[e테크]마이크로머신 기술-내몸안으로 로봇의사가 찾아온다

마이크로머신 기술은 0.5∼1미크론(1미크론은 100만분의 1m) 크기의 초소형 3차원 구조물과 기계적 부품을 만드는 기술이다. 반도체 제조공정에 적용되는 경우도 있다. 마이크로머신은 실리콘을 소재로 가장 많이 사용하고 있으나 가격이 낮은 유리나 플라스틱 같은 재료의 사용도 검토되고 있다. 유기적 조직체와 같이 원자로 구성되는 장치나 시스템을 생산하는 데 적용하는 나노기술도 고려의 대상이다.

　현재의 마이크로머신은 2차원 리소그래피를 이용해 그 구조를 형성하기 때문에 일부 전문가들은 그것을 유사 3차원 기술로 보고 있다. 기존 공작기계와 마찬가지로 마이크로머신 기술도 아직은 진정한 의미의 3차원 기술로 보기 어렵다.

　실리콘은 박막 같은 단순구조는 물론 기어·모터처럼 복잡한 형태를 가진 구조물을 생산하기 위해 등방성과 이방성 식각 같은 다양한 기술을 이용해 여러가지 형태의 제품을 만들 수 있기 때문에 마이크로머신 업체들이 재료로서 선호하고 있다. 실리콘은 또한 집적회로(IC)업체들이 이미 그 유용성을 입증했다.

　마이크로머신 기술은 센서, 잉크젯프린터 헤드, 하드디스크드라이브 부품 등 여러 분야에 적용되고 있다. 마이크로머신은 주로 실리콘을 소재로 하고 반도체 생산기술을 원용해 생산한다. 우선 여기에는 실리콘 웨이퍼의 표면에 기하학적 패턴을 식각하는 리소그래피 기술이 사용된다. 포토리소그래피는 보통 컴퓨터를 이용해 패턴을 디자인한 다음 이를 사진기술로 축소·조정하고 여기에 전자 및 이온광선을 쏘아 웨이퍼 표면에 미세한 패턴을 식각하는 과정으로 이루어진다. 패턴의 선폭이 1미크론 정도 되는 마이크로머신을 생산하는 데는 파장 0.4미크론의 광선을 사용한다. 현재 반도체업계에서는 회로선폭이 0.3미크론 되는 메모리칩을 생산하고 있는데 이보다 더 작은 마이크로머신을 생산하려면 X선이나 이온·전자를 이용하는 리소그래피 기술이 필요하다.

　마이크로머신 분야에서 가장 상용화된 기술은 실리콘 벌크(덩어리)에 수산화칼륨과 같은 식각 촉매제를 사용해 등방성 또는 이방성 화학적 습식 식각을 하는 방식이다. 이 가운데 이방성 식각이 많이 사용된다. 그러나 이방성 식각은 식각된 홈의 깊이를 조정하기 어렵다. 박막을 식각하기 위해서는 요구되는 깊이에서 식각을 멈추어야 하는데 그 깊이를 조정하는 데는 다음의 방법이 있을 수 있다.

　△식각속도를 바탕으로 식각시간을 산정한다. 이 경우 정확도는 ± 20미크론이다 △불순약물을 적용한 부분에 도달하면 자동적으로 식각을 멈추게 한다. 이 경우 정확도는 ±3미크론이다 △전자화학 기술을 사용해 편향된 p-n 결합점까지 식각하게 한다. 이 경우 정확도는 ±1미크론이다.

　또 표면 마이크로머신 생산기술이 사용되는데 이는 방식(防蝕) 박막에 미세 구조물의 패턴을 선별적으로 식각하는 방식이다. 이것은 박막을 증착시켜 식각하는 것으로 증착기술의 한계로 인해 이 기술은 주로 두께가 몇 미크론 되는 마이크로머신 제조에 사용된다.

　표면 마이크로머신 개발자들은 이것이 실리콘 벌크에 식각하는 마이크로머신보다 상당히 많은 장점을 갖고 있다고 주장한다. 가령 표면 마이크로머신은 IC생산과정과 호환성이 있고 전자와의 통합을 가능하게 한다. 이것은 전자소음을 감소시키기 때문에 비용을 줄이는 데 영향을 미친다.

　그러나 표면 마이크로머신 생산과 IC 생산의 호환성이 절대적이 아니라는 것이 문제점이다. 제품에 따라 폴리실리콘 기반 마이크로머신은 섭씨 약 900도 되는 고열처리를 해야 하는데 IC생산 후 열처리를 하면 접착부위에 있는 알루미늄이 녹을 것이고 반대로 IC 생산과정 이전에 열처리를 하면 실리콘 표면을 뒤틀리게 만들 우려가 있다.

　넓이가 각각 1미크론이고 높이가 수백 미크론 되는 미세 구조물을 생산하는 데 가장 적합한 기술은 아마도 리소그래피, 유전기형성, 탈형성(LIGA) 기술일 것이다. 이것은 독일 칼스루헤 핵연구센터가 개발한 것으로 기본적으로 싱크로트론 방출, 전자형성 및 플라스틱 몰딩 등 3단계 심층 식각 리소그래피 기술이다. 여기에 사용될 수 있는 재료는 플라스틱·금속·세라믹 등이다. LIGA기술의 주요 강점은 다양한 소재를 사용해 3차원 구조의 마이크로머신을 생산할 수 있다는 것이다. 이 기술은 적어도 연간 10만개 이상의 대량생산에 적합하지만 X선을 방출하는 적절한 자원이 부족한 것이 단점이다.

