

4 목 차 제 1 장 서 언 1 제 2 장 아날로그 마이크로 파워 FET기술 3 제 3 장 Soft-MEMS 기술을 구사한 바이오 메디컬 센서 13 제 4 장 생의학 캡슐 진단용 저전력 무선 센서 마이크로 시스템 25 제 5 장 MEMS에 이용되는 자성재료( 磁 性 材 料 ) 39 제 6 장 마이크로 전자기계장치와 실장( 室 裝 ) 기술 51 제 7 장 고집적 패키지를 위한 마이크로 접속 및 범프 형성 기술 63 제 8 장 MEMS 기술을 이용한 밀리미터파 대역 패키징 기술 71 제 9 장 MEMS를 이용한 새로운 고주파기술 81 제10장 RF MEMS의 집적화 기술 91 제11장 바이오 멤스 리뷰: 생리학적으로 집적된 소자를 위한 멤스 기술 101

5 제1장 서 언 1 제1장 서 언 MEMS기술은 초소형, 고성능화를 충족시킬 수 있는 최첨단 미세가공기술이다. 반도체 제조공정 기술을 이용한 전자요소 와 미소 기계요소를 접목한 시스템화 기술로, 초소형 대상물 뿐만 아니라 초소형 대상물을 만드는 가공기술을 포함하고 있다. MEMS기술은 21세기를 주도할 첨단 핵심기술로서 미국, 유 럽, 일본 등 국가에서는 국가적인 차원에서 관련 기술개발을 위해 일찍이 대형 연구개발 프로젝트를 추진하는 등 기술선 점을 확보하기 위해 국가 간 치열한 경쟁을 벌이고 있다. MEMS기술은 실리콘 압력센서를 이용한 자동차 엔진제어 용 센서 등에 활용되면서 시작되었으며, 현재 실리콘 입력센 서 업체를 중심으로 발전하여 많은 벤처기업이 파생되었다. MEMS기술의 응용분야는 자동차 시장을 비롯하여 정보통 신용기기, 가전기기, 광통신기기 등 다양하다. 최근 광학부 품기술과 MEMS기술을 접목한 MOEMS, 통신부품 기술과

6 2 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 MEMS기술을 접목한 RF MEMS, 의료 및 생체응용을 위한 Bio MEMS 등으로 세분화되어 연구가 진행되고 있다. MEMS기술은 실리콘 혁명 이후 가장 유망한 미래 기술로 주 목받고 있다. 앞으로 반도체산업은 순수한 집적도 증가보다는 다기능화의 방향으로 발전할 것이다. 즉, 단순한 회로소자로 서가 아니라, 감지, 조작, 처리, 통신 등 기능을 수행하는 SoC 형태로 진전될 것이며, 이를 가능하게 하는 핵심기술이 바로 MEMS이다. MEMS기술을 고주파 대역에서 응용함으로써 광대역화, 저손 실화, 고기능화 등을 실현할 수 있는 RF MEMS 기술의 연구 가 활발하며, RF MEMS 기술을 실장기술에 응용하려는 연구 개발도 본격화된지 오래이며, 앞으로 머지않아 RF MEMS의 완전한 실용화가 실현될 것으로 기대된다.

7 제2장 아날로그 마이크로 파워 FET기술 3 제2장 아날로그 마이크로 파워 FET기술 1) 1. 서 론 마이크로 파워 회로 개발은 1960년대 전자 손목시계의 출현으 로 시작되었다. 개발은 계속 응용 범위를 확장하여 현재 모든 휴대용 제품에 핵심적인 부품이 되었다. 모바일 통신기기와 휴대용 의료기기 같은 제품에는 전자기장 이나 태양에너지를 이용한 낮은 전압의 전원장치가 필요하게 되었다. 아날로그 회로 설계에서, 일정하게 유지되는 낮은 전압에서 동작하는 제품은 저전압 전원장치 사용을 뜻하는 것이다. 제품에서 요구되는 파워는 전압과 사용되는 전류에 의하여 결 정된다. 1) 본문은 Vilches, A et al, Analogue micropower FET techniques review, SEMICONDUCTOR SCIENCE AND TECHNOLOGY, 19(7), 2004, pp. 19~ 34 를 구지회 전문연구위원께서 분석 요약한 것입니다.

8 4 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 아날로그 회로에서 저 전력 가동 제품의 절대적인 제한점은 신호 에너지가 열에너지 보다 더 높아야 신호 대 잡음 비율 (signal to noise hinderratio, S/N)을 실용적인 수준으로 유지 할 수 가 있다. 높은 강도의 잡음은 칩의 높은 전력단자로부터 발생하지만 마 이크로파워 가능 모델의 부족 및 마이크로 단위의 전류에 작 동되는 제품 모델의 설계가 주는 심리적인 압박감은 개발 현 장에서 많은 장애 요소를 만들고 있다. CMOS 부품 크기를 축소시키는 최근 기술 동향은 디지털 회 로에는 혜택을 제공하지만 신호 대비 잡음 비율에서 아날로 그 회로 설계자들에게는 희망적인 해결책을 제시하지 못했다. 아날로그 마이크로파워 제품에서 서브마이크로 부품을 사용 하는 것은 간단한 일이 아니다. 아날로그 설계에서 저전압 응용 분야를 도와주는 다음과 같은 몇 가지 기술이 개발되었다. 하위 경계점 영역에서 작동되는 표면 채널과 매립 채널 FET 기술. 두 개가 쌍으로 만들어진 마이크로 전류의 대칭적인 이중화 기술.

9 제2장 아날로그 마이크로 파워 FET기술 5 자가 고정신호 배열 방법 기술. 플로팅 게이트 기술. 동작 트랜지스터를 위한 대 용량 접점 기술. AB 등급 출력 레벨 기술. 위상기하학적 필터의 전류 모드와 레벨 시프트 기술. 2. 하위 경계점 작동과 관련 기술 낮은 전압 회로 설계의 주된 제약조건은 FET 제조 공정에 의 하여 결정되는 고유 잡음과 부품의 경계점 전압이었다. 제조 공정 변경은 작동 전압을 낮출 수 있었다. 신호 움직임에 직접적으로 영향을 주는 마이크로 파워에서 동 작 가능하게 성능 향상이 되었다. 잡음 크기에 대한 진폭은 정비례적으로 낮아지기 때문에 작업 공정 변경 한 가지로 모든 문제점이 해결되지는 않았다.

10 6 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 3. 마이크로 전류의 대칭적 거울 형식과 고정신호 대부분의 최근 CMOS 설계는 전류의 대칭적인 거울형식을 포함한다. FET 부품의 기본 회로는 n-형 부품이며, 플로팅 바이어스 구 조이며, 다이오드가 연결된 형태로 되어있다. 이상적인 전류소스는 무한대의 출력 저항과 kω 범위의 저항을 가지는 출력 채널의 매우 큰 부품이라 가정하였다. 작은 평면구조, 짧은 채널, 전체적인 회로 크기와 RF 성능에 서 마이크로 파워 응용 분야에 요구되는 부품은 구성되는 채 널 길이에 따른 변조에 의해서 낮은 출력 저항을 가지게 되었 다. 문제 해결의 한 가지 방법은 두 개의 부품을 직렬로 연결하는 것이다. 이 경우 각각의 채널 길이는 합한 것이 되고, 이득 증가 를 가져오지만 동시에 출력 전압 움직임을 감소시킬 수 있다. 4. 전압 레벨 이동과 AB 등급 작동 일반적으로 저 전압에서 다단계 증폭기에서 생기는 문제점은 단계 방 중간단의 포화현상 때문에 공통모드 입력전압에 근

11 제2장 아날로그 마이크로 파워 FET기술 7 접하여 지원해 주지 못했다. 이러한 문제점 해결 방안 중 한 가지는 중간단계간의 전압 레 벨 시프터를 포함시키는 것이다. 모든 필터에서 활성화 된 낮은 전압을 만들어 주는 n-형 레벨 시프터와 p-형 고정신호기가 몇 가지 검토되었다. 하위 경계점 바이어스, 입력과 출력 단계 사이의 전압 레벨 시 프트에 의한 CMOS 기술로 만들어진 저전압 증폭기가 검토 되었다. 출력 단계에서 AB 등급 작동은 상호 보완적인 출력 부품을 연결하거나 작동 중 정지 모드에서 낮은 임피던스를 만드는 컨트롤 회로를 이용하여 목적을 달성하였다. 5. 벌크 드라이브 접근 방법 벌크 드라이브 기술이 낮은 전압 회로설계에 4가지 중요한 점 에 대하여 공헌하였다. 공핍모드 작동은 낮은 전원장치 전압으로는 도달할 수 없는 큰 공통 모드 입력범위를 가능하게 하였다.

12 8 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 다중 게이트 바이어스에 의해서 채널을 완전하게 차단하는 능 력은 전류의 온/오프 비율을 크게 할 수 있다. 래치 형식에 문제점이 보고되지 않았다. 벌크 드라이브 모드에서의 전달 전도성은 이론적으로 게이트 드라이브로 얻을 수 있는 것 보다 더 크게 할 수 있었다. 6. 플로팅 게이트 방법 플로팅 게이트 구조는 최초에는 비 휘발성 정보저장 메커니즘 으로 1967년 보고 되었다. 이 분야에 대한 연구는 현재와 미 래 집적회로의 유망한 해결책으로 계속 연구되었다. 핫 일렉트론 주입과 일렉트론 터널의 물리적인 효과 때문에 CMOS 제조공정의 평면적 축소가 더욱 가능하게 되었다. 7. 마이크로 파워에서의 필터링 필터 기능은 여러 가지 확실한 기술을 사용하여 실현되었다. 현재의 마이크로 파워 필터 해결책은 두 가지로 분류할 수 있다.

13 8. 매립 채널 FET 기술 제2장 아날로그 마이크로 파워 FET기술 9 발전된 SiGe 제조공정 및 향상된 정밀도와 함께 CMOS 기술에 대한 통합 필요성은 중요한 부품 성능 향상 결과를 가져왔다. 제조공정 기술은 직접적으로 비 균일화된 연결점을 키우는 분 자 빔 에피택시(epitaxy) 사용한다. 최근기술개발 방향은 Si/SiGe/SOI에 대한 절연체 기술 쪽으 로 이동하기 시작했다. 9. 결 론 본 리뷰 논문은 공정개발에서 낮은 파워의 높은 성능의 부품 개발을 위해서 새로운 FET 기술에 대한 노력이 계속되고 있 음을 보여주었다. 낮은 전압과 마이크로 파워 FET 회로구성 방법들에 대한 여 러 가지 시도와 실험이 행해지고 있음을 보여주었다. 예를 들면 하위 두 개가 쌍으로 만들어진 마이크로 전류의 대 칭적인 거울 기술, 자가 고정신호 배열방법 기술, 플로팅게이 트 기술, 동작 트랜지스터를 위한 대용량 접점 기술, AB 등급 출력단계 기술, 위상기하학적 필터의 전류 모드와 레벨 시프

14 10 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 트 기술 등이 검토되었다. 최근 마이크로 파워 설계는 거의 전적으로 Si-CMOS 기술에 목표를 두고 있다. Si/SiGe 와 SOI에서의 팽팽한 표면 및 매립 채널 FET의 출 현이 혁명적인 분야라는 것을 확신시켜 주었다. 전통적인 MOSFET가 받아들여지고 있는 현 시점에서 더욱 유리한 마이크로 파워 성능을 가졌다. 전문가 제언 전계효과 트랜지스터라고 말하는 FET(Fileld-Effect Transistor) 는 진공관과 비슷한 원리로 입력 전압으로 출력 전류를 제어 하는 특성을 갖고 있다. 특히, MOS형 FET는 입력 게이트가 산화 실리콘 박막으로 절연되어 있어서 상당히 높은 입력 임 피던스를 갖고 있는 것이 특징이다. 본 리뷰 논문에서는 현재까지 진행되었고 지금도 진행 중에 있는 여러 가지 기술에 대한 발전 방향과 그에 따르는 장단점 을 기술하였다. 또한 FET 특성을 고려한 소재의 선택과 응용 분야에 대하여 자세한 검토를 진행시켰다.

15 제2장 아날로그 마이크로 파워 FET기술 11 급격하게 증가하는 모바일 제품에서는 에너지 소스로 사용되 는 전지의 용량 증가와 동시에 사용되는 부품들의 전력 소모 량 감소가 매우 중요한 요소기술로 자리 잡고 있다. 집적도가 높은 반도체에 비교하여 각종 아날로그 회로에서는 제품 설계자들의 세심한 노력이 필요한 분야가 전원 공급에 대한 부품 선정과 설계 기술이 되겠다. 최근 급격하게 발전하 고 있는 각종 모바일 제품에서는 저전력 설계와 이에 따르는 신호 대비 잡음에 대한 문제점 해결책에 많은 설계 노하우가 개발되고 있다. 국내 모바일 제품의 대명사가 된 핸드폰 설계 및 제조기술에 서 매우 중요한 저전력 소모 회로기술 방향 모색에 큰 도움이 되겠다. 특히 각종 아날로그 회로 설계에 필요한 정보를 제시 하고 있다. 마이크로프로세서가 주축이 되는 디지털 회로 설계보다 훨씬 어렵고 중요한 아날로그 회로기술에 대한 개발자들의 관심도 가 떨어지는 사회적인 현상이 현재 국내 실정이다. 아날로그 기술 없는 디지털 기술개발은 튼튼한 기초 없이 고층 건물을 설계하는 것과 마찬가지로 생각된다. 아날로그 기술에 대한 보다 강력한 투자가 없으면 향후 디지털 관련 기술개발에 대 해서 큰 장애요소가 될 것으로 생각한다.

16 제3장 Soft-MEMS 기술을 구사한 바이오 메디컬 센서 13 제3장 Soft-MEMS 기술을 구사한 바이오 메디컬 센서 2) 1. 서 론 컴퓨터 산업의 발달과 함께 전자 디바이스 제조기술도 비약적 으로 발전하여 디바이스의 미세한 제작기술을 이용한 센서나 액추에이터 시스템(MEMS)도 1990년대에 급속히 진화하였 다. 그러나 센서나 디바이스는 기술을 중심으로 개발하는 경 향이 강해서 반드시 사회의 요구에 따른 것은 아니다. 의료나 건강 복지의 영역에서도 실리콘이나 유리 기판을 이용한 디 바이스가 신체에 안전하고 유기적으로 기능하는가에 대해서 는 검토가 필요하다. 사람이나 생물을 위한 디바이스와 기술 개발을 목표로 하여 Soft-MEMS가 제시되었다(Soft-MEMS에서 크기는 반드시 2) 본문은 三 森 浩 二, Soft-MEMS 技 術 を 驅 使 したバイオメディカルセンサー, 機 能 材 料, 25(3), 2005, pp. 34~41 을 마석일 전문연구위원께서 분석 요약한 것입니 다.

