손가락 크기의 초소형 공작기계

[김동석]

손가락 크기의 초소형 공작기계

◉ 도쿄대학의 佃村洋太郞교수와 中尾政之助교수 등은, 엄지손가락 크기의 초소형 공작기계를 시험 제작했다. 공기압으로 회전하는 미세한 공구를 짜 넣은 프라이스반으로, 엔지니어링 플라스틱 등을 절삭 가공할 수 있다. 대형 공작기계로는 만들기 어려운 1mm 정도의 마이크로 머쉰(미소기계) 부품을 효율적으로 가공할 수 있다. 시험제작된 프라이스반 본체는 크기가 가로 세로 2.6cm, 높이 6.7cm이다. 가공대 위에 재료를 놓고 그 위에서 공구를 근접시킨다.

◉ 공기압으로 움직이는 소형 터빈(원동기)을 새로 개발, 다이아몬드 등의 초경 절삭공구를 최고 매분 약 13만번 회전하여 절삭가공한다. 공구의 끝부분은 수평 방향으로 1mm, 수직 방향으로 0.4mm의 범위로 움직여, 80nm의 정밀도로 위치를 맞춘다. 신형 터빈의 채용으로 진동의 발생을 억제, 가공대가 되는 박판에 0.1마이크론의 정밀도로 엇갈림을 검출할 수 있는 센서를 붙여, 미세 가공시의 위치 조정에 영향을 미치지 않도록 궁리했다. 실험에서는 엔지니어링 플라스틱을 가공해, 길이가 약 0.5mm, 폭 120마이크론, 깊이가 120마이크론인 홈을 팠다. 앞으로는 공구를 대체하거나 가공한 재료를 들어낼 수 있도록 할 계획이다.

◉ 마이크로 머쉰 부품의 제조에는 반도체의 미세가공 기술을 사용하는 방법이 있으나, 그것만으로는 입체 구조를 만드는 것이 어렵다. 공작기계로 가공을 할 때에는 큰 공작기계보다도 초소형 공작기계를 여러 대 구사하는 쪽이 정밀도가 양호하다. 장래에는 여러 대의 초소형 공작기계를 모아, 스페이스 절약의 마이크로 머쉰 부품제조 공장을 만들 생각이라고 한다.

극소형 로봇 'nano-bot'을 적용하는 자동차 산업

◉ 자동차업계는 나노기술의 세계에 매우 희망을 걸고 있다. 나노기술은 사람의 혈류를 조절할 수 있을 정도로 극소형 기계를 만들 수 있게 해주며, 이러한 기술을 이용할 경우 자동차사는 지금까지 경험하지 못한 획기적인 변화를 경험할 수 있다. 미국에 있는 미스비시 전기자동차 대표들은 최근에 디트로이트의 GM공장을 방문하면서 'nano-bot'를 가지고 갔다. 이 nano-bot은 원래 원자력 발전소 파이프라인에 있는 크랙을 감지하기 위해서 개발된 것으로 크기가 1인치보다 작은 초소형 로봇이다. nano-bot은 기능이 완벽한 비디오 카메라를 소지할 수 있어서 자동차 제작 및 품질보증에 매우 유용하게 사용될 수 있다.

◉ 이러한 나노기술을 집중육성하기 위해서 미국 워싱턴 대학은 공학을 포함한 4개 분야를 한곳으로 모아서 나노기술센터를 설립한 바 있고, 클린턴 대통령도 나노기술은 굉장한 사업이라고 생각하고 최근에 4억 9천7백만 달러에 이르는 새로운 국가적인 나노기술 선도사업을 발표한 바 있다. 클린턴 대통령은 "원자나 분자를 개별적으로 다룰 수 있는 나노기술은 트렌지스터나 인터넷이 정보사회를 가져온 것과 같이 21세기에 새로운 혁명을 일으킬 것이다. 나노기술에 투자를 확대하면 국회도서관의 자료를 각설탕크기의 장치에 저장할 수 있는 분자컴퓨터나 무게는 적으면서 강도는 철보다 10배나 큰 신소재와 같은 획기적인 발전을 가져올 것"이라고 말했다.

◉ 나노기술을 이용한 nano-bot은 아직까지 너무 비싸기는 하지만 현재는 미스비시 외에 nano-bot를 만들 수 있는 자동차회사는 없다고 강조한다. 그러나 인공수정체는 가격이 비싸지 않다. 지름이 겨우 수 밀리미터에 불과한 극소형 눈은 운전자의 얼굴을 보고 특별한 특징을 인식한다. 예컨데 운전자의 안구를 보고 눈이 깜빡이는 횟수를 세서 정해진 횟수를 초과하면 경고시스템을 작동시키거나 음성으로 경고를 준다. 또한 이 기술은 사람이 앉아 있는 위치를 알 수 있으며, 어린인지, 어른인지 또는 물건인지를 구분할 수 있다. nano-bot와 달리 인공안구는 비용이 저렴해서 자동차가격에 영향을 주지 않고도 이 기술을 표준사양으로 채택할 수 있을 것으로 보인다.

마이크로머쉰 

◉ 마이크로 머쉰이란 아주 작은 미소기계를 말한다. 크기는 수 mm에서 수 nm까지에 이르는 폭이다. 수 cm 크기라 해도 마이크로 머쉰이라고 불리는 경우도 있다. 마이크로 머쉰의 아이디어가 제창된 초기에는, 혈관 내를 돌아다니면서 환부를 치료할 수 있는 기계에 대한 구상도 있었다. 이 미소 기계는 마치 SF(공상과학) 소설에 등장하는 것처럼, 반도체의 미세 가공기술에 응용하거나 단백질을 조합시켜 가동 부품을 만드는 연구 등에 의해 여러 가지 가능성에 대한 이미지를 사람들에게 심어주었다.

◉ 그러나 최근에는 마이크로 기계의 실현이 아니라, 마이크로 머쉰이라 이름붙인 연구에서 배양된 기술을 현실 수요에 맞도록, 응용을 모색하는 움직임이 왕성해졌다. 미세 구조의 제조기술을 기존 기계를 소형화하는 데 응용하고 있다. 미소한 기계란 [상징]에 지나지 않게 된 일면도 있다.

◉ <해 설> ◉ 기존의 기계를 단순히 축소한다면 마이크로 머쉰이 되리라는 생각은 이제 과거의 것이 되었다. 고도의 반도체 기술을 구사함으로써 미소한 모터나 기어, 감속기, 차바퀴 등을 만드는 대신에, 도시바는 공기압과 고무를 이용해 새로운 이동기구를 개발했다.

◉ 원자력 발전소 등의 메인터넌스에 필요한 기술을 광범위하게 축적할 목적으로 개발에 착수하였다고는 하나, 응용범위는 원자력 발전에만 그치지 않는다. 가는 관이나 좁은 틈사이에 들어가는 상황을 상정한다면 기존의 기계가 갖는 이미지에서 멀어질 필요가 있어, 그것이 모터의 회전을 추진력으로 변환한다고 하는 이동기구 자체의 개정으로 이어졌다. 지면과 접하는 부분이 변형을 되풀이 해, 그 파도를 추진력으로 하는 방식에 의해, 대폭적인 박형화가 가능하게 되었다. 발상의 전환이 성공한 예라 할 수 있다. 새로운 기구는 얇은 시트 상태인 채로 구동력을 갖는점으로 인해, 앞으로 마이크로 머쉰에 용도가 한정되지 않고 범용성을 획득해 갈 잠재 능력을 비장하고 있다.