　이밖에 마이크로머신 생산에는 미세 주형(몰드) 처리기술, 레이저, 광학, 웨이퍼접착, 스퍼터링 또는 적층, 화학증착, 반응적 이온 에칭 등 다양한 기술이 사용된다.

　마이크로머신은 실리콘 이외에 다른 소재를 사용해 제조할 수도 있다. 사실 마이크로머신은 리소그래피로 식각할 수 있는 재료면 무엇이든지 사용할 수 있다. 유리나 세라믹 같은 실리콘이외의 재료를 사용하는 이유는 가격이 낮고 면적이 넓기 때문이다. 이밖에 재료로 사용되는 물질은 수정, 갈륨비소, 형상기억합금 등이다.

　마이크로머신 기술이 발전함에 따라 업체마다 다른 생산기술을 적용하고 있다. 가령 독일 지멘스와 미국 아날로그디바이시스는 상보성금속산화막반도체(CMOS IC) 생산방식을 적용하고 있는 반면 독일 보슈는 주문형반도체(ASIC)칩을 추가하기에 적합한 구조를 가진 마이크로머신을 생산하고 있다.

　마이크로머신이나 마이크로 구조물을 개발하는 데 가장 어려운 문제는 이들을 능동적으로 작동할 수 있게 하는 것이다. 현재까지 개발된 거의 모든 마이크로 구조물들은 수동적으로 작동한다. 가장 좋은 예가 센서다. 이는 마이크로 구조물의 규격이 너무 작아 동력을 발생시키는 데 한계가 있기 때문이다. 마이크로머신의 동력장치에는 주로 정전기, 자력, 압전기, 열, 전기변형 등이 사용된다.

　마이크로머신 기술은 센서, 실리콘 마이크, 전계방출 디스플레이, 잉크젯프린터, 마이크로 릴레이, 광자기 저장장치, 데이터 검침, 생산제어, 마이크로 필터, 투약시스템, DNA칩, 칩위의 연구실, 광통신, 전자부품 등 광범위한 분야에 응용할 수 있다.

　마이크로머신 기술에 영향을 미칠 수 있는 관련 기술과 분야는 패키징, 무선 네트워킹, 마이크로 구조물과 전자의 결합, 새로운 생산 및 소재 기술, 미디어 호환성, 나노기술, 파운드리 서비스 등이다. 마이크로머신 기술을 이용한 부품과 시스템 시장은 센서와 비센서 분야로 나눌 수 있는데 센서가 주류를 이루고 있다. 그러나 앞으로는 가속도계, 자기저장장치와 잉크젯프린터 부품 시장이 성장할 것으로 예상된다. 2000년 말 현재 마이크로머신 기술을 채택한 하드디스크드라이브 부품시장은 10억달러에 이른 것으로 추산된다.

　

◆기술의 중요성

업체들은 마이크로머신 기능을 향상시키면서 제품을 작고 가볍게 하는 동시에 가격을 낮추는 데 힘을 기울이고 있다. 마이크로머신 기술은 부품이나 제품 크기를 수십 또는 수백 미크론으로 축소시키고 때로는 0.5미크론으로 줄일 수 있게 해준다.

　기본적으로 개발자들은 마이크로머신의 단순한 3차원 공동(空洞)이나 박막을 제조하기 위해 전자산업부문에서 2차원의 집적회로 생산에 사용하는 리소그래피 기술을 차용했다. 마이크로 센서는 기존 센서보다 작을 뿐 아니라 더 신속하고 정확하게 반응한다. 더구나 이의 양산비용은 높지 않다. 리소그래피 기술을 더욱 발전시키고 새로운 마이크로머신 기술을 개발함으로써 성능이 우수한 마이크

로 기계 부품의 생산이 가능하게 됐다.

　현재 마이크로머신 기술의 가장 큰 시장은 센서부문이다. 잉크젯프린터 헤드, 하드디스크드라이브, 원자 현미경 등에도 많이 사용된다. 또한 마이크로머신 기술은 DAN칩의 유동 채널을 생산하는 데도 사용된다. 이와 함께 마이크로머신 기술은 광통신, 특히 광스위치 개발에 영향을 미치기 시작했다. 미래에는 마이크로머신 기술을 의약품 투약 시스템이나 생체의약 장치에 사용하게 될 것이다. 특히 미세한 기계적 부품은 매우 좁은 공간, 예를 들어 인체내에서 사용할 수 있는 마이크로 로봇 등에 사용될 것이다. 이밖에 이 기술을 응용할 수 있는 분야는 화학약품 생산시설이나 원자력발전소의 튜브를 자동적으로 조사하고 보수하는 일이다.

　결론적으로 마이크로머신기술은 정보통신, 자동차, 보건을 비롯한 거의 모든 분야에 활용될 것이다. 또 비교적 가격이 낮은 마이크로 센서는 가전제품, 장난감 및 가정보건제품 등에 널리 사용될 것이다. 앞으로 마이크로센서와 마이크로머신은 원거리 조종과 인터넷 접속이 가능해져 산업센서의 원격조종이나 가정보건기기의 병원과의 연결, 생의약 실험장비의 원격조종 등을 가능하게 해줄 것이다.