17 14 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 마이크로나 나노일 필요는 없으며, MEMS 기술의 하나의 방 향성을 의미함). Soft-MEMS의 한 예로 콘택트렌즈와 같이 눈에 장착이 가능한 부드러운 화학 센서의 개발을 고분자 폴 리머와 MEMS 기술을 융합하여 진행시키고 있다. 한편 채혈 이나 채뇨를 필요로 하지 않고 신체에 파고들지 않는 부드러 운 계측기술도 요구되고 있다. 간장의 약물대사 기능을 이용하여 높은 가스 선택성을 갖는 가스 센서(bio-sniffer)를 개발하고, 생체 냄새 성분의 고감도 계측에 적용한다. 본고에서는 이들 웨어러블 화학 센서 (wearable biosensor)나 바이오 스니퍼에 관련된 디바이스의 제작 및 응용연구에 대해 소개한다. 2. 웨어러블 화학 센서 ISFET로 대표되는 것처럼 반도체 가공기술을 사용하여 디바 이스의 소형화가 가능하며 특성이 우수한 디바이스를 대량으 로 또 안정된 가격으로 공급할 수 있게 되었다. 생체계측의 디바이스로 이용하려면 소형화와 거의 비슷한 비중으로 센서 의 유연성이 중요한 특성이 된다. 그러므로 부드러운 박막의 기능성 고분자 박막을 기판으로 하여 반도체 가공기술을 적 용하면 유연성이 우수한 화학 센서를 개발할 수 있다.

18 제3장 Soft-MEMS 기술을 구사한 바이오 메디컬 센서 15 웨어러블 산소 센서 기능성 재료인 가스 투과성 막의 유연성에 착안하여 이 막을 구조재로 사용한 얇은 막상의 클라크형 산소 센서이다. 센서 제작에는 먼저 산소 가스의 투과능을 갖는 기능성 재료인 가 스 투과성 막(막 두께:25μm)위에 반도체 공정기술로 백금 전 극(두께 200nm)과 은 전극(두께 300nm)을 형성시킨 후 은 전극 에 염산으로 염화처리하여 은/염화 은 전극(대극 참조전극)으 로 한다. 다음 멤브레인 필터와 금속 용착성 막(막 두께 50μm) 를 적층하고 KCl 전해액(0.1mmol/l)을 포함하도록 열용착하 여 접합시키고 짧은 책 형상으로 하였다. 책 형상의 전해액 측을 감응부로 하고 다른 쪽 끝은 계측용 단 자부로 사용할 수 있는데, 금속 용착성 막이 가스를 투과시키 지 않으므로 가스 투과성 막으로부터 투과해 오는 산소분자를 검출할 수 있다. 본 센서(막두께 84μm)를 암페로메트릭 계측 (-600mV vs Ag/AgCl)에 걸고 디바이스의 특성을 검사한 결 과 이 센서는 시판의 산소전극과 마찬가지로 용존산소를 0~ 8.0mg/l(상관계수=0.999)의 범위에서 정량이 가능하였다. 제작한 센서를 경피 산소계측에 적용하였다. 동맥혈 산소농도 (PaO 2 )는 피부를 가온하면 피부 표면으로의 투과도가 증가하 는 것으로 알려져 있는데 이 원리에 따라서 PaO 2 를 경피 모 니터링할 수 있다. 계측에서는 앉아 있는 피험자에 대하여 에

19 16 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 탄올 용액으로 피부 표면을 소독, 각질층의 지질을 제거한 후 감응부가 피부 면에 접하도록 웨어러블 센서를 장착하고 그 위에 온열대를 덮어 고정하였다. 시스템의 평가실험에서는 설정온도로 피부를 가온하고 대기 (약 21% 산소) 흡인상태에서 출력을 안정화시킨 후 60% 산 소가스를 5분간 흡인시키고 다시 대기 가스로 돌려 센서의 출 력변화를 조사하였다. 피부의 온도를 온열대에서 약 40 로 가온한 상태에서 경피 계측결과를 보면 출력 안정화 후 60% 산소 흡인에 따르는 동맥형 산소농도의 증가에 따른 출력응답 이 관찰되었는데 이 센서 디바이스로 경피 산소계측이 가능하 다. 시판의 전극에서는 피부 투과도를 높이기 위해 43.5 정도 가온하나 웨어러블 센서에서는 저온 화상이 생기기 어려운 4 0 이하의 피부 온도에서도 계측이 가능하였다. 현재 가온이 필요 없는 경피 산소 센서의 개발이 진행 중이다. 웨어러블 도전율 센서 친수성 다공질 막의 양면에 전극을 형성시켜 우수한 도전율 센서를 구축할 수 있다. 이 센서는 구멍 직경 0.2μm의 친수성 폴리테트라 플루오르 에틸렌(H-PTFE)막 양면에 금 전극(200 nm)을 진공증착법으로 직접 성막하고 폭 3mm의 띠 형상으로 만든 것이다. 또 디바이스 중앙부에 의료용의 시아노 아크릴 라이트 접착제를 코팅하여 검출부의 길이를 4mm로 조절하였

20 제3장 Soft-MEMS 기술을 구사한 바이오 메디컬 센서 17 다. 제작된 센서는 막 두께 80μm로 얇고 유연성이 풍부한 도 전율 센서이다. 계측은 LCR 미터를 사용하고 주파수 특성을 4단자법으로 조사한 결과 교류 주파수 100kHz에서 생리식염 수 농도(9g/l)를 포함하는 0.1~50.0g/l 범위에서 염화나트 륨의 도전율 계측이 가능하였다. 센서는 구부림 등의 형상 변 화에 따른 특성변화는 나타나지 않았다. 웨어러블 도전율 센서를 이용하여 눈물에 대한 도전율 계측 을 행하였다. 건성 각결막 염증(드라이 아이)은 주 눈물샘으 로부터의 눈물의 분비를 저하시켜 각결막에 염증 등의 상해 를 가져오는 병으로 눈물 분비의 저하로 눈물의 전해질 농도 와 침투압이 상승하는 것으로 보고 되었다. 먼저 센서의 생 체에의 안전성 및 눈물 계측 성능을 일본 백색 토끼에 확인 한 후 임상에서의 눈물 도전율 및 턴 오버율을 측정하였다. 일본 백색종 토끼를 압전식 고정기로 고정하고 눈 부위에 웨 어러블 센서를 붙이고 연속적으로 눈물 도전율의 계측을 행 하고 다시 농도가 다른 염화나트륨 용액(10.0, 20.0, 40.0g/l 와 증류수)를 점안하고 눈물 도전율의 변화를 조사하였는데 점안액의 농도에 따라서 도전율의 변화와 주 눈물샘으로부터 의 눈물 분비에 따르는 도전율의 회복이 관찰되었다. 또 센 서 장착으로 생기는 각막 염증 등의 눈 부위의 장해는 관찰 되지 않았다.

21 18 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 3. 생체재료를 사용한 가스 센서 의료분석이나 환경계측 등의 분야에 사용되는 바이오센서는 산소 등의 생체재료 등의 인식기능에 대한 선택성을 가진다. 그러나 기상에서는 재료의 인식기능을 서서히 잃어버리므로 기상계측에는 이용되지 않으나 여기서 생체재료의 기능을 유 지하면서 기상계측이 가능한 가스 센서(바이오 스니퍼)를 소 개한다. 효소를 이용하는 바이오 스니퍼 알코올 가스를 계측하는 알코올용 바이오 스니퍼를 격막형의 기액 2상 셀을 이용하여 제작하였다. 이 센서는 클라크형 산 소전극의 감응부에 알코올 산화효소의 고정화 막을 장착한 효소전극을, 격막 기액 2상 셀에 조합시켜 구축한 막이다. 격막 셀에는 기상과 액상의 컴파트먼트가 있으며 독립된 가스 샘플용과 완충액용의 2개의 관로가 설치되어 있으며 두개의 컴파트먼트는 발수성을 갖는 다공성 PTFE막으로 격리되어 있다. 이 스니퍼 디바이스에서는 기상 셀 내의 가스 성분이 다공성의 격막을 통과하여 액상 내부로 확산하여 액상 내의 효소전극에서 검출되도록 되어 있다.

22 제3장 Soft-MEMS 기술을 구사한 바이오 메디컬 센서 19 약물 대사효소를 이용한 바이오 스니퍼 생체에서는 후각으로 인식되지 않는 화학물질이라도 간장 등 에서는 대사효소가 작용하여 대사가 가능하다. 그러므로 약물 대사효소를 냄새 디바이스의 하나인 바이오 스니퍼의 인식소 자로 사용하였다. 생선냄새 증후군(Fish odor syndrome)은 생선냄새인 트리메틸아민(TMA)이 땀이나 호흡, 오줌으로 체 외로 방출되는 질환이다. 일반적으로 건강한 사람에서는 약물 대사에 의해 무취의 산화형 TMAO로 대사되는데 이를 담당 하는 주요 효소가 약물 대사효소의 하나인 플래빈 함유 모노 옥시게나아제(FMO, EC )이다. 이 FMO를 이용하여 TMA 계측이 가능하다. FMO에는 복수의 이성체가 있는데 그 중에서도 FMO3는 생 체 내에서 주 산화촉매 효소이다. 이 FMO3를 생성냄새 성분 인 TMA의 계측에 사용한다. TMA용 바이오 스니퍼의 제작 은 FMO3 효소 고정화막을 산소전극의 감응부에 붙여서 격막 기액 2상 셀과 조합하여 만들었다. 계측에서는 냄새 성분(트 리메틸아민이나 메틸메르캅탄 등)의 존재 하에서 FMO의 산 화촉매반응에 따르는 용존 산소량의 감소를 검출한다. FMO3 의 효소활성은 매우 낮으므로 환원제(아스코르브산)에 의한 기질 리사이클링 반응을 조합하여 센서의 출력을 증폭시켰다.

23 20 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 광섬유형 바이오 스니퍼 바이오 스니퍼는 생체촉매의 기질 특이성에 따른 휘발성 화학 물질의 계측을 가능하게 한다. 냄새의 측정에 대한 인공 후각 (인공 코) 구축에는 스니퍼 디바이스의 다채널화가 필요하다. 센서를 정렬(array)하기 위해 광섬유를 사용한 디바이스를 제 작하였다. 실험에서는 먼저 산소 감응형 섬유와 알코올 산화효소(AOD) 를 조합하여 광섬유형 바이오 스니퍼를 제작하였다. 실험에 사용한 산소 감응형 광섬유(o.d. 1.5mm)에는 앞쪽 끝부분에 루테늄 유기착체가 졸-겔법(sol-gel method)으로 고정화되어 있는데 이 착체가 470nm의 광 여기로 600nm 부근에서 강한 형 광을 나타내며 산소 존재 하에서는 산소 농도에 따른 소광현 상을 보이므로 기상계 및 액상계에서 산소농도의 계측에 이 용할 수 있다. 스틱형 바이오 스니퍼에 의한 호흡기체 계측 보다 간편하게 가스 계측을 할 수 있는 디바이스로 스틱형 바 이오 스니퍼를 제작하였다. 알코올용 스틱형 센서의 제작은 정성분석용 여과지(막 두께 0.25mm)의 앞 뒤면에 탄소 페이 스트와 은/염화은 페이스트를 각각 도포하고 건조시켜 양전 극을 형성시키고 원하는 형상(길이 70.0mm, 폭 2.0mm)으로

24 제3장 Soft-MEMS 기술을 구사한 바이오 메디컬 센서 21 절단하고 시아노 아크릴라이트계 접착제를 도포한 후 전극의 양쪽 끝에 센서 감응부와 단자부를 설치하였다. 다음으로 알 코올 산화효소를 광 가교성 수지를 사용하여 셀 센서 감응부 를 함께 고정하였다. 계측에는 10μl의 인산 완충액으로 센서 감응부를 습윤시킨 후 샘플 가스를 충진한 샘플 백 내에 삽입하여 알코올 존재 하에 서 AOD의 산화반응에 따라 생성된 과산화수소의 정전위 전 류 계측(+900mV vs Ag/AgCl)으로 검출한다. 또 스틱형 센서 를 응용하여 음주 후의 호흡기체의 알코올 계측을 행하였다. 실험에서는 음주 후 15분 간격으로 호흡기체를 채취하고 검 지관과 함께 알코올 농도를 계측하였다. 실험 결과 바이오 스니퍼와 검지관 모두 음주 15분 후를 피크 로 하여 호흡기체 중의 알코올의 증가와 감소를 나타내고 있 는 것을 보아 스틱형 바이오 스니퍼는 호흡기체 중의 알코올 을 간편하게 계측할 수 있음이 확인되었다. 이 센서는 감응부 분을 인산 완충용액에 넣고 흔들어 씻기만 하면 반복 재사용 이 가능하며 재현성을 위한 실험에서의 변동계수는 3.34% (n=20)이었다. 전문가 제언 1990년대에 들어와서 비약적으로 발전한 전자 디바이스 제조

25 22 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 기술로 디바이스의 미세한 제작기술을 이용한 센서나 액추에 이터(actuator) 시스템(MEMS)의 제작에 관련된 연구 투자활 동이 전 세계적으로 활발하게 추진되고 있다. 그러나 센서나 디바이스는 기술은 반도체나 무기재료 중심으로 발전되고 있 어 유기고분자 화합물의 활용이 활발하다고 말 할 수 없다. 그러나 의료나 건강 복지의 영역에서 사용되는 디바이스는 실리콘이나 유리 기판을 이용한 디바이스가 아니라 신체에 안전하고 유기적으로 기능하는 사회적 수요를 고려할 때 유 기재료의 등장이 요청되는 시점에 이르렀다. 사람이나 생물을 위한 디바이스를 목표로 한 기술개발의 방향 으로서 Soft-MEMS가 제창되었는데 인체나 생물과 접하여 사용되는 디바이스의 예로 의학용 대사 계측기와 같이 눈에 장착하는 디바이스는 가급적 부드러운 화학 센서의 개발을 위해 고분자와 MEMS 기술을 융합하여 진행시키며 채혈이나 채뇨가 필요하지 않으며 신체에 파고들어 불편하게 하지 않 는 부드러운 계측기술이 요망되며 또 환경문제 중에서도 대 기오염과 같은 문제를 해결하기 위한 가스 스니퍼 등의 개발 을 위한 고분자 재료의 활용이 요망된다. 본고에서는 이들 웨어러블 화학 센서나 바이오 스니퍼에 관 련된 디바이스의 제작 및 응용연구에 있어서 다양한 유기재 료의 할용 예를 제시하고 있는데 국토는 좁고 인구는 많은 우리로서는 21세기를 맞아 좀 더 쾌적한 환경에서 우리 국민

26 제3장 Soft-MEMS 기술을 구사한 바이오 메디컬 센서 23 의 행복한 복지 생활을 이루기 위해 이러한 프로젝트 기발에 전력을 투구하여야 한다. 그러나 이러한 프로젝트에는 복합 학문적 성격이 크므로 전자, 유기재료, 무기재료 등 다양한 분야의 협력 아래에서 이루어져야 성공할 수 있을 것으로 믿 어진다.