◉ 연구 그룹은 이와 같은 시트상의 기구를 물건에 붙이는 것만으로, 즉시 [엔진]으로 사용할 수 있는 기능이 "매우 매력적"이라고 지적한다. 모터나 차바퀴를 사용하는 복잡한 시스템에 비해 손쉽게 이용할 수 있기 때문이다. 더욱이 구동부에는 금속부품을 전혀 사용하지 않는 점도 특징으로, 용도 확대의 한가지 요인이 된다.

◉ 도시바의 성과 이외에도 표면에 파도를 일으켜 움직이는 이동 기구의 연구는 활발해지고 있다. 예를 들면 비선형 광학 재료에 전압을 가해 파도를 일으켜 사용하는 아이디어도 제안되고 있어, 역시 소형 박형화의 가능성으로 장래가 유망시 되고 있다. 다만 이러한 성과는 실제로 배관검사 등에 사용하는 시스템으로 까지 이르려면 아직은 상당한 궁리가 요구된다. 예를 들면 에너지 보급 등을 생각한다면 이동범위가 한정되어 실용화에로의 장벽은 높다.

◉ 마이크로 머쉰의 용도라고 하면, 역시 좁은 장소를 검사하는 기능을 예로 들수 있다. 도시바도 "가스 회사가 배관검사에 사용하고 싶어 관심을 갖는 것은 아닐까"라고 한다. 이러한 용도에 구애받지 않으면서 용도 개척에 착수해 나가는 것도 커다란 과제라 할 것이다.

초소형 화학실험장치

=◉ 초소형 화학실험장치란 화학적 분석이나 반응에 필요한 기기를 실리콘이나 유리기판상에 집적시킨 아주 작은 실험 장치이다. [마이크로 종합분석시스템]이라고도 불린다. 수 cm각의 기판위에 100㎛ 정도의 굵기와 크기를 가진 관이나 반응조, 반응으로 형성된 물질을 분리 분석하는 장치, 배출장치 등을 설치한 것이다. 반도체 등의 초미세가공기술이 진전됨에 따라 구-미에서는 유전자 해석이나 신약의 탐색, 환경관측 등에의 응용이 모색되고 있다. 집적하는 부품은 분석 목적에 따라 달라지지만 관이나 반응조, 미소한 크기의 밸브 등 비교적 구조가 간단한 것을 이용한 기초적인 실험이 활발하다. 실용적인 분리 분석장치 등의 개발이 시작되는 것은 이제부터이다. 또한 모든 실험기기를 하나의 기판위에 집적하는 것이 아니라, 종래 화학분석장치의 일부 기능만을 1칩화하여 기존의 장치를 대폭 소형화하는 식의 접근방식도 나오고 있다.

◉ < 해 설 > ◉ 실리콘 기판 위에 미소한 관이나 반응용기, 분석센서를 집적시킨 1칩형의 화학실험 분석장치는 극미량밖에 얻을 수 없는 시료에 대해서도 몇 가지 반응을 조사할 수 있기 때문에 어려운 분석을 할 수 있다든지 실험을 효율적으로 할 수 있다. 크기가 생물의 세포와 거의 같은 용기를 사용하여 세포내에서 일어나고 있는 생체반응을 그대로 재현하려는 아이디어도 나오고 있다.

◉ 유전자 해석이나 새로운 의약품이 될 신규물질의 탐색 등에서는 다수의 시료를 동시에 합성, 분석할 필요성이 있어 따라서 소형으로 된 1칩 장치의 수요는 높다. 분석하는 장치가 작으며 또한 1칩화된다면 복잡한 공정을 필요로 하는 실험일지라도 손쉽게 할 수 있을 것으로 기대된다. 실험에 사용하는 시료를 줄일 수 있으며 작은 용기내에 넣어 검사할 수 있다면 그만큼 시료의 밀도가 높아 측정의 정밀도도 향상될 것이다. 귀중한 물질이나 위험한 물질의 시험도 간소화할 수 있다. ◉ 구성요소가 되는 밸브나 미소펌프, 관, 분석장치 등을 시험제작하려는 움직임이 세계적으로 활발해지고 있으며 미국에서는 벤처기업을 중심으로 미량의 서로 다른 유전자를 동시에 반응, 해석할 수 있는 칩이 개발되고 있다. 유럽에서는 환경중에 방출된 극미량의 유해물질을 그 자리에서 분석하기 위해 가지고 다니는 것이 가능하며 고도의 분석을 할 수 있는 초소형 실험장치의 개발이 진행되고 있다.

◉ 소형이면서 경량이라는 이점에 더해, 신경세포나 세포내의 특수한 효소와 같이 미소한 공간에 가두어 넣어 반응시킴으로서 처음으로 가능하게 된 실험도 있다. 생체조직이 분비하는 소량의 물질을 순간적으로 고농도의 상태로 측정할 수 있는 것도 좋은 예이다. 통상의 플라스크나 시험관으로는 행할 수 없는, 몇 가지 시료를 몇 개분자 단위로 혼합해 반응을 관찰하는 것과 같은 새로운 실험에의 기대도 있다.

◉ 본격적인 장치의 개발에는 기판상에 관이나 반응조를 제작하는 고도의 미세가공기술에 더해, 액체의 유량제어, 교반이나 분리를 위한 초소형 장치가 필요하다. 화학이나 생물분야의 전문가에도 이러한 초소형 화학실험장치의 중요성에 대한 인식이 확산되고 있어 앞으로는 마이크로머쉰 분야의 전문가와의 연대로 구체적인 장치 만들기가 진행될 것 같다. 해외에서의 개발이 가속화되고 있는 상황에 대응해 일본에서도 국가 프로젝트로서 연구개발에 착수하려는 움직임이 나오고 있다.

원자력발전소 냉각 세관검사용 초소형 로봇

◉ 가는 투명 파이프 안을 길이 2㎝, 직경 5.5㎜, 무게 1g의 물체가 모기와 같은 소리를 내면서 나아간다. 이러한 벌레와 같은 물체는 일본 통산성의 프로젝트로 덴소사가 개발중인 마이크로검사기기이다. 역할은 원자력발전소 냉각 세관의 검사이다. 이 세관은 1995년 12월, 고속증식로 [몬쥬]에서 나트륨 누설을 일으켰다. 초소형 로봇의 끝부분으로부터 촉각과 같이 돌출된 센서는 세관의 미세한 균열도 발견한다.

◉ 로봇의 엔진에 해당하는 것이 세로 2㎜, 가로 3㎜, 길이 9㎜의 [적층압전 액추에이터]이다. 덴소의 가와하라(川原)주임연구원 등은 "원래 전기가 통하지 않는 질콘티탄산연이라는 세라믹에 200V의 전압을 가하면, ＋극과 －극이 생겨 신축된다"는 성질에 착안했다. 이러한 신축을 1초 동안 약 1,000번 되풀이하면서, 로봇은 초속 약 6㎜로 전진한다. 전압의 강약에 따라서는 전진이나 후퇴도 가능하다. 신축은 육안으로는 알 수 없는 속도이기 때문에, 조용히 움직이고 있는 듯이 보인다. 가와하라씨는 "모기 날개와 거의 같은 사이클이기 때문에 모기와 같은 소리가 난다"고 한다.