27 제4장 생의학 캡슐 진단용 저전력 무선 센서 마이크로 시스템 25 제4장 생의학 캡슐 진단용 저전력 무선 센서 마이크로 시스템 3) 1. 기술의 개요 식도, 위장, 결장, 소장, 대장 등과 같은 위장 계통의 운동 장 애를 연구할 경우, 적절한 계획과 더불어 그 결과에 대한 합 리적인 평가가 필수적인데 기술의 급속한 발전으로 많은 방 법들이 제안되고 있다. 위장 계통의 운동 장애는 비정상적인 위장 수축, 즉 경련, 내 장 마비 등을 유발하여 심각한 복부 고통, 메스꺼움, 구토, 소 화 불량, 체중 감소, 변비, 및 실금( 失 禁 ) 등의 장애를 일으키 게 된다. 특히 과민성 내장 증후군은 가장 일반적인 운동 장 애로 많은 고통을 수반하고 삶의 질을 저하시키게 되고, 심각 한 경우, 참기 어려운 고통으로 음식을 먹지 못하거나 소화 3) 본문은 Arshak, K et al, A review of low-power wireless sensor microsystems for biomedical, MICROELECTRONICS INTERNATIONAL, 21(3), 2004, pp. 8~19 를 박호동 전문연구위원께서 분석 요약한 것입니다.

28 26 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 불량의 원인이 되기도 한다. 이러한 운동 장애를 진단하고 위장 계통의 비정상적인 운동을 감지하기 위한 여러 방법들이 사용되고 있는데, 방사선 측정, 압력 측정, 무선 원격 측정 등의 방법들이 이용되고 있으며, 간단히 소개하면 다음과 같다. 방사선 측정방법은 음식 통로에 대한 질적인 정보를 제공하지 만 방사선 노출의 위험이 수반되고, 단시간 동안밖에 관찰하 지 못하는 단점이 있다. 또한 방사선은 순환 유발 근육층( 筋 肉 層 )의 수축에 기인한 위장벽 운동을 관찰할 수 있지만 세로 방향의 위장층( 胃 腸 層 ) 운동을 관찰하는 데는 부적절하다. 압력 측정방법은 장벽의 수축에 기인한 압력 변화를 감지하여 장의 기계적 행위를 기록하는 기술로 튜브(tube)를 사용하여 질병을 진단을 하는 것으로 위장 계통에 대한 평가를 하는 데 사용하는 방법이다. 튜브에는 기록장치에 연결된 압력 변환장 치가 부착되고 압력 측정은 튜브에 부착된 압력 게이지를 통해 서 수행될 수 있도록 하고 있고 소형 압력 변환장치는 이동 프 로브(mobility probe)와 함께 사용되도록 되어 있다. 이 기술을 이용할 경우, 위쪽 소화 계통 및 결장은 딱딱한 음식에 의해 장 해를 받게 되고, 봉합된 캐비티(cavity) 내에서 압력 측정을 하게 되어 좋은 신호 데이터를 얻기 어려운 단점이 있다.

29 제4장 생의학 캡슐 진단용 저전력 무선 센서 마이크로 시스템 27 무선 캡슐 내시경 검사방법(Wireless capsule endoscopy)은 애매한 소화 계통 출혈성 질환을 갖고 있는 환자를 관리하는 데 사용되어져 왔으며, 전통적인 방사선방법이나 내시경 평가 방법으로 출혈의 근원을 구별하기 어렵기 때문에 이 방법은 여러 종류의 출혈성 환자에게 진단과 치료로 이용되고 있다. 최근에는 위장 계통 출혈 및 다른 질병에 대한 효과적인 진단 을 통하여 건강을 개선하는 데 이용되는 마이크로캡슐방식의 한 형태로 이용되고 있다. 무선 원격 측정방식은 높은 신뢰성을 갖는 압력 측정 시스템으 로 알약 혹은 캡슐로 구성된 소형 마이크로 시스템으로 위장 계통을 연구하거나 혹은 감시하는 데 사용될 수 있으며, 최근 마이크로 전자기계시스템(MEM ; Micro-Electro-Mechanical system), 캡슐 내시경 검사장치 및 청각 보조장치와 같은 생 의학 응용분야가 성공적으로 개발, 채용되고 있다. 이 논문은 원격 캡슐장치를 채용한 마이크로 시스템을 아래에 간략히 기술한다. 2. 기술의 내용 마이크로 시스템 기술 이 기술은 센서, 프로세싱, 실행 기능을 갖는 지능형 소형 시 스템으로 정의되는데 이들은 2가지 이상의 단일 혹은 복수칩

30 28 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 기술(multi-chip technology) 즉 전자기, 기계, 광학, 화학 혹 은 생물학 등을 혼합한 기술이다. 이식용( 移 植 用 ), 섭취용( 攝 取 用 ), 무선 감시용 등으로 극소형, 저전력 복수 센서 마이크로 시스템으로 개발되었는데 개발 이력을 보면 다음과 같다. - 대표적인 마이크로 계측 시스템은 Kensall(1993년)에 의해 서 제안된 것으로 3개의 다른 입력 센서와 작동장치 (actuator)를 갖는 FE 센서(Front-End sensor), 증폭기, ADC 등을 포함), 엠베디드(embedded) 마이크로 컨트롤 러, 전원, 통신장치 등으로 이루어져 있다. - 고성능 무선 마이크로 시스템은 Mason 등(1995년)과 Yazadi 등 (1996년)에 의해 환경 감시용으로 커패시터 센 서 인터페이스를 사용하여 개발되었으며, 이 시스템은 초 소형 캡슐 시스템으로 초소형, 저전력으로 매우 실용성이 뛰어나다. - 생의학용에 적합한 무선 극소 센서 마이크로 시스템에 사 용하기 위한 칩 내장 시스템(SOC; System On Chip)이 Wang 등(2002년)에 의해 개발되었는데, 이것은 저전력용 으로 센서, ASIC, ADC, 무선 전송, 전원 공급 등으로 구 성되어 있다. - 다수의 센서 인터페이스 기능을 갖고 프로그램이 가능한 아날로그 FE(Front-End)를 갖는 단일 칩 마이크로 계측 기가 Kraver 등(2001년)에 의해 개발되었는데 여기에 채

31 제4장 생의학 캡슐 진단용 저전력 무선 센서 마이크로 시스템 29 용된 마이크로 컨트롤러는 센서 출력에 대한 디지털 필터 및 인터페이스 보상회로, 복수 센서용 복수 샘플링 제어, 주 시스템과 통신 등의 기능을 갖고 있다. 생의학용 마이크로 시스템 기술 이 기술에 사용된 고성능 집적 마이크로회로는 가볍고 저소비 전력, 저가격, 의학용 측정장치로 여러 가지 건강 문제의 근원 을 해결하는 방향을 개발되고 있으며, 개발 이력을 보면 다음 과 같다. - Chatzandroulis 등(2000년)에 의하여 소형 무선 압력 측정 시스템이 혈압을 측정하기 위하여 개발되었는데, 이것은 매우 적은 소비 전력으로 실용상 소형이고, 커패시터 센서 를 사용하였다. - 최근에는 Najafi과 Yu(2003년)에 의해 인체 이식용 저전력 마이크로시스템이 개발되었는데, 이 시스템은 외부 송신 기에서 명령 데이터를 센서들에게 보내고, 이식용으로 마 이크로 시스템 간 전력 전송이 가능하도록 하였으며, 외부 수신기로 센서 데이터를 전송하도록 하였다. - 일반 목적용 단일 칩 CMOS 마이크로 시스템은 MEMS 기술을 사용하여 Senger 등(2003년)에 의해 제안되었는데, 이 시스템은 3개의 주요 서브 시스템(sub-system)인 디지 털 코어(digital core), 아날로그 FE, 온칩(on-chip) 기준 클럭 등으로 구성되었으며, 저전력 소모를 위하여 전체 마

32 30 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 이크로 시스템은 900mV에서 동작되도록 설계되었다. 무선 캡슐 센서를 이용한 기술 위장 계통 운동을 검사하기 위해 사용된 최초의 무선 원격 알 약(pill)은 1950년 후반에 나왔으나 초기의 관심과 달리 20년 동안 대중화되지 못하였으며, 1982년 이후 점차 보급되지 시 작하였고 일반적으로 소형 카메라, 압력 센서장치, 소형 전자 회로, 뒷면에 무선 전송기와 배터리 등으로 구성되어 있다. 소형 및 캡슐화 기술을 기반으로 습취할 수 있는 수많은 무선 원격장치가 출시되었는데, 이것들은 대부분 위장 계통 내의 온도, 압력, ph 등을 측정하도록 하고 있다. 위장 계통 관찰용으로 초기 상업화된 제품이 Giving Imaging 사의 M2A 제품은 Fireman과 Glukhovsky(2002년과 2003년) 에 의해 개발되었는데 무선 캡슐 내시경, 필요한 이미지를 분 석 및 처리하기 위하여 무선으로 데이터를 수신하고 워크스 테이션(workstation)에 데이터를 저장하기 위한 착용 가능한 기록계를 갖도록 하였으며, 크기는 원통 형태로 11mm 직경 과 26mm 길이를 갖고 있다. 스마트 알약 진단 시스템(Smart Pill Diagnostic system)(2003 년)은 진단장치로 쉽게 삼킬 수 있는 1회용 캡슐로 개발되었

33 제4장 생의학 캡슐 진단용 저전력 무선 센서 마이크로 시스템 31 는데 위장 계통의 압력, ph 등을 측정하고 무선으로 시간과 데이터를 모바일 수신기/컨트롤러(controller) 등에 전송하도 록 하였다. 세계에서 가장 적은 캡슐형 내시경이 2002년 NORIKA project에서 일본의 RG System Lab.에 의해서 개발되었는 데, 크기는 직경 9mm, 길이 23mm로 마이크로 캡슐형 CCD 카메라, 무선으로 캡슐을 제어하기 위한 외부 컨트롤러, 전력 전송 및 방향을 제어하기 위한 코일삽입 베스트(coilembedded vest)로 구성되어 있다. 다른 혁신적인 제품으로 러시아 등지에서 개발된 후, 아일랜드 회사인 대체의학 터너 클리닉(Turner Clinic of Alternative Medicine)에 의하여 스푸트니크(Sputnik)란 이름으로 명명된 5.5g, 11mm 22.5mm 크기의 이 캡슐은 파괴주파수를 기생 충에 발사하여 기생충을 죽이도록 설계되었으며, 주로 전립 선, 부인과용 치료, 만성 변비, 잇몸 및 치석, 섹스, 당뇨, 위염 등의 치료에 이용되고 있다. 다른 마이크로 시스템 캡슐은 복수 센서 어레이(integrated sensor array), 아날로그 신호, 디지털 신호 프로세스, 무선 송 신기 및 무선 전력 공급 등을 갖는 것들이 개발되고 있는데, 특히 NASA는 태아를 감시하기 위한 전자환(electronic pill), 한국의 IMC(Intelligent Microsystem Center)에 의하여

34 32 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 10mm 300m 크기의 캡슐형 내시경 등이 개발되고 있다. 무선 원격 마이크로 시스템에 사용된 센서 인터페이스 회로 기술은 크게 커패시터 센서 및 저항 센서로 나누는데 이들은 저전력 소모, 고정밀도, 자동 교정 기능, 장기적 안정성 등이 요구되며, 간략히 소개하면 다음과 같다. 커패시터 센서 회로 - 커패시터 센서 회로에서 커패시터 변환용 표준 인터페이 스가 Yazdi 등(1999년)에 의해 FE 변환기와 버스(bus) 사 이를 인터페이스하기 위하여 설계되었는데, 이것은 이득 이 입력 기생 커패시터에 덜 민감한 장점이 있으나, 채용 된 연산증폭기(op-amp)의 오프셋(offset) 전압에 민감하 고 압력의 적은 변화에서도 정밀도가 떨어지고, 자동 교정 기능이 없어 장기적인 측정에서 부적당한 단점이 있다. - 이러한 문제점을 개선하기 위한 회로는 Cao와 Temes(1994 년)에 의해 이루어졌고, Goes와 Meijer(1996년)의 공동 작 업에 의해 기생 효과를 감소시키고, 연속적으로 교정을 하 는 저가격대의 커패시터 인터페이스가 만들어졌다. - 이식용으로 압력을 측정하기 위한 커패시터/주파수(CF) 변 환기가 Chatzandroulis 등(2000년), DeHennis과 Wise(2002 년)에 의해 개발되어 채용되었다. 저항 센서 회로

35 제4장 생의학 캡슐 진단용 저전력 무선 센서 마이크로 시스템 33 - 캡슐에 사용될 저항 센서의 경우, 성능 수준에 따라 달리 만 들 수 있는데 주로 휘스톤 브리지방식(Wheatstone bridge topology), 엔더슨 루프방식(Anderson loop topology), 지연 발진 저항 인터페이스방식(Relaxation oscillator resistive interface topology)이 개발 채용되고 있는데 장단점을 비교 하면 다음과 같다. - 휘스톤브리지 방식은 간단하고 온도에 민감하며 비선형 감쇠 출력 특성을 갖고, 연속 교정을 위한 추가 회로가 필 요한 단점이 있다. - Anderson(1998년)에 의해 제안된 엔더슨 루프방식은 휘스 톤 브리지 방식보다 개선된 방식으로 매우 높은 입력 임피 던스를 갖고 원하지 않는 신호를 제거하는 2개의 차동 감 쇄기를 채용하고 소형이고 값싸게 만들 수 있다. 이 방식 은 고성능 생의학용 센서용으로 설계되었으며, 장시간 동 작에서도 회로가 안정되고 선형 출력을 제공한다. 그리고 위장 계통 내에서 수 시간 혹은 수일 동안 다른 파라미터 를 감지(sensing) 및 기록하기 위한 진단 시스템용으로 사 용하기에 적합한 회로이다. - Li와 Meijer(2002년)의 의하여 제안된 지연 발진(relaxation oscillator) 저항 인터페이스방식은 정밀 고성능 저항 센서 인터페이스로 0~400Ω 범위로 7mΩ의 해상도와 11mΩ의 정 밀도를 갖고 있고, 커패시터 인터페이스에서 나타난 공통 모드 효과를 줄이기 위하여 자동 교정 기술이 채용되었다. 이 회로는 저가격 CMOS 기술을 이용하는 데 적합한 회로

36 34 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 이나 낮은 저항을 측정하기 위하여 개발된 것이기 때문에 센서 범위가 제한되는 단점이 있다. 무선 주파수 회로 기술 무선 센서용으로 적합한 표준수신기는 일반적으로 소형, 고신 뢰성, 배터리를 이용하도록 설계되고 있으며, 통상 AM 주파 수 영역(530~1,600kHz)과 FM 주파수 영역을 사용하고 있다. 대부분의 생의학용 무선 송수신기는 복수 기술을 혼합한 복수 침 모듈로 구성되어 있다. 기본 주파수 영역 회로와 디지털 부품들은 주로 Si CMOS로 구성되어 있다. 저잡음 증폭기(LNA; Low Noise Amplifier), 믹스(mixer), 전 력 증폭기는 GaAs를 사용하고 있으나, 크기, 무게, 가격 등의 단점이 있고 모듈 연결 부위에서 발생되는 기생 전압은 성능 을 떨어뜨리는 요소가 되고 있다. Si CMOS의 고주파 특성은 GaAs보다 떨어지지만 집적도 및 가격측면에서 우수하며, 특히 SOI(Silicon on Insulator)는 신 호를 혼합하는데 이상적인 기술로 극 저전력 무선 마이크로 시스템에서 사용이 예상된다.

37 3. 결 론 제4장 생의학 캡슐 진단용 저전력 무선 센서 마이크로 시스템 35 마이크로 시스템, 인터페이스 회로, 무선 원격 기술 등이 검토 되었고 상업화되고, 시제품으로 개발된 다른 캡슐 시스템을 비교 설명하였다. 관련 인터페이스 회로가 제시, 검토되었으며, 각 회로와 시스 템의 장단점이 조사되었다. 지연 발진기(relaxation oscillator) 및 연속 자동 교정에 기초 한 커패시터 센서가 저전력-저가격 설계용으로 적당한 선택 이고, 저항 인터페이스 설계에서 엔더슨 루프방식이 우수하고 안정적인 성능을 준다는 것이 설명되었다. 최종적으로 미래 시스템 설계를 고려하여 간단한 원격 측정 모듈 시스템을 제안하고 시제품이 제작되었으며, 소형 무선 원격 캡슐은 CMOS 이미지 센서, 광 LED 송/수신기 회로, 2 개의 안테나, 배터리로 구성되어 있으며, 세부적으로 기술하 면 다음과 같다. 직경 11mm 크기의 양방향 복수 채널 무선 원격 캡슐을 제작 하고, 인체 내부로부터 비디오 이미지를 전송하고 외부 제어 장치로부터 제어신호를 받도록 설계되었다.

38 36 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 케이블 TV 방송 시스템용 315MHz 상업용 케이블 채널이므 로 사용자는 하이퍼밴드(hyperband)인 39채널을 이용하여 TV로 내장의 이미지를 관측할 수 있도록 하였다. 무선 수신기에서는 상업용 무선 ASK/OOK 변조기를 사용하고 원격무선 단일 칩을 사용하며, 디코드(decoder) IC는 직렬 신호 를 받고 받은 신호를 4비트 2진 데이터로 해석하도록 하며 각 비트는 인체 외부로부터 제어신호로 이용하도록 하였다. CMOS 이미지 센서 모듈이 소모 전력의 대부분을 차지하므 로 CMOS 이미지의 켜짐/꺼짐(ON/OFF)이 매우 중요하다. 또한 LED의 소모 전력도 많으므로, 개별 LED의 켜짐/꺼짐 (ON/OFF도 필요하고 제어신호는 4개 채널로 나누었다. 무선 측정 시스템의 각 부분은 각 부분의 효과를 고려하여 개 별적으로 5개 주요 부분, 즉, 모듈과 외부장치 사이 무선 통신 링크 설계, 이미지 혹은 다른 센서 설계, 캡슐 내 데이터와 신 호 흐름을 구성하는 마이크로 시스템 설계, 개발된 시스템의 소형화와 패키지화(packaging), 데이터를 받고 모니터에 데이 트를 디스플레이하기 위한 효과적인 소프트웨어 설계 등으로 나누어 설계되었다.

39 제4장 생의학 캡슐 진단용 저전력 무선 센서 마이크로 시스템 37 전문가 제언 인체 위장 계통의 운동 장애를 검사하는 데 사용된 마이크로 시스템 및 무선 원격 마이크로 시스템의 개발 기술 전반, 그리 고 핵심 기술인 센서 기술과 무선 기술에 대하여 검토하였다. 향후 미래 시스템 설계를 고려한 원격 측정 모듈 시스템의 중 요 부분에 대하여 검토하였으며, 시제품으로 제작, 시스템 측 면에서 전체 구성 및 설계방법 등을 제안하였다. NT, IT 기술의 총화로 극소 무선 원격 마이크로 기술은 위장 계통뿐 만 아니라 여러 인체 장기의 검사나 치료용으로 활용 이 예상되며, 미래 성장 기술로 각광을 받을 것이 예상된다. 특히 노령화의 증가 및 질병 치료용으로 인체에서의 미세한 변화를 감지하고 실시간으로 지속적으로 검사가 가능하므로 향후 의학 발전 및 인간 수명을 연장시킬 핵심 기술로 자리를 잡을 것으로 예상된다. 향후 도래할 유비쿼터스 사회에서의 이 초소형 무선 원격 기 술은 여러 산업 분야로 응용이 가능하며, 기술 개발 가능성이 대단히 많은 분야이므로 산학 연계를 통한 적극적인 연구 개 발이 필요하다.

40 제5장 MEMS에 이용되는 자성재료( 磁 性 材 料 ) 39 제5장 MEMS에 이용되는 자성재료( 磁 性 材 料 ) 4) 1. 서 론 MEMS(microelectromechanical systems)란 실리콘을 기반으 로 하여 여러 가지 석판인쇄공정(lithographic process)으로 만들어진 실리콘 플랫폼(platform)위에 3면 구조를 갖는 극히 작은 디바이스(device)로 정의하고 있다. 이는 1992년에 Richard Feynman에 의해서 처음으로 불리어졌으며 이러한 디바이스의 집적밀도는 매 18개월마다 배로 된다는 Moor의 법칙을 잘 따르고 있다. MEMS가 사용된 대표적인 장치는 자 동차 에어백(air bag)의 작동을 위한 가속도계(accelerometer) 일 것으로 생각된다. 이글에서는 MEMS에 부가적인 기능을 더 가하기 위하여 자기 요소부품의 집적화( 集 積 化 )에 대하여 논의할 것이다. 여기에 선정된 자석MEMS의 원리를 증명하는 예는 실험실 규모로 4) 본문은 Gibbs, MRJ et al, Magnetic materials for MEMS applications, JOURNAL OF PHYSICS D-APPLIED PHYSICS, 37(22), 2004, pp. 237~ 244 를 양배덕 전문연구위원께서 분석 요약한 것입니다.

41 40 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 그 가능성만을 제시하게 된다. 그러나 MagMEMS(Magnetic MEMS)를 가능하게 하는 박막형 필름 자성재료는 실사용이 가능한 것 들이다. 2. 표 본 최근에 MagMEMS에 기본을 둔 개념과 원리를 증명하는 어 느 정도 범위의 센서와 시동기(actuator)는 잘 알려져 있다. 자기탄성( 磁 氣 彈 性 )의 특성은 이미 알려졌고, 폴리실리콘 구 조에서 미소작동(microactuation)을 성공시켰다. 또 이미 자기 탄성을 갖는 재료로 피막을 만드는 기술을 적용하여 압력 센 서를 만들어 냈다. GaAs웨이퍼는 SiN으로 피복하여 끝단처 리에 이용되거나 박막으로 사용되고 있는 실정이다. 한 가지 예로서는 실리콘구조물에 미소 v형 홈(groove)을 만 들어 브리지(bridge)를 에칭(etching)하고 비정질 자기탄성재 료를 피복한 공진(resonance) 기구를 만든다. 이 홈의 단순한 열팽창에 의하여 CW(continues wave)신호에서 공진 주파수 를 검색할 수가 있다. 이의 응용으로 물리화학에서는 물론이 며 생물학적인 센서를 만들 수 있다. 이러한 센서로 리신 (ricin)과 같은 독극물질을 검출할 수 있다. MagMEMS에 영구자석의 이용은 활발한 편이다. 인공 청각 에 대하여 광학분야에서 이용되는 증착 필름보다 시계공업

42 제5장 MEMS에 이용되는 자성재료( 磁 性 材 料 ) 41 분야에서 이용되는 표준 마이크로 자석이 더욱 적합함을 보 여주고 있다. 좋은 성질을 갖는 후막형 필름개발은 더 많은 노력이 요구되는 반면, 영구자석 필름과 코일을 사용한 청각 용 임플란트(implant)는 이미 완성하였다. 개발된 임플란트는 7kHz의 중심주파수에서 충분한 대역폭을 갖고 있으며 언어를 명확하게 구별한다. 3. 왜 MagMEMS인가? 자기 센서와 시동기 기술의 발전을 향한 분명한 길은 MagMEMS를 이용해야 간편하다는 것이다. 이는 미소화( 微 小 化 )와 시스템의 통합으로 이루어지고 있다. MagMEMS는 MEMS의 기술에 여러 가지 장점을 제공한다. 그중에서 첫째 는 시스템을 무선형태로 구성할 수 있다는 것이며 두 번째는 자기적인 요소로 유도결합, 유전율 또는 변형, 변위, 압력은 물론이려니와 다른 측정요소의 함수가 되는 공진 주파수로 지령을 받을 수 있는 점이다. 현재 사용되고 있는 도난방지 센서는 위에 기술한 사실에 의 존하고 있다. 이들은 원격 또는 적대적인 위험환경에서 즉각 적인 반응에 이용된다. 여기에는 자석 필름이 사용된다. 재래 적인 재료로는 실리콘(Si), 혹은 GaAs기판에 적층하거나 또 는 캡톤(Kapton)과 같은 합성수지와 유리판에 적층하여 이용 된다. MagMEMS의 구조물은 반드시 실리콘 기판 상에 마이

43 42 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 크로 제작만을 요구하지는 않는다. 다른 재료를 사용하여 광 석판인쇄공정이나 프린트로서 패턴을 뜰 수 있다. 관심을 두어야할 과제 CMOS와의 집적화 - 현재 CMOS 기술에 있어서 시스템을 집적함에 가장 근본 적인 문제는 시스템 전체에 걸친 열 문제에 있다. 미소구 조에 있어서 자기( 磁 氣 ) 성질의 열화 없이 자석 박막필름 을 만들 수 있어야 한다. - CMOS의 공정 중에 상한 온도는 일반적으로 400 와 500 사이에 있다. 이 온도범위에서 MagMEMS는 열화 가 생기지 않아야 하는 시간 범위를 허락하는 최우선의 재료이다. - MRAM(Magnetic Random Access Memory)는 최종적으 로 CMOS상에서 주조된다. NdFe 같은 자성재료는 더욱 복잡하다. 온도계산을 잘 하여야 한다. 잔류 스트레스와 집적화( 集 積 化 ) - MEMS의 구조를 만드는데 있어서 가장 근본적인 문제는 격층 사이에 스트레스를 조정하거나 가능한 없애는 것이 다. 스트레스가 크게 되면 켄트레버나 피막이 왜곡되게 된다.

44 제5장 MEMS에 이용되는 자성재료( 磁 性 材 料 ) 43 재료 내 재료의 확산(diffusion) - 게이트(gate) 유전체로서 산화실리콘(SiO2)를 대신하기 위 한 새로운 유전재료는 실리콘과 산화실리콘 및 새로운 게 이트 유전재료와의 사이에 기판 내부로 재료가 확산되는 문제가 있다. 물론 이러한 일은 소거 시키는 것이 바람직 하다. - 대부분의 경우 이러한 유전재료는 산화 희토류 들이다. 증 착된 자석 필름의 미소구조에 명백히 영향을 줄 수 있는 단결정 층이 있음에 주의해야 한다. 충분히 조사된 재료를 사용해야 할 것이다. 자체조정과 수정 - 도난 방지나 원격 재고관리를 위해서 센서에 직접적으로 통신해야 할 경우, 전자기유도의 Faraday법칙으로부터 MagMEMS를 원격에서 작동시키거나 지령신호를 보낼 수 있다. 여기서 MagMEMS가 갖추어야 할 중요한 양상은 신 호대잡음비(SNR)를 향상시키고, 또 환경조건의 변화로 인 한 측정치의 천이(drift)를 방지할 수 있는 자체수정과 스 스로 조정할 수 있는 능력을 가져야 한다. - 이러한 기능은 공진구조를 사용함으로서 실현시킬 수 있 다. 만일 자석요소가 교류자계에 여기(exciting)된다면 기 계적인 공진도 일어날 수 있다. 공진 주파수는 캔트레버인 경우에 쉽게 계산할 수 있다.

45 44 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 4. MEMS를 위한 자성재료들 자기저항( 磁 氣 抵 抗 ) 재료 자기저항[MR(magnetoresistance): NiFe에서 특히 이방성 MR 즉, AMR(Anisotropic MR)]이 때때로 자기센서로 쓰여 왔다. 최근에는 큰 자기저항(GMR: Giant magnetoresistance)이 다 중 격층 재료와 과립자성 재료에서 나타남이 보도되고 있다. 이들은 자기 기록 산업에서 전류 드라이브 헤드에 일차적인 부품이 되는 스핀밸브 센서에 이용되고 있다. 마그네틱 필름의 두께의 감소와 같이 자석 성질에 있어서 주 된 관심은 모든 가능성이 있는 MagMEMS의 응용에 있다. 스핀밸브나 자기적터널접합(magnetic tunnel junction)에 대 한 연구는 데이터의 저장 분야에서 이들의 이용에 초점이 집 중되고 있다. 자기탄성( 磁 氣 彈 性 ) 재료 박막형태 또는 다층상의 최근 자기변형 재료들은 압전 재료에 경쟁할 수 있는 성질을 제공하고 있다. 자기변형을 이용하는 시동기를 위해서는 낮은 이방성 상수를 갖는 재료가 유용한 미분( 微 分 )형 반응을 위하여 선정된다. 이것은 인가된 장 (field)의 작은 변화에도 큰 변형을 나타내기 때문이다.