◉ 현재 이와 같은 프로젝트는 2001년 완성을 목표로 해 새로운 단계에 들어갔다. 목표는 초소형 CCD(전하결합소자)를 사용해 문제 장소의 화상을 송신할 수 있는 것과 전선에 연결하지 않고도 자력으로 움직이는 일이다. 에너지원은 빛과 전파의 일종인 마이크로파이다. 현재의 액추에이터는 소비전력이 1W로 의외로 크다. 때문에 덴소는 소비전력이 60분의 1로 적어 10배로 신축되는 구조를 거의 완성시키고 있다. 직렬로 이어 200V의 전압을 발생시키는 태양전지를 산요전기가, CCD 등 '눈' 부분은 도시바가 담당했다.

◉ 새로운 로봇은 직경 9.5㎜, 길이 50.4㎜, 무게 3.65g으로 좀 더 크다. 이와 같은 기술의 연장에는 혈관내에서 인간의 체내에 들어가 동맥류나 암 등의 치료에 활약하는 로봇이 있다. 21세기 초에는 실현될 것이다. SF영화나 소설 등에서 꿈꿔왔던 것이 더이상 꿈이 아니게 되는 시대가 온 것이다.

일본 오므론, 초소형 구동장치

◉ 일본 오므론은 크기는 작아도 매우 큰 힘을 내는 신형 액튜에이터(구동장치)를 개발했다. 반도체 실리콘을 가열, 팽창에 의한 변형을 이용한 것이다. 단위 면적당 낼 수 있는 힘은 지금까지 시험 제작된 미소 구동장치의 100배에 상당한다고 한다. 미량 분석용 펌프나 스위치에 응용이 가능할 뿐만 아니라, 새로운 마이크로 머쉰의 실현이 기대된다.

◉ 개발된 구동장치는 홈에 다리를 걸친 것과 같은 구조이다. 다리 부분이 상하로 진동, 기계적인 힘을 발휘한다. 반도체의 미세가공기술을 응용, 부품을 단결정 실리콘 기판위에 만들어냈다. 기판 위에 한번에 많은 장치를 집적할 수 있는 것도 특징이다. 다리 부분은 폭 0.5mm, 길이 2.5mm, 두께 0.02mm로, 표면에 다결정 실리콘으로 박막상의 히터부를 만들었다. 다리는 양단이 고정되어 있어 히터로 가열하면 팽창, 윗 방향으로 젖혀진다. 이 윗 방향의 힘이 물건을 민다든지 들어올린다든지 하는 작업에 사용된다. 가열을 멈추면 원래의 평탄한 상태로 되돌아온다. 27V의 전압으로 25mA의 전류를 히터에 흘려 가열한 결과, 약 1㎟의 부분이 2g의 물건을 0.025mm의 높이까지 들어올리는 것을 확인했다.

◉ 마이크로 머쉰을 위한 구동장치 개발로는 이제까지 커다란 회전 모터를 그대로 소형화하여 같은 원리로 움직이려는 시도가 왕성했었다. 그러나 최근에는 그대로 축소하는 것만으로는 실용화하기 어려운 것이 알려져, 작은 사이즈에 적합한 구동방법이 제안되고 있다.

초소형 로봇

◉Vanderbilt 대학의 교수들이 장차 군인들이 적의 위치를 찾는 데 도움을 주거나 과학자들이 다른 행성을 탐험하는 것을 도와주는 로봇벌레를 개발중이다. 두 명의 기계공학 교수들은 로봇 제작을 위해 국방부로부터 904,000달러를 지원받았다. Ephrahim Garcia와 Michael Golfarb교수는 정보를 송신하기 위한 카메라나 센서를 장착한 작은 기계를 계획하고 있다. "우리들의 지적 수집능력, 고공정찰, 위성 사진에도 불구하고 우리들은 아직 저 건너편 언덕을 볼 수 없다. 군인들은 사선을 넘어 서면 장님에 불과하다"라고 Garcia가 말했다.

◉ 인터넷을 만들고 그 기술을 개발한 미 국방연구소(DARPA)는 교수들과 3년 계약을 맺었다. 그들은 시작 로봇을 6월까지 만들었으면 한다. "이것들은 큰 딱정벌레 크기 정도로 작으며 4개 혹은 6개의 다리를 가진 금속벌레들이 될 것이다."라고 Goldfarb가 말했다. 로봇들은 철이나 티타늄으로 만들어지고 전지로 작동될 것이다. 전지용량에 한계가 있기 때문에 로봇들이 유용하게 쓰이려면 전자 및 기계적으로 효율이 좋아야 한다. 교수들은 전지로부터 최대 에너지를 얻기 위하여 압전 세라믹을 사용할 계획이다. 얇게 세라믹으로 입혀진 철판은 로봇구조물 위에 얹혀질 것이다.

◉ 전지에서 전기가 들어오면 휘어지고 전기가 나가면 원래 형상으로 돌아가는 판을 이용하여 로봇을 움직이게 할 것이다. 같은 기술이 무선호출기의 진동기에 쓰이고 있다. "우리는 속도를 조절할 수 없다. 그러나 이것은 아주 작은 에너지가 소모된다."라고 Garcia가 말했다. DARPA 프로그램 매니저인 Bill Warren은 Vanderbilt에 연구비를 지원하는 이유 중의 하나는 "로봇을 충전시켜서 전진시키고 매우 작은 전력을 쓰기 때문에 정말 새로운 시스템이다"라고 말한다. 로봇이 100야드만 가면 전력이 고갈되기 때문에 단지 전지를 부착하였다고 작동하는 것은 아니다. 교수들이 부딪힌 문제는 세라믹 판이 제한된 운동만을 한다는 것이다.

◉ "우리는 이것을 움직이기 위해 많은 고심을 했다. 만약 보폭이 4분의 1㎜이면 그것만으로도 충분하다."라고 Golbfarb가 말했다. 1～2㎜이면 훌륭하고 2㎜ 이상이면 더욱 좋다. 만약 사막에서 50피트 정도 가다 작동을 멈추면 우리는 그것으로부터 무엇인가 얻을 점이 있겠지만 실용적이지는 못하다고 Goldfarb교수는 말한다. 이 로봇의 장점은 그 가격일 것이다. 시작 로봇은 제작하는 데 거의 100달러가 들었으나 만약 대량생산을 한다면 어떤 형태의 센서, 카메라를 사용하느냐에 달려 있기는 하지만 10달러까지 낮출 수 있을 것이다. 이 로봇은 싸다는 것이 중요하다. 왜냐하면 그들의 귀환은 염두에 두지 때문이다. 유용한 데이터를 얻을 수 있는 기회를 증가시키는 정보를 얻을 수 있게 수천 개의 로봇을 내보낼 수 있음을 의미한다.

◉ 예를 들어 당신이 화성 탐사차량을 가지고 있는데 그것이 부서진다면 임무는 실패할 것이다. 만약 행성 지상에 만개의 로봇을 착륙시키고 어느 방향이든 내보내면 어떨까? "각 로봇들은 소량의 전력을 가지고 하나의 센서를 가지는데 위험은 분산되어 하나가 분실되더라도, 전력이 다 소모되거나 움직이지 못하더라도 임무가 완전히 실패하지는 않을 것이다."라고 Garcia교수는 말한다.