46 제5장 MEMS에 이용되는 자성재료( 磁 性 材 料 ) 45 NiFe와 CoFe 합금은 읽기 헤드의 유연한 자석요소로 선정되 며 벌크제품에서 측정되는 그들의 이방성 상수의 아주 작은 포화 특성으로 인하여 일차적으로 선정되고 있다. 그러나 박 막에서와 벌크 재료에서의 특성은 상당히 달라진다. 이는 계 속하여 연구되어야할 문제이다. 자기탄성과 MagMEMS - 자기탄성을 갖는 MagMEMS에서 자성재료로 고려되어야할 것 은 변동범위이다. 금속에서 비금속으로 천이단계에 있는 비결 정성 합금으로 된 일체형 필름은 훌륭한 고주파 특성과 항산화 성을 갖고 높은 전기저항을 포함하는 좋은 특성을 갖고 있다. 희토류 천이금속 [RE-TM(rare-earth-transition-metal)]과 같 은 비결정성 필름이 여기에 속한다. - FeCo합금은 비희토류 재료 중에서 가장 높은 포화 자기변 형상수를 갖는다. 주의 깊은 성장조건으로 박막을 만드는 것이 가능하다. 영구자석 재료는 최근에 MEMS를 위하여 RE-Fe-B 박막필 름에서 좋은 성능이 기대되며 희망을 갖고 탐구하고 있다. 연 구된 는 증착한 필름인 경우에 상온에서는 완전 히 비정질구조로 좋은 특성을 가지나 400 이상에서 결정구 조로 변형되고 있다. 계속하여 연구되어야 할 과제이다.

47 46 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 5. 로드맵(roadmap) 및 결론 마이크로 시스템 기술에서 자기센서와 극소형 시동기에 대한 집중적인 발전을 위하여 나아가야 할 방향은 정해졌다. 시동 기보다는 MagMEMS센서를 우선적으로 연구해 나아가야 한 다. 다음 4가지를 강조한다. l데이터 저장에 관련된 산업에 서는 특별히 중요한 위치에 있는 현재의 디바이스에 대하여 조사해야한다. 제안된 디바이스와 개발된 디바이스는 차이가 있다(어떤 자석재료는 온도를 감지 하고 대부분은 변형을 감지 한다) 후자에 초점을 둔다. 2두 번째 과제는 현재의 요 구에 적합한 전류 감지능력과 여러 가지 파라미터의 새로운 응용분야에 중점을 둔다. 앞으로 5년 내지 10년 사이에 가능 하게 될 새로운 자기센서에 역점을 둔다. 3세 번째는 재료 및 제조분야에서 또는 시스템 개발 분야에서 더욱 연구하여 야할 분야를 규명하는 것이다. 4마지막 과제는 진전에 명백 한 거침돌이 되는 장벽을 규명하는 것이다. 시장 소요와 응용분야 건강관리 분야 : 건강관리에서 새로운 가능성을 보인 자기성 ( 磁 氣 性 ) 나노(nano) 입자의 생산에 진전이 있다. 자석 태그 (tagging)를 사용한 바이오 의학적 스크린(screen)이 제안되 고 있다. 자기입자( 磁 氣 粒 子 )는 바이오 약품과 화학약품과도 함께 캡슐로 만들 수 있어 응용범위가 넓다.

48 제5장 MEMS에 이용되는 자성재료( 磁 性 材 料 ) 47 범죄예방 : 특정 화학물질에 대하여 자계공진( 磁 界 共 振 ) 구조 를 갖도록 함으로서 리신(ricin)과 같은 테러리스트에 이용되 기 쉬운 독극물을 방사선 선량계에서 검출되도록 할 수 있다. CD와 같은 제품에는 이미 자석 태그를 붙이고 있는 것과 같 이 상품에 태그를 붙인다. 데이터의 저장 : 데이터의 저장에서 읽기/쓰기 헤드의 사용은 잘 문서화 되어 있다. 그러나 박막 자기저항센서가 1990년경 에 면적밀도를 증가시키는 것으로 소개되었지만, 실제로 읽기 /쓰기에 이 비율로 운용된 것은 GMR 디바이스가 개발된 뒤 였다는 것을 기억해야 할 것이다. 앞으로 연구하여야 할 과제 는 터널형 MR(tunnelling MR)이 될 가능성이 크다. 기존의 기술: 이방성자기저항(AMR) 또는 GMR에 기본을 둔 상용 자기 저항센서는 시장에 나와 있다. 데이터 저장용 헤드 에는 스핀밸브형이 선정되고 있다. 현재 거대마그넷임피던스 (GMI)나 박막 플럭스게이트(fluxgates)를 사용하여 만든 주 된 상품은 없다. 반도체 Hall효과를 이용하는 상품은 수 없이 많으나 감도에 의해서 제한된다. 이들은 칩 위에서 쉽게 시스 템을 집적할 수 있다. 자석식이 아닌 MEMS에 기초한 압력 센서는 1955경 제안 되었지만 완전히 상품화된 것은 1990년 경 이었다는 것을 기억할 필요가 있을 것이다. 완전한 상품이 되려면 그만한 시간을 필요로 한다.

49 48 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 전문가 제언 국내에서도 MEMS는 잘 알려져 있고 많은 제품이 생산되고 있다. 그러나 여기에 부가적인 기능을 더하기 위하여 자석 MEMS(MagMEMS : magnetic microelectromechanical system)가 등장하여 새로운 분야를 개척하고 있다. 이미 백화점 이나 쇼핑 몰에서 주요 상품의 도난을 방지하기 위하여 이 기 술을 응용한 태그가 활용되는 단계에 있다. 청각 임플란트 (implant)와 같은 정밀한 제품이 개발되는 단계에 들어서고 있다. 이러한 MagMEMS가 그만이 갖는 특성 즉 시스템을 무선형 태로 구성할 수 있으며 또 자기적( 磁 氣 的 ) 요소는 유도 결합, 유전율 또는 변위, 압력 등 측정요소의 함수가 되는 공진 주 파수로 지령을 받을 수 있는 장점을 가지고 있다. 뿐만 아니 라 MagMEMS는 반드시 실리콘기판 위에서만 구조물을 만들 필요는 없다. 다른 재료를 사용하여 광 석판인쇄 기술을 이용 하여 패턴을 얻을 수 있는 장점도 가지고 있다. 현재의 기술 상태를 보면 이방성자기저항(AMR) 또는 GMR 에 기본을 둔 상용 자기저항 센서는 시장에 보급되고 있다. 데이터 저장용 헤드에는 스핀밸브형이 선정되고 있으나 거대 마그넷임피던스(GMI)나 MagMEMS 박막 플럭스게이트를 사 용하여 만든 주된 상품은 없다. 반면 반도체 Hall효과를 이용

50 제5장 MEMS에 이용되는 자성재료( 磁 性 材 料 ) 49 하는 상품은 수 없이 많으나 감도에 의해서 제한되고 있다. 이들은 칩 위에서 쉽게 시스템을 집적할 수 있지만, 자성재료 의 열적 취약성과 경년변화를 고려할 때 자성재료의 사용은 그 신뢰성에서 충분히 검토되어야 할 것이다. 자석식이 아닌 MEMS에 기초한 압력센서는 1955경 제안되었 지만 완전히 상품화된 것은 1990년경이었다. 완전한 제품으로 서 실용화의 길이 얼마나 어려운 것인가를 단적으로 말해주 고 있다. 선진국으로 가려면 개발은 계속되어야 한다. MagMEMS의 응용에 대한 기대는 크다. 우리의 연구 또한 자기터널접합(magnetic tunnel junction)이나 자기탄성재료 (magneto-elastic materials)와 같은 재료개발에 관심을 가져 야 할 때이다.

51 제6장 마이크로 전자기계장치와 실장( 室 裝 ) 기술 51 제6장 마이크로 전자기계장치와 실장( 室 裝 ) 기술 5) 1. 기술의 개요 미국에서는 1987년에 수십 μm 크기의 마이크로 기어, 정전( 靜 電 ) 마이크로 모터 등의 마이크로 기계요소가 Si기판 상에 실 현된 것을 계기로 하여, MEMS(Micro Electro Mechanical System)의 발판을 마련하였다. 1990년대에는 일본의 마이크로 기계 프로젝트(통상산업성)을 시작하게 되었으며 각국에서도 연구개발이 활발하게 진행되 어 제조기술이 한 단계 상승하였다. 동시에 잉크제트 프린트, 관성센서, DMD(Digital Micro-mirror Device)에 의한 프로젝 트 등, MEMS장치를 응용한 제품도 시판하게 되었다. 금세기 에 들어와서는 마침내 고주파 (RF-) MEMS의 휴대정보기기 의 실용화도 눈앞에 닥쳐왔다고 말할 수 있다. 5) 본문은 伊 藤 寿 浩, MEMSと 實 裝 技 術, 機 能 材 料, 25(3), 2005, pp. 25~33 을 유호천 전문연구위원께서 분석 요약한 것입니다.

52 52 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 그렇지만 한편으로는 약 5년 전부터 MEMS기술이 좀처럼 실장 되지 않는다. 는 것이 문제로 대두되었고, MEMS의 실 용화에 대해서 국제회의(예를 들면, COMS)에서 물건이 되 지 않는 이유 를 토론한다고 하는 어처구니없는 상황에 직면 하기도 하였다. 이 MEMS실용화에 가장 큰 공격의 대상이 되고 있는 대표적 인 기술과제는 실장 기술이어서, 현재에는 서서히 MEMS에 관련된 연구자들도 그 중요성을 인식하게 되어 최근에는 MEMS관련된 국제회의 등에서 패키지에 대한 기술에 관련된 연구발표 건수도 증가하고 있다. 본문에서는 MEMS 실장의 과제를 새로이 검토하였으며 향후 에 개발할 수 있는 실장 기술에 대하여 소개하기로 한다. 2. MEMS 실장 과제 MEMS는 LSI와는 달라, 현재에는 넓은 범위의 장치를 가리키 는 단어가 되어 최근에는 광MEMS(MOEMS : Micro Opto Electro Mechanical Systems), RF-MEMS, μtas와 Lab on a Chip 등의 화학 MEMS, Bio-MEMS, Power MEMS 등 실로 많은 분야에 걸쳐서 다양한 장치를 포함하는 개념이 되었다. 이러한 MEMS 장치의 공통점은 미소기계로 형성된 수 μm 깊 이(높이)의 높은 가로세로비(aspect ratio)의 구조를 가진 점과

53 제6장 마이크로 전자기계장치와 실장( 室 裝 ) 기술 53 많은 경우에 중공구조체( 中 空 構 造 体 )를 필요로 하는 정도이 다. 그래서 이러한 장치의 생산량은 소수의 실용화 성공사례 를 제외한 극단적으로 소량이며, LSI장치와 큰 차이가 난다. MEMS 실장 후(post packaging)의 과제로서 다음과 같은 사 항을 열거할 수 있다. 입출력의 대상은 배선에 의한 전기신호뿐만 아니라 마이크로 배관에 의한 유체, 광섬유, 도파로( 導 波 路 )에 의한 광 등 다종 다양하다. 많은 경우에, 기계요소의 신뢰성을 확보하기 위하 여 일부의 장치, 예를 들면 공진형의 센서ㆍ작동기(actuator), 적외선 센서 등에는 진공밀봉이 필요한 경우가 있다. 환경과 상호작용을 필요로 하는 장치에는 밀폐구조를 취할 수 없다. 또한 가열프로세스에 의한 잔류응력이 센서출력으로 영 향을 받는 경우가 있다. 특히 기계요소가 튜브화 프로세스(다 이싱)에 견디지 못한다. 테스트기술이 확립되어 있지 않다. 개개의 장치에는 각각 특 유한 실장기술이 필요하게 되어 제조비용이 대단히 높다. LSI에도 밀봉기술은 필요하지만, MEMS에는 중공구조( 中 空 構 造 )를 필요로 하는 점이 다르다. 열거된 MEMS 전장 후 (post packaging)의 문제점은 회로판 수준으로 밀봉패키지를

54 54 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 수행할 수 있으면 상당한 부분이 해결되기 때문에 이 밀봉패 키지 프로세스를 어떠한 형태로든지 공통화 시키면 그 의의 는 크다. 3. MEMS 밀봉 전장 MEMS를 전장하는 데에 가장 큰 문제점은 그대로는 다이싱 (튜브화 프로세스)과 조종 등을 포함한 성숙된 LSI 패키지기 술을 적용할 수 없다는 것이다. 그러나 다이싱(dicing) 전의 단계에 장치가 덮개로 보호되고 LSI와 동일하게 취급될 수가 있으면 기존의 LSI 전장기술의 이용이 가능하게 되어 전장공 정의 대폭적인 비용 절감이 기대된다. 덮개를 형성하는 방법에는 크게 2가지로 나눌 수 있다. 하나 는 캡회로판(cap wafer)이라고 부르는 덮개회로판을 장치회 로판으로 접합하는 방법이고 다른 하나는 표면미소기계에 의 해서 마이크로 셀(micro cell)이라고 부르는 박막의 덮개를 장 치회로판에 직접 형성하는 방법이다. MEMS 밀봉기술의 초점은 저비용화와 회로판 수준에 있기 때문에 어느 정도의 소량(회로판 매수)이 나오는 적용에는 본 질적으로 일괄 프로세스로 미세덮개의 형성이 가능한 마이크 로 셀에 의한 방법이 유리하다. 그러나 이 방법은 기본적으로 고온의 증착 공정과 희생층( 犧 牲 層 ) 에칭 프로세스 등의 관계

55 제6장 마이크로 전자기계장치와 실장( 室 裝 ) 기술 55 에 적용하는 장치에는 사용할 수 없어, 장치 각각에 전용의 공정개발이 필요하다. 밀봉접합의 초점 밀봉성능 - 단지 먼지 등이 들어가지 않으면 된다고 하는 수준이기 때 문에, RF-MEMS의 스위치와 같이 접점이 열화되지 않은 불활성가스 분위기가 필요한 수준, 적외선 센서와 공진형 의 센서와 같이 어느 정도의 진공도의 장기간 유지가 필요 한 수준까지 여러 가지가 있다. 그러나 가스밀봉과 진공밀 봉을 확보하기 위하여서는 신뢰성이 높은 접합방법이 필요 하다. - 밀봉된 공간(cavity) 내의 환경이 유지되기 위해서는 밀봉 부에 누출(leak)이 없을 것, 공간내부에 가스발생 등이 생 기지 않을 것 등이 필요하다. 밀봉부재의 가스투과성이 무 시될 수 있는 경우에서의 누출은 밀봉부의 미접합부(void) 가 관계되어 누출통과가 이루어짐에 의해서 일어난다. 접합프로세스의 부하( 負 荷 )는 프로세스 온도에 의한 열부하이 다. 밀봉접합은 제작이 끝날 때의 장치회로판에 대해서 행해지 기 때문에 프로세스 온도는 장치의 허용온도 이하, 일반적으로 는 알루미늄 배선이 허용되는 400 이하로 할 필요가 있다.

56 56 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 접합구조(인출되는 배선) - 장치에서부터의 신호배선을 장치신호판 면에 급송( 給 送 ) 으로 끌어내든지, 관통배선으로 끌어내든지 할 수 있다. - 급송의 경우에는 도핑층(doping 層 ) 등에 배선을 깔아 넣는 다고 하여도 배선부에서의 단차( 段 差 )는 피할 수는 없어, 밀봉 성능에 영향을 미치고 만다. 높은 밀봉성능이 필요하 면 배선이 밀봉 성능에 영향을 받지 않는 관통배선을 사용 해야 한다. MEMS 밀봉에 사용되는 접합법 Si직접접합 - 회로판 직접접합과 실리콘 용융접합 등으로 말할 수 있는 방법으로 기본적으로는 표면을 친수화 처리(소수화 처리 에서도 가능)한 회로판끼리 상온대기 중에서 중합( 重 合 )시 켜, 그것을 통상 700 이상으로 가열함으로써 견고한 접합 을 할 수 있다. 기본적으로는 Si-Si, Si-Si산화물, Si산화 막-Si산화막 등이 유효하지만 GaAs-Si와 수정-Si, Si-유 리 등에도 적용사례가 있다. - 친수화 처리는 습식으로 할 필요가 있지만 현재에는 산소 플라즈마 조사에 의한 친수화 전처리 기술이 확립되어 있 기 때문에 전처리에 의한 적용제한은 그다지 없다. 기본적 으로 R rms 로 1nm정도의 평탄한 표면이 필요하고 장치의 가공 중에는 밀봉부의 표면을 보호하는 등의 연구를 할 필

57 제6장 마이크로 전자기계장치와 실장( 室 裝 ) 기술 57 요가 있다. 양극접합 - 양극접합은 유리와 금속의 밀봉접합법으로서 개발되었으 며 MEMS 여명기 때에 가장 많이 사용해 온 밀봉접합법 이다. 통상은 400 정도의 열판 위에 Si와 열팽창계수가 비슷한 파이렉스 유리(캡회로판)와 Si(장치회로판)의 평탄 면을 중합시켜 Si측을 정면으로 하여 500~1,000V의 전압 을 가함으로써 접합이 실현된다. 가해진 전압에 의해서 유 리 중의 Na이온이 뒷면의 부전극측( 負 電 極 側 )으로 이동하 여 Si측 유리표면 근방에는 부(마이너스)의 공간전하층이 형성된다. - Si표면의 정전하와의 사이에 강한 정전인력이 작동되어 표면간에 밀착이 됨에 동시에 이 인력에 의해서 유리의 공 간전하층 중의 산소이온이 이동하여 Si와 공유결합하여 견 고한 접합 Si-O가 형성된다고 생각된다. 중간층을 삽입한 접합 - 접착제도 중간층의 일종이라고 말할 수 있지만 소위 기밀 밀봉에 사용되는 중간층으로서는 땜납, Au-Si 공정반응층, 프릿유리(frit glass) 등이 대표적이다. - PbSn땜납은 200 의 강한 온도에서 저온접합이 가능하고, 밀봉 시에는 땜납이 용융하기 때문에 밀봉부가 비교적 큰 단차( 段 差 )에서도 흡수되고, 배선인출이 용이하게 되며 장

58 58 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 치형성 시에 밀봉면의 거칠기 등에 밀봉성능이 영향을 받 지 않게 되는 등의 장점이 있다. 4. 표준 밀봉구조와 상온접합의 적용 가능성 MEMS 실장 기술은 장치마다 전용의 구조와 프로세스가 개 발되어 있지만 비용저감을 위한 어떤 표준화를 만들어 놓지 않으면 안 된다. 범용성을 의식한 밀봉 실장의 구조를 검토해 보기로 한다. 고려되는 방법으로서는 캡회로판(cap wafer) 기 판에 관통전극과 접속용의 마이크로 스프링을 설치하고 이것 을 상온접합법 등을 이용하여 장치회로판과 밀봉접합하여 회 로판 수준의 패키지를 만드는 방법이다. 상기의 구조에 대한 장점은 우선 장치회로판에는 패키지를 위 한 후가공을 하지 않아도 장치의 회수율 저하를 피할 수 있 고, 또한 관통전극과 마이크로 스프링의 채용에 의하여 전기 적인 접속과 밀봉접합을 분리할 수 있다. 더욱이 캡회로판 기 판구조의 공통화에 의한 비용 절감 등의 이점이 있다. 공통 캡회로판 기판에 의한 MEMS 밀봉접합구조를 실현하기 위해서는 관통전극 형성기술, 마이크로 스프링 형성기술, 재 료의 선정과 관계없는 저온 접합프로세스와 같은 요소기술이 필요하다.

59 제6장 마이크로 전자기계장치와 실장( 室 裝 ) 기술 59 밀봉성능은 밀봉부 재질, 표면조도 및 표면활성화 공정의 조 건 등에 의존하기 때문에 표준 공정으로서 적용시키는 연구 를 추진할 필요가 있다. 5. 결 론 MEMS 밀봉접합기술을 중심으로 MEMS 실장기술의 과제 등에 관해여 검토하였다. MEMS 실용화의 열쇠를 쥐고 있는 것은 역시 실장공정의 저비용화이다. 저비용화의 초점은 범용 적인 회로판 수준의 밀봉접합기술의 개발 및 범용의 LSI 패 키지 프로세스의 적용에 있다. 특히 밀봉접합을 위한 구조와 배선구조가 집적화된 표준적인 캡회로판이 실현되려면 패키 지 코스트의 저감에 크게 기여하지 않으면 안 된다. 시험기술에 대해서도 회로판 수준의 밀봉을 전제로 하여 고려 해 볼 필요가 있다. 많은 부분의 MEMS가 LSI와 같은 실장공 정에 적용이 되면 드디어 시스템 LSI와 MEMS가 융합된 마 이크로 시스템시대가 도래하였다고 말할 수 있을 것이다. 전문가 제언 MEMS(마이크로 전자기계 시스템)는 마이크로 기어, 정전( 靜 電 ) 마이크로 모터를 비롯하여 잉크제트 프린트, 관성 센서, DMD(Digital Micro-mirror Device)에 의한 프로젝트 등,

60 60 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 MEMS 장치를 응용한 제품이 개발되어 시판되고 있는 실정 에 있다. 또한 고주파 MEMS의 휴대정보기기의 실용화에 대 한 기술정착을 급히 서두르고 있다. MEMS의 기술정착에 가 장 큰 걸림돌이 되는 패키지 기술은 시급하게 해결해야 할 가 장 중요한 국가적인 과제로 대두되고 있다. MEMS 패키지 기술은 장치마다 전용의 구조와 프로세스가 개발되고 있지만 비용 저감을 위한 표준화 기술을 정착시키 는 과제가 무엇보다 중요하다. 특히 MEMS 밀봉접합구조를 실현하기 위해서는 관통전극 형성기술, 마이크로 스프링 형성 기술, 재료의 종류와 관계없는 저온 접합프로세스와 같은 요 소기술의 개발이 시급하다. 패키지 프로세스의 저비용화 위해서는 범용적인 회로판 수준 의 밀봉접합기술의 개발 및 범용의 LSI 패키지 프로세스의 적용에 있다. 특히 밀봉접합을 위한 구조와 배선구조가 집적 화된 표준적인 제조기술이 확립되려면 실장 비용의 저감이 절대적인 기술개발 과제이다. 아울러 MEMS가 LSI와 같은 실장공정에 적용이 되어 융합된 마이크로 시스템을 형성시키 는 기술이 확립되어야 한다. MEMS 밀봉기술의 초점은 저비용화와 범용적인 회로판 수준 으로 맞추었기 때문에 일괄 프로세스에 의한 마이크로 셀 방 법이 유리하다. 그러나 이 방법은 기본적으로 고온의 막 퇴적

61 제6장 마이크로 전자기계장치와 실장( 室 裝 ) 기술 61 프로세스와 희생층 에칭 프로세스 등에 적용하는 장치에는 사용할 수 없으므로, 장치 각각에 전용의 프로세스 개발이 필 요한 시점에 와 있다.

62 제7장 고집적 패키지를 위한 마이크로 접속 및 범프 형성 기술 63 제7장 고집적 패키지를 위한 마이크로 접속 및 범프 형성 기술 6) 1. 서 론 SiP(System in Package)의 목적은 2가지로 설명할 수 있다. 첫째 디바이스 간의 배선 길이를 단축시킴으로써 교체잡음, 반사잡음, 누화, 신호열화 등을 경감시키고 고속화, 고기능 화, 고밀도화를 달성하는 것이며, 둘째 LSI(Large Scale Integration)의 대규모화에 따른 미세 가공비용(프로세스 비 용), 설계 개발비용, 개발기간 등의 과제를 해결하는 것이다. 이를 위해서, 디바이스 간의 인터페이스를 어떻게 구성하느 냐 하는 문제가 해결해야 할 과제로 제기되고 있다. SiP는 와 이어 본딩, 다이 본딩 등 기존의 인프라 기술을 활용하는 것 과 Si를 관통하는 구멍을 형성하는 새로운 기술 개발을 필요 로 하는 구성으로 구분할 수 있다. 6) 본문은 畑 田 賢 造, SiP 實 裝 を 支 えるマイクロ 接 續 とバンプ 形 成 技 術, 電 子 材 料, 44(1), 2005, pp. 45~49 를 장대석 전문연구위원께서 분석 요약한 것입니다.

63 64 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 현재 가장 많이 실용화 생산되고 있는 것은 기존의 인프라 기 술을 활용한 구성이다. 그러나 기존의 인프라 기술에서는 디 바이스 간의 배선 길이를 최소화시키는 일이 쉽지 않다. SiP의 본래 목적이라 할 수 있는 배선 길이의 단축은 칩 또는 웨이퍼 상에 미세한 관통공( 貫 通 孔 ) 또는 미세한 전극(CoC; Chip on Chip)을 설치해 실현할 수 있다. 이 경우, 마이크로 범프 및 마이크로 접합을 필요로 하는 구성 은 CoC 모듈과 관통하는 구멍을 뚫어서 할 수 있다. 특히 칩 상에 전극을 필요로 하는 CoC 모듈에서는 이와 같은 구성에 대한 요구가 크다. 이미 30μm의 핏치, 15μm 2 의 마이크로 범프는 양산되고 있으나, 미세화의 요구에 따라 4~6μm의 핏치, 1~4μm 2 의 마이크로 범 프와 접합이 실현될 예정이다. 본고에서는 마이크로 접속 기 술, 마이크로 범프 형성 기술, 실제 사례 등을 중심으로 SiP 고집적을 지원하는 접속 및 범프 형성 기술에 대하여 고찰한 다. 2. 마이크로 접속 기술 SiP에서 접합 방식은 FC(Flip Chip) 접합 기술이 기본 구성이 다. FC 접합에는 다양한 구성 방식이 제안 실용화되고 있다.

64 제7장 고집적 패키지를 위한 마이크로 접속 및 범프 형성 기술 65 이들의 구성은 기판 재료, 전극 재료, 모듈 구성 등에 따라 각 기 달리 분류된다. 그러나 SiP, 특히 CoC 모듈 등에서는 칩 에리어상에 미세한 범프가 형성되어 있으므로, 이를 접속하기 위한 새로운 접속 방식이 요구되며, 특히 저응력, 저온도 접합이 중요하다. 이와 같은 요구에 부응하여, 초음파 접합, 합금 접합, 압력 접합 등 의 접합 방식이 개발되었다. 메모리 칩 에리어상의 전극에 하중을 가해질 때, 하중이 일정 한 값 이상으로 되면 불량률이 현저히 증가하는 현상이 확인 되었다. 실제로 약 5g의 하중부터 불량률이 증가하는 경향이 있음을 확인하였다. 이러한 현상은 하중에 의해 구성 소자의 게이트 산화막이 파괴되고 있음을 의미한다. 이러한 현상은 LSI가 미 세화하여 0.1μm 이하로 되면, 더욱 뚜렷하게 나타났다. 접합 시의 온도는 칩 자체의 미세한 반응을 일으키고, 이것이 접합 경계면에서 응력을 갖게 되어 신뢰성을 저하시키는 경 우도 있다. 따라서 SiP에서 접합할 때, 저응력, 저온도 접합이 필요하고, 저융점 땜질에 의한 접합 방식이 필요하다. 이에 사용되는 재

65 66 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 료는 조성( 組 成 )에 따라 저온에서 고온까지 자유롭게 선택할 수 있으므로 In, Sn 계열을 중심으로 한 접합 재료가 실용적 으로 사용되고 있다. 3. 마이크로 범프 형성 기술 SiP의 범프 형성은 칩 에리어상에서 하게 되며, 미세한 수 백~수천 개의 전극으로 되어 있다. 칩 전극의 범프 형성 방 식은 전해 도금과 무전해 도금 방식이 있으나, 전극 선택성이 있는 무전해 도금 방식이 보다 유리하다. 무전해 도금 방식은 칩과 웨이퍼 상에 마스크 형성이 불필요 하며, 노출된 전극에만 선택적으로 범프, UBM(Under Barrier Metal) 등을 형성한다. 이 방식은 저렴한 가격 및 생산기간의 단축의 경제적 효과가 있다. 무전해 도금 방식의 프로세스는 웨이퍼의 표면 처리, Zn, Pd 처리, Ni치환 도금 처리, AU 치환, 환원 도금 처리 등을 거쳐 바스겟 단위로 웨이트 처리를 한다. 또한 Ni 범프 상에는 Au, Pd, Cu 등의 재료도 같은 무전해 도 금방식으로 형성된다. 그래서 범프 상에 형성하는 땜질 재료 의 선택 폭이 넓어진다.