새로운 초소형 기계장치(MEMS) 생산기술

◉ USC(university of southern california)의 기술자들은 신속한 프로토타이핑 공정을 사용, 크린룸 시설 없이도 MEMS 장치를 제작할 수 있는 방법을 개발했다. EFAB(electochemical fabrication)라고 불리는 이 공정은 3차원의 소형 물체를 성형하기 위해 마이크로 두께의 금속 층(Layer)을 쌓는 것으로, MEMS 장치를 기존의 방법보다 더욱 값싸고 빠르게 만들 수 있다.

◉ EFAB의 주임연구원인 Adam Cohen에 따르면 "EFAB는 새로운 제작공정의 온도가 현재 기술보다 낮은 약 49도이기 때문에 마이크로 기계공학과 마이크로 전자공학을 더 효과적으로 종합한 것이며, 칩에 정교한 시스템을 구성하기에 이상적인 공정"이라고 한다. 또 "현재의 MEMS 장비는 형상에 제약이 있고 비용이 많이 드는 크린룸에서 수동으로 제작되어야 하며, 어떤 경우에는 어렵고 비싼 자체 고유공정을 종종 사용하기도 한다. 그러나 EFAB는 금속을 층으로 쌓는 공정을 사용함으로써 기계 가공이나 주조로 제작하는 것보다 복잡한 제품을 만들 수 있고 완전 자동화될 수 있으며, 크린룸 시설을 필요로 하지 않는다"고 설명했다.

◉ EFAB의 특징은 3차원 형상을 성형하기 위해 여러 개의 얇은 층을 쌓는 프로토타이핑 공정이다. 기존의 프로토타이핑 공정은 만들어지는 제품의 크기가 대개 수 센티미터이나 EFAB 공정은 미세한 층을 쌓아서 구성하기 때문에 훨씬 작은 제품을 만들 수 있다. 현재 USC팀은 5～8마이크론 두께의 층으로 작업하고 있으며 1마이크론보다 작은 층도 만들 수 있다고 한다. 각각의 층은 잉크를 종이에 인쇄하는 것과 유사하게 형상 마스크를 금속판 위에 찍어서 만들게 되며, 각각의 마스크 형상들은 컴퓨터 자료를 사용하여 동시에 생성된다. 이 방법은 각 부품을 사용하여 한 번에 하나의 제품을 생산하는 기존의 조립 생산라인과는 전혀 다른 방법이며, 인쇄하는 방법과 같이 복잡한 장치가 차례로 묶이는 것과 같은 방법으로 수천에서 수만 개의 제품을 한 공정으로 동시에 만들 수 있다.

◉ 기존의 MEMS 장치는 5개 이하의 층으로 구성되어 있다. USC 팀은 EFAB 공정을 사용하여 이미 12개의 층으로 구성된 MEMS 장치를 만든 바 있으며, 공정이 완전 자동화되면 수천에서 수만에 이르는 층을 가진 장치를 생산할 수 있다. 공정 자동화가 완료되면 공장은 스스로 고속 작동될 것이며 더 많은 층을 가진 제품에 적용할 수 있다. 또한 EFAB는 일반적인 주조나 기계가공법과 같이 매우 다양하게 사용될 수 있다. 현재 사용되는 있는 마이크로 장비와 같이 디자인이 바뀔 때마다 새로운 공정을 개발할 필요가 없이 동일한 공정을 동일하게 적용할 수 있는 장점이 있다.

미크론 크기의 유체유동을 측정하는 입자영상유속계

◉ 세포만한 크기의 유체유동장 속도를 측정하는 시스템이 Illinois 대학에서 개발되었다. 미크론 크기의 유동장을 측정할 수 있는 유체측정장치인 이 시스템은 형광입자의 크기가 100에서 300나노미터(1나노미터 = 10억분의 1미터)인 epifluorescent 현미경과 고해상도의 입자영상을 촬영하기 위해 성능을 보완한 CCD 카메라로 만들어졌다.

◉ Illinois 대학의 전기 및 컴퓨터공학과 교수이자 Beckman 첨단과학기술연구소의 연구원인 David Beebe의 말에 따르면, 지난 10년간 초소형 전자기계시스템(Micro-ElectroMechanical System; MEMS) 기술을 기반으로 한 초소형 유체측정 장치의 개발이 괄목할 만한 진보를 보였다고 한다. MEMS 초소형 유체측정장치의 유체가 통과하는 통로는 1에서 100미크론 정도의 크기를 갖기 때문에 재래식 유동 검증장치들이 사용될 수 없다고 한다.

◉ 이러한 필요성으로 David Beebe와 그 외 여러 명의 과학자들은 미크론 정도의 해상도를 갖는, 아주 작은 유동장을 측정할 수 있는 입자영상유속계(Particle Image Velocimetry; PIV : 유체 유동장 내에 발광입자를 띄우고 레이저 슬릿을 비춰, 슬릿 안에서 움직이는 발광 입자들의 사진을 짧은 시간 내에 순차적으로 여러 장을 찍고 이를 영상처리한 후 입자들을 추적해 사진으로 찍은 유동장 내의 속도벡터를 영상으로 보여주는 측정장치)를 개발했다.

◉ 이 Micro-PIV 시스템은 특히 영상의 빛의 밝기가 낮은 생체분석시스템 속도장을 측정하기 위해 설계되었다. 이 시스템을 개발한 Juan Santiago는 Micro-PIV 시스템이 초소형 유동측정센서, 초소형 밸브, 초소형 펌프 등과 같은 광범위한 유체유동과 관련된 장치의 물리적 해석 및 성능을 연구하는 데 사용될 수 있다고 한다. 미크론 크기보다 작은 형광입자의 영상이 현미경으로 확대되어, 강력한 성능의 CCD 카메라로 촬영하고 통계적인 관계식을 이용해 연속적으로 찍은 유동장의 영상을 분석, 입자들의 운동경로를 추적해, 속도벡터를 얻는다.

◉ 현재 이 시스템을 개발한 사람들은 1미크론에 근접하는 공간해상도를 갖는 유동장 측정을 할 수 있게 기술을 개량하고 있다. PIV 기술 개발을 주도한 Ronald Adrian은 크기가 큰 유동장 내에서의 난류를 연구하기 위해 PIV 시스템을 사용했었다. PIV 기술에 epifluorescence 현미경과 강력한 성능의 CCD 카메라를 접목함으로써 아주 미세한 유동장을 측정할 수 있게 하는 새로운 장을 열었다. 이 Micro-PIV 기술은 MEMS를 기반으로 한 초소형 펌프, 초소형 유체 혼합기, 밀리미터 단위 이하의 로켓노즐을 개발하는 데 이용될 것이다. 연구원들은 이 새로운 유동측정 기술을 "Experiment in Fluids"저널 9월 호에 실을 예정이다.

급속히 발전하는 '마이크로 기계'

◉ 놀라운 능력을 가진 미소 기계장치가 마치 마차에 먼지가 쌓여가듯 소리없이 그러나 급속히 사용 영역을 확장해가고 있다. 예를 들면, 손톱보다 작으면서 움직임을 감지할 수 있는 센서, 수백만 개의 마이크로 거울이 들어 있는 우표 크기의 칩, 꽃가루 크기의 기어가 들어간 전기모터 등을 들 수 있다. 초소형 기계장치들은 기존 기계장치들의 중요한 일들을 대체하고 있다. 소형 센서가 자동차의 에어백을 작동시키고, 수백만 개의 초소형 거울이 더욱 선명하고 밝은 화상 프로젝터를 제공하며, 초소형 모터는 핵 폭탄이 사고로 폭발하는 것을 방지하는 안전장치에 사용된다.

◉ 이러한 기계장치들의 공통점은 초소형이라는 점 외에도 이미 잘 알려진 제작공정, 즉 컴퓨터 칩을 만들 때 실리콘과 금속을 층으로 쌓아가면서 만드는 공정이 사용된다는 것이며, 방진복을 착용하는 크린룸에서 제작된다. 모든 컴퓨터 칩은 자료처리 능력만을 가진 데 비해 이러한 미소기계장치는 '움직인다'는 특징을 가지고 있다. MEMS(micro -electromechanical systems)라고 불리는 '마이크로 기계'가 도입되면서 작동기계를 애호하는 사람들은 실리콘이 가져온 혁명을 뛰어넘을 수 있게 되었다. 샌프란시스코의 컨설턴트인 Roger Grace에 따르면, 현재 전세계적으로 600여 개의 기관들이 MEMS와 관련된 업무를 수행하고 있으며, 미국에서는 이 중 반 이상이 상용제품을 개발하는 업체라고 한다. 현재 MEMS의 세계 시장 규모는 매년 약 60억에서 80억 달러에 달하며 2002년에는 200억 달러에 이를 전망이다.

◉ MEMS 개발에 있어 마이크로 기계장치의 생산 및 운용과 관련된 어려운 문제로 인해 예상보다 훨씬 오랜 기간이 소요되었다. 초기의 MEMS는 실리콘이 굽혀지면 전기 저항이 달라진다는 사실을 이용했다. 1960년대에는 Honeywell사와 같은 회사가 이전 제품보다 더 정확한 비행조종 장치용 유압센서를 개발했으며, 1980년대에는 자동차 회사와 협력업체들이 연료분사 자동차의 엔진 흡입구 압력을 모니터링하기 위한 센서를 개발하기 시작했다. 그 외에 초기의 MEMS로는 잉크젯 프린터 헤드 및 환자의 혈압측정계 등이 있다.

◉ 1985년, 'surface micromachining'이라 불리는 정교한 생산기술이 도입됨으로써 MEMS는 단순히 굽히는 원리를 뛰어넘어 진동하고 회전하는 부품으로 영역을 확장하게 되었다. 내 산성인 실리콘 재료와 기계장치의 공간을 만들기 위해서 산에 용해되는 실리콘 dioxide 재료를 교대로 층을 쌓는 기술을 적용함으로써 기계장치를 조립할 필요성이 없어졌다. 경이적인 성과를 이룩한 대표적인 MEMS 제품을 소개하면 다음과 같다.

◉ 1) 값싸고 작은 에어백 센서 - 매사추세츠주의 Analogy Device사는 에어백 조절장치의 가격을 획기적으로 낮출 수 있는 MEMS 가속도계를 매월 수백만 개씩 생산하고 있다. 이 센서는 복잡하면서 움직이는 실리콘 구조물을 사용하여 자동차가 충돌할 때 발생하는 충돌가속도를 감지하는 것으로서 최근 가장 성공한 MEMS 기술 중의 하나이다. 이 회사의 매출고는 연간 30～40%씩 성장, 1998년에는 12억 달러에 이르렀으며 앞으로도 급성장해 갈 것으로 보인다.

◉ 2) 선명한 화상을 제공하는 칩 - TI(Texas instruments)사는 수백만 개의 거울로 이루어진 MEMS 칩인 'DLP(digital light processors)'를 독점 생산하는 회사이다. 1996년에 처음 생산을 시작하여 해상도에 따라 50만, 75만, 120만 개의 소형거울을 포함하고 있는 DLP를 생산하여 30여 개에 이르는 프로젝터 생산업체들에 공급하고 있다.

◉ 3) 성능이 뛰어난 광섬유 스위치 - 미국에서 60여 개에 이르는 초창기 MEMS 업체 중 하나인 OMM(Optical Micro-Machines)사는 통신회사에서 현재 사용하고 있는 기계적인 스위치의 단점을 보완하고 인터넷의 통신 폭주를 수용할 수 있는 MEMS 광섬유 스위치를 개발하는 데 초소형 거울을 이용하고 있다. 이 MEMS 스위치는 생산 초기에는 기존 제품의 절반 가격으로 공급될 예정이며 추후 가격이 더 인하될 예정이다.

◉ 4) 소형 폭발물 안정장치 - 핵 폭탄을 내장한 항공기가 추락해도 탑재된 핵 폭탄이 과연 폭발하지 않을 수 있을까? 산업체와 함께 무기관련 연구를 수행하고 있는 Albuquerque에 위치한 Sandia 국립연구소는 값싸고 소형인 MEMS 안전장치를 개발했다. 이는 핵폭탄이 사고로 폭발하는 것을 방지하기 위한 안전 자물쇠 장치로서 "stronglink"라 불리는 소형 MEMS의 초도 생산품이다.

머리카락 두께의 마이크로 배터리

◉ Brigham Young University(BYU)와「Bipolar Technologies」社의 연구팀이 머리카락 두께 정도로 얇은 초소형배터리(microbattery)를 개발하였다. 아주 작지만 강력한 이 배터리는 언젠가느 환자의 증세를 모니터링하거나 당뇨병 환자의 인슐린 주입량을 조절하는 데 사용될 수 있을 것이다. 물론 소형 배터리는 이전에도 소개된 바 있으나 이번에 개발된 것은 그 크기나 현재까지의 소형배터리에 비해 수백배의 전압을 발생한다는 점에 있어서 전혀 새로운 것이다.

◉ BYU 연구팀의 리더인 린튼 살몬과 존 하브는 새로운 제조방법을 도입함으로써 이를 가능케 하였다. 살몬에 따르면 현재까지 초소형배터리를 제조하는 방법은 자동차를 제조하는 방식과 유사하게 부품 하나 하나를 조립하는 것이었음에 비해 그들은, 초순수 물질로 초미세의 복잡한 구조패턴을 만드는 컴퓨터칩의 제조공정을 도입하여 응용하였다. 살몬은 이 연구결과를 1998년 6월7일부터 11일 사이 미국 남캐롤라이나에서 개최되는「Solid State and Actuator Workshop」에서 발표할 예정이다.