66 제7장 고집적 패키지를 위한 마이크로 접속 및 범프 형성 기술 67 전해 도금 방식에서 범프 재료는 Ni 상에 땜질 재료를 형성할 필요가 있으며, 땜질 재료는 테이프 방식으로 쉽게, 얇게 범프 상에 형성된다. 테이프 방식에서 웨이퍼 또는 칩을 용융시킨 용기에 침적시켜 Ni 표면에 땜질층이 형성된다. Ni가 핵심 재료로 사용되므로 접합을 위한 땜질 재료는 Sn 계열, In 계열에서도 쉽게 부착, 형성된다. 테이프 방식에서 땜질 두께는 전극 사이즈가 작아지면, 이에 비례하여 얇게 형성되는 경향이 있다. 전자기기의 고속화, 고기능화, 고밀도화 추세에 따라 2~3μm 2 인 좁은 전극에서 범프를 형성해야 한다. 그래서 무전해 도금 방식에서 미세한 범프의 형성 기술을 개발해 1μm 2 인 전극의 열린 부분에도 쉽게 형성할 수 있게 되었다. 4. 실제 사례 SiP, 특히 CoC 모듈의 구성은 실용화 단계에 있는 MPU 모듈 로 이뤄진다. CoC 모듈은 칩끼리의 에리어전극을 접합시킨 것이며, 이 에리어전극은 15μm 2, 30μm 핏치, 300 전극으로 되어 있다. 칩 1개에 대해 여러 개의 칩을 탑재한 모듈도 이미 실용

67 68 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 화되었다. 이 모듈의 프로세스는 2가지 종류가 있다. 하나는 전사 빔 접 합 방식이며, 다른 하나는 저융점 땜질 접합 방식이다. 이들의 공통적인 프로세스는 양쪽 칩 전극에 무전해 도금방식으로 UBM을 형성한다는 점이다. 전사 범프 접합 방식에서는 ITO 기판상에 전해 도금 방식으 로 미세한 범프군을 형성하고, 이 범프군을 한쪽 칩 전극에 전사시켜 접합한다. 또한 플립 칩 본더(Flip Chip Bonder)로 접합할 때, 칩끼리 전극의 위치를 맞추고, UF(Under Fill) 수 지( 樹 脂 )를 칩 표면에 놓는다. 툴을 가열한 상태에서 칩끼리 압력을 인가 가열함에 따라 범프의 경도( 硬 度 ) 및 형상이 제 어된다. 접합할 때의 가열 및 가압에 따라 Au-Au로 접합되 고, 접합 온도는 150, 하중은 1범프당 5g이다. 저융점 땜질 접합 방식에서는 한쪽 칩의 UBM 상에 테이프 방식으로 저융점 땜질층을 형성한다. 접합 프로세스는 전사 범프 접합 방식과 같이, 양쪽 칩 전극의 위치를 모으고, 수지 를 놓고, 가열 및 가압에 따라 접합시킨다. 접합 온도는 90, 하중은 1범프당 약 2g이며, 이 방식에서도 접합 시에 수지의 가경화( 仮 硬 化 )가 발생한다. 이와 같이 완성한 모듈의 접합 신뢰성은 정상적이며, 현재 실

68 제7장 고집적 패키지를 위한 마이크로 접속 및 범프 형성 기술 69 용화 단계에 있다. 5. 결 론 SiP를 구성할 때, 칩과 관련 부품 간의 배선 길이를 최단 거리 로 배선하는 것이 매우 중요한 일이다. 그래서 마이크로 범프 형성, 마이크로 접합이 매우 중요한 기술로 주목을 받고 있다. 마이크로 범프 형성 기술에서는 1μm 2 인 전극 상에 마이크로 범프를 무전해 도금 방식으로 형성하는 기술이 개발되고, 피 라미드 모양의 범프도 개발되었다. 마이크로 접합 기술에서는 칩 에리어상의 전극을 접합하기 위 해 가능한 한 제로(Zero) 하중으로 가압하고, 가능한 한 상용온 도를 유지해야 한다. 그래서 Ni 범프상에 저융점 땜질 접합 방 식으로 형성하는 기술이 개발되어 현재 실용화 단계에 있다. SiP에서는 저렴한 가격, 고정확도의 접합이 요구되므로, 이를 만족시키기 위해 장치 기술과 검사 기술을 향상시킬 필요가 있다. 전문가 제언 각종 세트 제품의 고기능화 역사는 바로 SoC의 고기능화, 고

69 70 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 집적화 역사와도 같다. 그러나 세트 측 요구의 고도화에 SoC 가 따라가지 못하는 부분이 있어, 이를 해결하는 하나의 수단 으로 SiP 기술이 등장하게 되었다. 미국 ITRS 2003에서는 SiP의 정의에 대해 SiP는 반도체, 수 동부품, 상호 접속부품을 여러 가지로 조합해 하나의 패키지 에 집적한 것이다 라고 정의하였다. 또한 SiP와 SoC와의 관 계에 대해서는 SiP는 SoC를 보완하는 기술 또는 SiP는 SoC 에의 중계 기술이라고 하였다. 이미 양산단계에 있는 SoC를 다수 조합해 SiP화함으로써 세 트에 대해 소형화 및 저잡음화의 새로운 가치를 부가할 수 있 다. 이와 같이 SoC, SiP 중 어느 기술이라도 없으면 최고의 솔루션을 제공할 수 없게 된다. SiP는 SoC의 패키지뿐만 아 니라 시스템에 새로운 가치를 부가하는 솔루션이라는 측면에 서 주목을 받고 있다. SiP는 전자기기의 고속화, 고기능화, 고밀도화를 실현하고 있 으며, SiP고집적을 지원하는 접속 및 형성 등 프로세스 기술을 개발해 설계 개발비용, 개발기간 단축 측면에서 기여하고 있다. 앞으로 SiP 고집적 기술의 개발이 더욱 발전되기를 기대한다.

70 제8장 MEMS 기술을 이용한 밀리미터파 대역 패키징 기술 71 제8장 MEMS 기술을 이용한 밀리미터파 대역 패키징 기술 7) 1. 서 론 차세대 모바일 네트워크 기술로 고속이동 시 100Mbps, 준 정 지 시 1Gbps의 고속 대용량 전송기술과 저가( 低 價 )의 단말기 기술이 요구되고 있으며, 특히 저가의 단말기 기술을 실현하 는 수단으로 밀리미터파 대역 주파수 자원의 활용에 대한 기 대가 높아져 가고 있다. 기대되는 밀리미터파 대역의 활용은 광범한 민생용이지만, 현 재 일부 특정 용도로만 실용 상용화 되어 있다. 그 이유는 밀 리미터파 대역의 디바이스들이 저가, 소형, 저 소비전력 등 민 간 소비자의 요구를 아직 충분이 만족시키지 못하고 있기 때 문이다. 7) 본문은 寒 川 潮 等, MEMS 技 術 を 用 いたミリ 波 帶 パッケージ 技 術 -フィルタ 技 術 を 中 心 に-, 電 子 情 報 通 信 學 會 誌, 87(11), 2004, pp. 925~929 을 장대석 전문 연구위원께서 분석 요약한 것입니다.

71 72 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 과거의 밀리미터파 대역의 디바이스 개발은 저손실화를 실현 하기 위해 도파관 및 금속 캐리어 상에의 실장( 實 裝 )을 기초 로 한 입체회로가 주류를 이뤘다. 그러나 현재 마이크로파 대 역처럼 동일한 기판 상에 통합된 고주파회로, 즉 MCM(Multi Chip Module)화가 주류를 이루고 있다. 지금까지 발표된 논문에 따르면, MCM의 구조는 작은 기판 상에 각 소자를 실장한 것이 중심이 되고 SoC(System on Chip)에는 미치지 못하는 실정이다. 또한 실장부의 손실 등으 로 인하여 충분한 저 손실 특성을 실현하지 못하고 있는 실정 이다. 밀리미터파 대역의 경우, 증폭기, 믹서 등의 능동회로 소자뿐 만 아니라 필터, 방향성 결합기 등의 수동회로 소자를 SoC화 하는 것은 생산성, 가격성의 관점에서 좋은 방법이라 할 수 없다. 또한 MCM화 하는 것은 필연적으로 접속부의 증가를 초래하고, 여기서 발생하는 손실이 커지고 통신의 품질이 나 빠지는 원인이 되고 있다. 이와 같은 문제점을 해결하는 방법으로 하나의 패키지 속에 무선시스템을 실현하는 SoP(System on Package)의 개념을 도입하는 것이다. 패키지 속에 어떤 방법으로 저 손실 필터를 실현하고, 저 손실 필터와 다른 기능을 갖는 회로들을 실장 및 집적화 하는 것이 중요한 과제이다. 이 과제를 해결하는

72 제8장 MEMS 기술을 이용한 밀리미터파 대역 패키징 기술 73 것이 미세가공기술인 MEMS(Micro Electro Mechanical System)기술이며, 밀리미터파 대역 무선시스템의 실용화를 위한 솔루션이라 할 수 있다. 여기서 MEMS기술을 이용한 고주파필터, SoP에서의 필터기 술 등을 중심으로 MEMS기술을 이용한 밀리미터파 대역 패 키징 기술에 대하여 고찰한다. 2. MEMS기술을 이용한 고주파필터 1960년대부터 마이크로 머시닝(Micro Machining)기술이 개발 되어 실리콘 기판에서의 미세가공기술이 대표적이었으며, 센 서 등에 주로 응용되었다. 1980년부터 1990년까지 미세가공 및 전기적 기능을 융합한 MEMS기술이 주목을 받기 시작하 였다. 1987년에 MEMS기술은 고주파 분야에서 RF(Radio Frequency) MEMS기술이 안테나에 적용한 응용사례로 발표되었다. 당초 에는 유전체 손실 및 도체 손실을 감소시킬 목적으로 준 입체 구조를 갖는 분포정수 선로의 형성기술로 적용하였으며, 이를 이용하여 저 손실 필터, 차폐 구조를 갖는 MCM 패키지 기술 에 응용되었다. 최근에는 저 손실, 기계식 스위치 및 MEMS의 가공 메커니즘

73 74 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 을 응용한 RF스위치 및 가변용량 등의 회로소자, 이들을 조 합한 필터 및 이상기 등의 디바이스에 응용하는 추세이다. RF MEMS기술 분야는 캐리어 주파수의 고주파수화에 따라 단파장이 되고 회로의 가공 정확도를 필요로 하므로, 준 입체 선로 구조에 의한 저 손실 특성을 실현하기 위한 목적으로 개 발되고 있다. 이들은 실리콘을 이용한 미세 3차원 구조 형성 기술로 해결될 수 있다. 실리콘과 능동소자로 구성된 재료계와의 좋은 친화성, MEMS 프로세스의 양산성 등은 가격성의 측면에서도 효과적인 방법 이 되고 있다. 즉, 미세가공기술 관점에서도 RF MEMS 기술 은 밀리미터파 대역에서 SoP를 실현하는데 있어서 충분히 효 과적인 해결수단이라 할 수 있다. 선로 주위의 유전체를 제거함으로써 저손실화를 실현하고 다 양한 구조를 갖는 MEMS 필터에 관한 연구결과들이 발표되 었다. 공진기형 필터의 저 손실 특성은 높은 무부하 Q값을 갖 는 공진기의 진동현상을 이용한 것이다. 공진기의 동작원리에 따라 MEMS 필터를 분류하면, 전자계 적 공진기인 선로공진기, 저손실 LC 소자를 이용한 공진회로, SAW (Surface Acoustic Wave)필터, 벌크 압전체의 탄성 공 진모드를 이용한 FBAR(Film Balk Acoustic Resonator), 기

74 제8장 MEMS 기술을 이용한 밀리미터파 대역 패키징 기술 75 계식 필터 등이 보고되어 있다. 고주파 분야에 있어서도 미세 가공기술인 MEMS기술을 이용하고 있다. 그러나 LC 소자 및 압전체에 의한 공진기, 기계적 공진기 등 을 이용한 것들은 마이크로파 대역보다 낮은 주파수 대역에 서만 응용되고 있으며, 밀리미터파 대역 이상의 높은 주파수 대역에서는 분포정수 선로형 공진기를 이용한 것들이 보다 더 효과적이다. 분포정수 선로형 공진기 필터의 경우, 선로의 구조에 따라 MEMS 필터를 분류하면 차폐 구조를 갖는 MSL(Micro Strip Line) 및 CPW(Co -Planar Waveguide) 구조를 이용한 것 등 이 있으며, 이들은 주로 저손실화를 목적으로 개발되었다. 즉, 선로주위의 유전체를 제거함으로써 유전체 손실을 적게 하고, 선로 상에 흐르는 고주파 신호에 대한 실효 유전율을 감소시 킴으로써 선로 선단에서 발생하는 전류 집중현상을 완화시키 고 도체 손실의 영향을 감소시킬 수 있다. 3. SoP에서의 필터기술 밀리미터파 대역 SoP의 최종목표는 저손실화 및 소형화이다. 밀리미터파 대역에서는 선로공진기에 의한 필터를 적용하지 않 고, 밀리미터파 대역 IC (MMIC) 등의 능동소자보다 큰 영역을 점유함으로써 필터의 저손실화 및 소형 특성을 실현할 수 있다.