◉ 프로그램위원회의 위원장인 로버트 후버는 이 연구가 새롭고 혁신적인 것으로 관련분야에 큰 반향을 일으킬 것이라고 평가했다. 살몬의 연구는 제조업자들에게 복잡한 시스템을 단순화시키는 방법을 제공함으로써 엔지니어들이 마이크로배터리를 전자기기에 한 부분으로서 직접 포함시킬 수 있게 해준다. 이러한 기계는 '마이크로전자기계 시스템'(micro electromechanical systems; MEMS)으로 불리우는 것이다. 90년대초 미국과학재단의 MEMS연구를 관장하는 동안 살몬은 동료 엔지니어들이 초소형의 복잡한 시스템을 개발하는 것을 보아 왔는데 이 시스템은 한가지 문제점을 제외하고는 매우 실용가능한 것이다. 즉, 이들 시스템은 모두 '디 셀 배터리' (D cell battery)를 사용하는 것으로 충분히 작은 에너지원이 없으면 이들 MEMS는 실제적 이용에 한계를 갖는 것이다.

◉ BYU로 돌아온 그는 동료들과 함께 이 문제에 관한 연구에 착수하였다. 이들은 현재 연구결과를 Bipolar Technology사를 통해 상업화할 계획을 갖고 있다. 우선 이들은 원거리센서(remote sensor) 또는 자체작동센서(autonomous sensor)를 사용하는 자동차업계와 의학산업계에 중점을 두고 있다. 자동차에는 여러 센서들이 쓰이고 있으며 센서의 종류는 점차 늘어날 것이다. 예컨대 타이어의 마모, 온도, 엔진마모 등 자동차의 전반적 상태를 감지하는 센서들이다. 센서들로부터의 신호는 내장된 컴퓨터에 의해 처리된다. 차량의 상태에 대한 정보는 곧 소비자의 비용절감으로 이어진다.

◉ 살몬은 마이크로배터리가 의학분야를 포함한 실로 광범위한 분야의 자체작동센서에 응용될 것이라고 확신하고 있다. 만일 어떤 센서를 신체내에 이식할 경우 전선을 밖으로 빼내어 달고 다닐 사람은 없을 것이다. 여기에 대한 답은 바로 마이크로배터리이다. 센서와 전원 또는 중앙조절장치를 연결할 전선은 불필요하며 대신 연결은 휴대용전화기의 경우와 같이 라디오주파수에 의해 이루어질 수 있다.

방사능 에너지를 사용한 MEMS 장치

◉ 화재 검출기, 복사기, 페이스메이커, 그리고 다른 여러 가지 장치에서는 이미 매우 적은 양이지만 방사성 물질이 사용되고 있다. 이제 Wisconsin-Madison 대학교의 세 공학자들은 하나의 초소형 기어를 구동하는 미세한 배터리를 계획하고 있다. 핵공학 교수인 James Blanchard와 Douglass Henderson은 전기 공학 교수 Amit Lal과 함께 3년 짜리 450,000 달러 프로젝트를 진행하고 있다. 핵에너지의 잠재적 이용가능성을 조사하고 있는 에너지부는 이 연구를 지원하고 있다.

◉ Blanchard의 말에 따르면 마이크로기계장치(micro-electromechanical structures 또는 MEMS 장치)로 알려진 이 장치들은 인간의 머리카락 두께인 60에서 70마이크로미터 보다도 작아지고 있다고 한다. 이 장치들은 매우 작기 때문에 의학 장비나 환경 관리, 자동차와 같이 매우 정확한 작동이 필요한 분야에 사용될 수 있을 것이다. 가장 흔한 MEMS 장치는 자동차 에어백이 펼쳐질 시기를 판단하는 미세한 감지기다. 그러나 MEMS 기술은 그렇게 작은 장치를 구동하기에 충분히 가볍고 작은 적절한 동력원의 부족으로 한계에 부딪혔었다. Blanchard는 "이 정도의 크기에서 이러한 장치가 연구된 적은 없습니다. 우리에게 가장 중요한 문제는 방사능원의 크기입니다."라고 말했다.

◉ Blanchard는 "어떤 물건을 제작할 때 매우 미세한 양의 방사능 물질을 사용하는 것은 이전부터 있었던 일입니다."라고 말했다. 구체적인 예로 화재 경보기는 공기를 전기적으로 대전시키는 방사능 물질의 도움으로 작동하며 어떤 복사기들은 종이의 정전기를 제거하기 위해서 방사능 물질을 사용한다. 방사능에 대한 노출은 본질적으로 몸에 해롭기 때문에 방사능 물질의 사용은 엄격히 통제되고 있다. 그러나 이러한 분야에 필요한 물질의 양은 너무 적어서 안전에 문제를 일으키거나 규제가 필요하지 않다고 Blanchard는 말했다. 그리고 미세한 양의 방사능 물질은 캡슐에 들어 있어서 사람들은 절대로 방사능에 노출되지 않게 된다.

◉ Blanchard에 따르면 이것은 방사능 물질의 자연적 붕괴로 생기는 에너지를 이용해서 핵융합이나 핵분열 같은 반응 없이 이것을 바로 동력원으로 사용한다는 생각이라고 한다. 장치에 들어있는 물질을 안전하게 보관하면 장치에서 물질이 제거되기 전에 대부분이 붕괴될 것이다. Blanchard는 " 우리는 붕괴로부터 생성된 에너지를 센서를 작동하게 하거나 움직이는 부분을 구동시키는 동력원으로 변환시킬 것입니다."라고 말했다. 에너지는 열이나 하전 입자의 형태를 갖게 될 것이다. 이것들은 모두 미세한 장치에 필요한 충분한 양의 에너지를 발생시킬 수 있다. Blanchard는 알파입자와 베타입자들은 고전압을 만든다고 말했다.

◉ MEMS 장치를 제작하는 Lal은 일단 에너지 문제가 해결되면 매우 많은 분야에서 초소형기계들이 만들어질 것이라고 말했다. 이 분야의 기술은 매우 작은 장치에 충분한 연료를 공급할 수 있는 매우 작은 에너지원의 문제로 그 동안 더 이상 발전하지 못하고 있던 상태였다. Lal은 "당신은 이제 과거에는 절대 불가능했던 장치들을 만들 수 있을 것입니다."라고 말했다. 구체적인 예로 MEMS 배터리들은 작은 손바닥 크기의 계산장치나 마이크로실험실에 대한 동력원으로 사용될 수 있을 것이다. 또한 화학공장이나 석유 파이프라인같은 곳에서 누출 정보를 빠르게 제공할 수 있는 가스 인식 센서들도 개발될 것이다.

◉ 그것들은 또한 화학 무기의 반대 방향으로 유도하는 자체 동력 센서망에도 사용될 것이다. 미세한 센서들은 중장비의 윤활유에 혼합되어 보수가 필요한 시기에 대해서도 정보를 줄 수 있을 것이다. Lal은 "가장 큰 파급효과는 이러한 센서 시스템을 집적해서 더 신뢰할 수 있고 더 안전하며 더 영리한 일용품을 만들 수 있다는 것입니다."라고 말했다. 이 계획은 대학교 내에서 핵분열과 다른 방사능 분야에 관한 프로젝트를 지원하는 에너지부의 핵공학 교육 연구(Nuclear Engineering Education Research)의 일부이다. 이것은 핵에너지의 다른 용도를 장려하는 작은 규모의 지원정책 중의 하나다.

마이크로머쉰의 개발로 '책상'위의 공장 실현

◉ 책상위에 올려놓을 수 있을 정도의 작은 화학공장을 실현. -일본 올림프스광학공업이나 오므론 등은 실리콘 기판상에 미세한 유로나 반응장치를 집적, 여러 가지 화학물질을 반응시키는 "미소화학공장"을 연구개발한다는 구상을 하고 있다. 이는 국가의 마이크로머쉰 연구개발 프로젝트의 일환이다.

◉ 앞으로 이러한 미소화학공장이 실현된다면 환자의 증상에 맞는 의약품을 의사가 직접 책상 위에서 신속하게 제조할 수 있게 될 것이다. 또한 점포에서 피부나 땀 성분을 분석한 다음, 개개인의 신체 상황에 맞춘 화장품이나 영양 드링크를 합성하는 것도 가능해질 것으로 보고 있다. 이외에도 환경중의 유해물질 분석에 사용한다면 검사시약의 양을 줄일 수 있기 때문에 분석에 따르는 폐액을 줄일 수 있는 이점도 있다.

◉ 개발구상에서는 마이크로머쉰기술을 응용, 실리콘이나 유리기판 위에 깊이나 폭이 수 백㎛인 홈이나 수 mm 정도의 반응조, 교반장치, 펌프, 센서류 등을 집적할 수 있다. 화학물질을 포함한 극미량의 액체를 흘려 합성, 분리, 분석도 행할 수 있게 한다는 발상이다. 이미 미세한 홈을 깎을 수 있는 기술이나 초소형 교반장치, 반응장치 등은 개발이 진행되고 있으며, 이들 그룹에서는 98년 가을 무렵에 요소기술을 공개할 생각이다.

미 국방성 곤충의 비행원리를 이용한 비행체 개발

◉ 최근 곤충의 비행을 이해하는 데 있어 큰 진보가 이루어졌는데 이와 더불어 미 국방성으로부터 뜻밖의 자금지원으로 인해 곤충의 비행원리 이용 비행체 개발에 한 발짝 더 접근하게 되었다. 얼마 전까지도 곤충의 비행은 공기역학 보존법칙을 준수하지 않는다고 생각되어 왔다. 반면에 비행기는 날개의 형태와 접근각이 날개의 상부에 저압지역을 만들어내어 양력을 발생시킨다. 관념적으로 말하자면 곤충은 공기 안에서 날아다니기에 충분한 양력을 발생시키지 못한다고 하지만 그러나 곤충들은 실제로 잘 날아다니고 있다. 1994년 캠브리지 대학 동물학자 C. Ellington과 그의 동료들은 커다랗고 천천히 움직이는 곤충모형을 풍동시험을 하기 위해 제작했다.

◉ 시험을 통해 날개가 밑으로 작동할 때 날개의 앞쪽 언저리에 미소규모 소용돌이가 있다는 것을 밝혀냄으로써 그들의 이론을 증명했다. 소용돌이는 날개 위에 저기압을 발생시켜 막대한 양의 양력을 야기시킨다. 이러한 곤충의 원리를 적용하여 얼마나 큰 장치를 만들 수 있을지 혹은 거꾸로 아주 작은 새의 크기까지 만들 수 있을지 아직 모른다고 Ellington은 말한다. 겉보기에는 인간 규모의 비행이 불가능할 것 같은 이러한 흥미로운 과학의 결과가 1996년 처음 Nature지에 소개되었다. 그 당시에는 이러한 Ellington의 착상이 무시되었다. 그러나 최근 미 국방성 방위연구소는 그의 초소형 공중운송매체(MAV) 연구에 관심을 보여 이를 위해 3천 5백만 달러짜리 과제를 시작했다.

◉ 기본 개념은 병사들에게 전쟁터에서 적군의 동태를 관찰하기 위한 소형 원격조종 감지장치를 탑재한 비행기나 헬리콥터를 제공하기 위함이다. 그와 같은 조그마한 기계들은 도시전에서는 성능을 발휘할 수 없다. 왜냐하면 소음이 매우 심하고 너무 빨리 날아 도시와 같은 환경에서는 작동하기 힘들기 때문이다. 그러나 이것은 곤충에게는 사실이 아니다. 곤충들은 모든 각도로 매우 조용히 날 수 있으며 전속력으로 벽에 충돌하지만 아무런 부상 없이 날아 다니거나 벽을 기어다닌다. 그와 같이 튼튼하고 다목적인 정찰곤충 개발의 일환으로 DARPA는 미국 여러 기관에 3년간 2천만 달러를 주기 시작했다.

◉ Ellington 자신도 R. Michelson이 이끄는 조지아 공과 대학 설계팀과 함께 일을 하고 있다. Michelson 연구팀은 아직 초기단계에 있으며 화학동력원인 왕복화학근육을 개발하고 있다. 이는 날개, 항공 및 조종계기, 그 외 다양한 부속 장비들의 구동원이다. 비록 이 팀은 아직 엔진구동 비행에 성공하지 못했지만 25㎝의 날개 길이를 가진 고무밴드 구동모델은 50그램의 무게를 15초 동안 비행하는 데 성공했다. 한편 밴더빌 대학도 자금 지원을 받고 있는데, 대학원생 A. Cox는 5그램, 15㎝ 날개길이의 인공곤충을 가지고 비행에 성공했다. 작동기는 압전소자로 만들어졌으며 곤충의 날개를 퍼덕거리게 한다. 아직까지는 작동기로부터 원하는 날개짓을 얻기는 매우 힘든 것처럼 큰 기계를 실제 곤충크기로 줄이는 것도 매우 힘이 든다. 그러나 밴더빌과 조지아 대학 연구팀들은 그들의 곤충에 생명력을 불어넣을 수 있다며 매우 낙관적이다.

미소 장치의 구동 원으로 사용될 원자력 이용 기술

◉ 전 세계적으로 수많은 연구원들이 사람의 머리카락 두께보다 작은 장치를 개발하고 있다. 그러나 아직까지 미소한 마이크로 공학적 장비의 구동 원으로 원자력을 사용한 사람은 없었다. 최근 미국 위스콘신 대학 연구팀은 미소 장치의 구동 원으로 원자력에너지 사용을 연구하기 시작했다. 이러한 발전기는 가정이나 공장에 전기를 공급해주는 원자력 발전소와는 전혀 다르다. 전기를 발생시키기 위해 터빈을 돌리는 대신에 미소 장치들은 작은 조각의 방사능 물질을 사용하여 방사능붕괴를 통해 전기를 발생시킨다. 이와 같은 미소 장치에 원자력을 이용하는 연구를 수행 중인 위스콘신대학 연구팀은 미국 에너지부로부터 45만 불의 지원을 받고 있다.

◉ 비록 원자력을 사용하는 이 기술이 위험하다고 말하는 사람도 있지만 연구원들은 그들의 발전기가 아주 극소량의 방사능 물질을 사용하기 때문에 안전에는 전혀 문제가 되지 않는다고 말한다. 방사능 물질로 사용되고 있는 원소는 폴로늄으로서 1989년 퀴리 부인이 처음 발견한 원소이다. 방사능 물질은 화재경보기에서처럼 이미 여러 장치에서 사용되고 있다. 어떤 사진복사기는 종이에 발생하는 정전기를 제거하기 위해 가늘고 긴 방사능물질 조각을 사용한다. 그러나 미래에 미소 장치의 구동 원으로 사용하기 위해 이 기술은 초소형 수준으로 끌어내려야 한다. 방사능 물질은 두 가지 방법으로 전기를 발생시킬 수 있다. 첫 번째로는 방사능 붕괴로 인해 발산되는 열이 어떤 물질에 작용하여 전자를 발산시킴으로서 전기를 발생시킨다. 그러나 연구팀은 좀 더 직접적인 방법을 택했다. 방사능 동위원소가 붕괴할 때 하전입자가 발생되므로 이러한 하전입자를 포착하면 전기가 발생된다. 이러한 입자들은 장치의 규모에 비해 매우 높은 전압을 발생시킨다.