75 76 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 저손실화 MEMS 필터의 저손실화를 실현하는 방법은 다음 두 가지 방 법이 효과적이다. 하나는 필터 자신의 삽입손실을 감소시킴으 로써 선로 공진기의 저손실화, 즉, 저손실 선로를 실현할 수 있다. 다른 하나는 선로 변환부와 접속부분의 저손실화를 실 현하는 것이다. SoP에 필터를 구성하는 경우 저손실 선로에 선로 변환부를 삽입하고, 실장부품으로 필터를 취급하는 경우 접속부 회로에 도 이를 삽입할 필요가 있다. 저손실 특성을 나타내는 IMSL(Imbeded Micro Strip Line) 구조는 MEMS 가공기술에 의해 실현할 수 있다. 입체구조도 MEMS 가공기술을 이용함 으로써 쉽게 실현할 수 있다. 소형화 필터 기술에서 소형화 및 저손실화를 동시에 충족시키는 방법 으로, 감쇠극( 減 衰 極 )을 적극적으로 적용하는 방법이 있다. 감 쇠극의 생성은 공진기간의 결합구조에 따른다. 즉, 감쇠극을 갖는 평행 결합선로의 적용, 다수의 신호경로를 갖는 필터회 로의 적용 등으로 실현할 수 있다. 감쇠극을 노즈 필터로 사용함으로써 높은 Q값을 실현하지 않

76 제8장 MEMS 기술을 이용한 밀리미터파 대역 패키징 기술 77 고 적은 단계에서 필터를 구성할 수 있다. 통과대역의 저역측 이 이미지 주파수에 일치하도록 평행 결합선로 길이를 조절 함으로써 높은 감쇠량을 실현할 수 있다. DMR(Dual Mode Ring)은 전파파장으로 환산하여 1파장의 길 이를 갖는 환성( 環 狀 )의 공진기이며, 그 기하학적 대칭성으로 부터 두 개의 독립된 공진모드가 같은 공진주파수에서 축퇴 된다. DMR의 일부에 스터브(stub) 또는 DMR 자체를 타원모 양으로 변형시켜서 DMR의 기하학적 대칭성을 이용함으로써 축퇴된 모드를 풀 수 있다. 즉, 섭동을 인가( 印 加 )함으로써 소 형의 공진기인 DMR 단체( 單 体 )상에 두 개의 공진기를 결합 한 회로를 구성할 수 있다. DMR은 공진기에 대한 입출력 선로의 결합위치에 따라 감쇠 극을 갖게 할 수 있으며, 섭동에 대한 입출력선로의 결합위치 를 변화시킴으로써 필터의 통과대역을 일정하게 유지하면서 감쇠극의 위치를 이동시킬 수 있다. 따라서 감쇠량이 요구되는 스프리어스 주파수에 감쇠극을 일 치시켜 시스템에서 요구되는 전파특성을 실현할 수 있다. 실 리콘 기판을 이용한 DMR 필터에서 저역측의 감쇠극을 노즈 필터로 이용할 수 있으며 삽입손실의 감소현상을 통과대역의 광대역화에 의해 보충할 수 있다.

77 78 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 4. 결 론 여러 가지 사례를 들어가면서 소형, 저손실의 밀리미터파 대 역 SoP를 실현하기 위한 필터기술에서 MEMS기술의 유효성 을 고찰하였다. SoP는 시스템이 패키지 내에 응집된 집적회 로이다. 필터기술은 SoP를 구성하는 재료, 프로세스, 실장공법 등에 관한 지식, 분포정수 선로 및 선로변환 구조에 관한 고주파기 술의 기초적 지식 등을 필요로 한다. 고주파 기술자는 경우에 따라 프로세스 개발에 참가하기도 하 고 통신시스템 설계에 참가하기도 하며, 기술자의 역할이 크 게 주목되는 시대가 도래하고 있다. 전문가 제언 MEMS기술은 초소형, 고성능화를 충족시킬 수 있는 최첨단 미 세 가공기술이다. 반도체 제조공정 기술을 이용한 전자요소와 미세 기계요소를 접목한 시스템화 기술이며, 초소형 대상물 뿐 만 아니라 초소형 대상물을 만드는 가공기술을 포함한다. MEMS기술은 21세기를 주도할 첨단 핵심기술로써 미국, 유 럽, 일본 등 국가에서는 국가적인 차원에서 관련 기술개발을

78 제8장 MEMS 기술을 이용한 밀리미터파 대역 패키징 기술 79 위해 일찍이 대형 연구개발 프로젝트를 수행하는 등 기술 선 점을 위해 국가간 치열한 경쟁을 벌이고 있다. MEMS기술은 실리콘 압력센서를 이용한 자동차 엔진제어용 센서 등에 활용되면서 시작되었으며, 현재 실리콘 압력센서 업체를 중심으로 발전하여 많은 벤처기업이 파생되었다. MEMS기술의 응용분야는 자동차 시장을 비롯하여 정보통신 용 기기, 가전기기, 광통신기기 등 다양하다. 최근 광학부품 기술과 MEMS기술을 접목한 MOEMS, 통신부품 기술과 MEMS기술을 접목한 RF MEMS, 의료 및 생체응용을 위한 Bio MEMS 등으로 세분화되어 연구가 진행되고 있다. MEMS기술을 고주파 대역에서 응용함으로써 광대역화, 저손 실화, 고기능화 등을 실현할 수 있는 RF MEMS 기술의 연구 가 활발하다. RF MEMS기술을 패키징에 응용하려는 연구개 발도 본격화 된지 오래이며, 앞으로 머지않아 RF MEMS의 완전한 실용화가 실현될 것으로 기대된다.

79 제9장 MEMS를 이용한 새로운 고주파기술 81 제9장 MEMS를 이용한 새로운 고주파기술 8) 1. 서 론 MEMS(Micro Electro Mechanical System)기술 또는 마이크 로 머시닝 기술은 최근 센서, 광 디바이스를 비롯한 많은 분 야에서 응용되어 빠르게 발전되고 있다. 마이크로파 대역에 있어서도 각종 응용기술에 관한 연구개발이 진행되고 있다. 기본 기술은 반도체 프로세스 기술이며, 특히 이방성 에칭, 막 형 형성, 금속도금 기술 등이 많이 이용되고 있다. RF(Radio Frequency) MEMS는 좁은 의미에서 기계적 가변부분을 갖 고 있어 스위치 등을 포함한 디바이스 또는 시스템에 응용된 다. 그러나 여기서는 RF MEMS 개요, RF MEMS의 응용성, RF MEMS의 전망 등을 중심으로 반도체 프로세스 기술을 이용한 고주파기술 응용에 관하여 고찰한다. 8) 본문은 水 野 皓 司, MEMSが 開 く 新 しい 高 周 波 技 術, 電 子 情 報 通 信 學 會 誌, 87(11), 2004, pp. 919~924 를 장대석 전문연구위원께서 분석 요약한 것입니다.

80 82 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 2. RF MEMS 개요 90MHz 대역의 이미징 어레이는 RF MEMS의 최초의 사례로 꼽 힌다. 개개의 혼 안테나는 Si의 이방성 에칭을 이용해 제작하 며, 3차원 구조로된 미소 어레이는 반도체기술을 이용해 간단 히 대량 생산할 수 있는 특징을 갖고 있다. 검출 소자가 혼 구조 속에 형성된 박막 상에 설치되고, 각 혼 간의 공간에 프리앰프가 실장되어 있다. 이 어레이의 결점은 혼의 개구각(70.6도)이 결정( 結 晶 )의 방향에 따라 임의적으로 결정된다는 것이다. 마이크로 머시닝 기술을 릿츠선에 응용함으로써 평면회로에 응용하는 사례가 있다. 평면형 유전체 공진기의 상부 도체부 는 많은 평면 나선상 도체로 되어있다. 개개의 나선 선폭, 간 격 등은 표피 깊이보다 작으며, 전류분포의 편중 현상을 방지 할 수 있으며, 손실 특성을 감소시킬 수 있다. RF MEMS 스위치의 경우, 전체의 회수는 수백 μm각( 角 )이며, 광대역에 걸쳐 삽입손실이 적고(0.1dB이하), 아이솔레이션이 높다. 실용화를 위해 해결해야 할 과제로는 핸드폰 등의 회로 에 도입할 때 그 영향이 큰 점이다. 종래의 반도체 디바이스의 고속 비선형성을 이용한 스위치의

81 제9장 MEMS를 이용한 새로운 고주파기술 83 경우, 신호가 여분의 주파수 성분으로 변환되고, 그 만큼 손실 이 증가하게 된다. 그러나 RF MEMS 스위치의 경우에는 기 계적으로 거의 완전하게 개폐작용이 이뤄지므로 비선형에 의 한 손실이 발생하지 않는다. RF MEMS에서는 이 스위치 또는 MEMS 기술에서 사용되는 마이크로 능동소자를 이용함으로써 회로의 고기능화, 조정, 재구축(reconfigur able) 등이 가능하다. 또한 신호처리에 이 용되는 C-MOS 프로세스 디바이스와의 공존이 용이하며, MEMS 기술의 3차원 구조와 Si회로를 조합함으로써 SoC (System on Chip)구축이 가능하다. MEMS기술을 고주파 대역에 응용함으로써 고주파화 및 광대 역화, 저손실화, 고기능화 등의 효과를 기대할 수 있다. 이와 같은 효과가 기대되므로 현재 RF MEMS를 응용하려는 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 3. RF MEMS의 응용성 고주파화 및 광대역화 MEMS 기술은 고주파 소자정수보다 고주파화에 보다 깊은 관련이 있다. 회로소자가 파장의 약 10%보다 작으면 집중정 수 소자로 취급되지만, MEMS 기술로 제작된 미소 인덕터 또

82 84 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 는 커패시터를 사용하면 회로의 길이에 따른 주파수 제한을 피할 수 있으므로 회로의 고주파화 및 광대역화를 실현할 수 있다. 트랜지스터, 다이오드의 미세화에 의한 고주파화에 있어서 실 리콘 트랜지스터의 동작 주파수가 ft=120ghz, fmax=185ghz 등 의 밀리파 대역까지 확대될 수 있다. 또한 마이크로파, 밀리파 대역까지 사용되고 있는 숏키 다이오드를 미세화함으로써 THz 대역까지 확대할 수 있다. THz 대역에서 상온 고속 동작이 가능한 검출기는 숏키 다이오 드가 유일한 것이지만, 앞으로 MEMS 기술을 이용해 평면형 검출기를 개발할 것으로 기대된다. 분포정수 선로로 이뤄지는 디바이스의 미세화에 있어서도 고 주파화와 깊은 관련이 있어, 반도체 미세 가공기술을 이용한 압전박막 공진기(FBAR : Film Bulk Acoustic Resonator) 필 터는 SAW 필터보다 더 높은 고주파수에서 동작하는 필터로 서 핸드폰에 탑재하게 되었다. MEMS 기술을 이용해 제작된 도파관은 실리콘의 이방성 에 칭, 유기 레진 SU8 등을 이용해 제작되었다. SU8은 감광성 레진으로, 이것을 이용하면 도파관용 가변 단락기를 제작할 수 있다. 이방성 에칭기술을 이용하면 도파관 선단( 先 端 )에

83 제9장 MEMS를 이용한 새로운 고주파기술 85 혼 안테나 구조를 제작할 수 있으며, 박막기술을 함께 이용하 면 도파관 속에 각종 디바이스를 실장할 수 있다. 광대역성 테이퍼 슬롯 안테나는 유전체 기판 상에 금속박막의 테이퍼 슬롯을 설치해 제작된 것이다. 안테나의 지향성은 기 판 주위에서 테이퍼의 모양에 따라 크게 변환한다. 이것을 설 계한 대로 제작하기 위해서는 MEMS기술은 필수불가결한 기 술이다. 저 손실화 고주파회로의 손실은 유전체손, 도체손, 방사손 등으로 분류할 수 있다. 유전체손을 감소시키는 방법으로 유전체 부분을 물 리적으로 얇게 한 유전체 박막선로로 구성된 것, 실리콘의 마 이크로 머시닝을 이용해 제작한 공진기(입체구조) 등이 있다. 도체손을 감소시키는 방법으로 표피효과에 의한 손실의 증가 현상을 방지하기 위해 마이크로 머시닝 기술을 이용한 연구 개발 결과가 발표되었다. 회로손실을 감소할 목적으로 MEMS 스위치를 개발하고 있는 사례도 발표되었다. 핸드폰에서 저전력화 및 각종 부품의 손실감소 대책 등이 필 요하므로 MEMS 스위치를 적용함으로써 이를 실현하려고 한 다. 고주파 전압을 인가하면 그 영향으로 오동작 현상이 발생

84 86 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)기술 한다. 지금까지 이에 대한 대책으로 동작전압을 상승시킴으로 써 대처하여 왔다. 미국에서는 현재 RF MEMS에 관한 프로젝트인 DARPA 프 로젝트 를 통하여 스위치의 성능, 수명, 소요전력, 삽입손실 특성 등을 개선시키고 있다. 고기능화, 재구축 가능성 및 실장기술 MEMS 기술의 큰 특징은 스위치 등을 이용해 가동부 및 가 변부를 도입할 수 있다는 것이며, 이 특징을 이용해 다양한 기능을 실현할 수 있다. 지향성을 변화시킬 수 있는 안테나에 서는 실제로 X밴드에서 실험할 수 있다. 또한 기판 상에 작성 된 2개의 모노폴 안테나를 MEMS 스위치로 개폐하고, 모노 폴과 다이폴을 서로 교체할 수 있다. 현재 가장 주목을 받고 있는 RF MEMS의 응용사례로 필터를 들 수 있다. 앞으로 무선통신은 다양한 주파수 대역을 사용할 것으로 예상되므로 이를 위해서 핸드폰용 주파수 가변 필터 를 개발하고 있다. 현재 개발 중인 것을 두 가지로 나눠 볼 수 있다. 하나는 MEMS 스위치를 이용해 필터의 소자(커패시터, 인덕터 등)를 교체하는 것, 다른 하나는 용량 가변용 커패시터를 사용하는

85 제9장 MEMS를 이용한 새로운 고주파기술 87 것이다. 이들은 모두 필터의 중심 주파수 또는 대역을 조정할 목적으로 이용되고 있다. MEMS 기술과 실장기술의 관계도 당초부터 연구개발의 중심 과제로 삼아왔다. MEMS 실장기술의 측면에서 두 가지를 고 려할 수 있다. 하나는 MEMS 기술을 고주파 회로의 실장에 이용하는 것이고, 다른 하나는 MEMS 소자 자체를 실장하기 위한 기술이다. 개개의 소자들을 제어하기 위한 회로를 일체화한 것이 본래 의미의 MEMS이다. 특히 RF MEMS의 경우, MMIC 또는 MIC 등의 좁은 의미에서의 마이크로파 회로와 마이크로 머 시닝 기술로 제작된 안테나, 필터 등의 입체적 구조를 구성하 는 것이 해결해야 할 과제이다. 도파관 회로에 디바이스를 실장하는 기술로 센서 및 광 MEMS 기술에 의한 다양한 재료들이 개발되고 있다. 이 재료 들을 RF MEMS 실장에 응용하는 기술을 적극적으로 개발할 필요가 있다. MEMS 소자 자체, 특히 스위치 등의 가동부를 도입할 때 청 결한 실내 환경(먼지가 적은 환경)에서 일괄 실장하는 방법을 강구할 필요가 있다.