◉ 현재 연구팀은 장치의 응용성에 대해 직접적으로 고려하고 있지 않지만, 일단 적절한 전원장치가 개발되고 나면 마이크로시스템(MEMS)고 같은 다른 곳에 유용가치가 충분히 있을 것이다. 이 중에서 즉시 이용 가능한 분야는 다양한 범위의 미소 센서 개발 분야이다. 적당한 구동 원이 수백 가지의 작은 센서들을 무선통신을 사용하여 연결할 수 있는데 이는 군사용으로 사용될 수 있다. 유관으로 보기에는 너무 작은 이러한 센서들은 혹독한 환경에서 화학약품들의 압력을 감지할 수 있기 때문에 화학무기 감지용으로 사용될 수 있다. 이는 또한 산업체에서 유독성 화학물질이나 가스를 미세 수준까지 감지하는데 사용될 수 있다. 또 다른 응용 분야로는 센서를 매우 작게 만들어 기계에 사용되는 기름에 혼합시켜 언제 유지 보수가 필요한지 감지하는데 사용될 수 있다. 일반적인 기술은 이미 잘 이해가 되고 있지만 문제는 얼마만큼 작은 규모의 장치를 안전하고 신빙성 있게 만드느냐가 앞으로 남은 과제이다.

[센서 마이크로머쉰]을 테마로 한 [도오호쿠대학 벤쳐비즈니스 래보러토리]

◉ 일본 도오호쿠대학은 [센서 마이크로머쉰]을 테마로 한 첨단 연구시설인 [도오호쿠대학 벤쳐비즈니스 래보러토리]를 완성, 10월부터 연구활동을 시작한다. 래보러토리에서는 직접회로 기술과 마이크로머쉰, 마이크로 옵틱스 기술의 융합을 꾀하는 독창적인 연구를 진행해, 국내외의 대학이나 기업과의 공동 연구 등 새로운 산업에 이어지는 연구개발 프로그램, 벤처 지향의 창조적 인제 육성을 목표로 한다.

◉ 도오호쿠대학 벤쳐비즈니스 래보러토리는 95년도의 추가예산에 의한 [대학원을 중심으로 한 독창적 연구개발추진경비]로 각 지역 국립의 이공계 21개 대학에 설치하기로 한 첨단 교육 시설의 하나이다. 직접회로 기술과 마이크로머쉰, 마이크로 옵틱스 기술의 융합을 목표로 한 새로운 착수는 "세계에서도 몇 안 되는 특징을 갖는 연구 시설이 될 것이다"(고야나기 라보라토리 전문위원회 위원장, 도오호쿠대학 교수)라고 한다.

◉ 아오바야마 캠퍼스 내에 완성한 라보라토리 (마이크로 머쉬닝동)은 3층건물로 연면적 약 2000㎡이다. 다운 플로형 크린룸(600㎡)이나 초고진공 CVD 장치를 포함한 일련의 LSI 제조장치 설비 등 최첨단의 설비가 설치되었다. 앞으로는 집적회로를 탑재한 시스템 그 자체를 고집적화 소형화하여 마이크로 집적시스템, 집적화 마이크로시스템 등의 실현을 도모한다.

◉ 운영은 전학적인 멤버로 조직하나 운영위원회가 기본 방침을 결정, 구체적인 이용방법 등은 전문위원회가 담당한다. 연구스텝은 당초 전체에서 약 70명 규모로 출발할 예정이다. 시야가 넓은 연구를 목표로 하고 있어 학내외로부터의 적극적인 참가를 호소하고 있다.

반도체업체, 열처리 문제로 고심 

컴퓨터중앙처리장치(CPU), 메모리 등 주요 반도체 소자의 집적도가 높아짐에 따라 반도체 및 시스템업체들이 열처리 문제로 고심하고 있다.

CPU의 경우 동일한 다이크기에 18개월마다 트랜지스터 집적수가 2배로 증가한다는 '무어의 법칙'이 적용, 클록속도의 증가와 함께 트랜지스터수도 급격히 많아져 발열문제로 가장 큰 골치를 앓고 있는 분야이다.

인텔이 지난 70년대 출시한 CPU의 트랜지스터 수는 3만개에서 80년대 120만개, 90년대 초에 300만개에서 중반 750만개로 증가했고, 지난해 초 공급한 '펜티엄 Ⅲ'에는 950만개가 집적됐다.

또 L2캐시가 CPU에 통합되면서 인텔과 AMD가 최근 출시하는 제품에는 각각 2600만개와 2200만개의 트랜지스터가 내장됐다.

특히 인텔과 AMD가 벌이고 있는 클록속도 경쟁으로 CPU에서 발생하는 열이 크게 증가, 시스템 성능 안정화에 가장 큰 걸림돌이 되고 있다.

메모리 역시 용량증가와 함께 트랜지스터수도 크게 증가하고 있으며 그래픽 칩, 로직 IC 등 PC주요 부품도 집적도가 높아지면서 열발생량이 크게 많아져 열처리 문제가 주요 이슈로 등장하고 있다.

반도체업체들은 이같은 문제를 해결하기 CPU와 메모리의 전력소비량을 낮추는 방안을 모색하고 있으나 기술적인 한계로 근본적인 해결방안이 되지 못하고 있다.

또 트랜지스터의 간격을 줄여 열전도율을 높일 수 있는 미세회로선폭기술 개발에 적극 나서고 있지만 생산수율 문제로 새로운 선폭기술을 적용한 공정라인 전환에 상당한 어려움을 겪고 있는 상황이다.

이와 함께 현재 방열처리시스템으로 적용되고 있는 냉각팬(쿨러)은 소음발생이라는 또다른 문제를 야기시키고 있다.

이에 따라 인텔은 냉각팬의 소음을 줄이기 위해 CPU, 칩셋, 메모리, 그래픽 카드에 120mm 크기의 냉각팬을 장착하는 방안을 모색하고 있으나 PC 주요 부품을 전면 재배치해야 한다는 문제를 앉고 있다.

국내업체로는 씨엔에스(대표 이목형)가 액체냉매가 열을 받을 때 기체로 전환되는 열흐름 원리를 이용해 CPU에서 발생하는 열을 기계적 소음없이 효율적으로 처리할 수 있는 냉각시스템을 개발했으나 아직 시스템업체들로부터 검증을 받지 못한 상황이다.

업체의 한 관계자는 "현재 반도체공정에 적용되고 있는 0.18미크론으로는 클록속도 1㎓ 이상의 제품을 생산하는 데에는 한계가 있고 공정기술만으로 열처리문제를 해결하는 데에는 한계가 있다"며 "열처리 시스템에 대한 근복적인 해결방안을 모색해야 한다"고 말했다.

마이크로 세계를 만드는 새로운 전자화학 제조 방법

◉ 연구자들 스스로가 믿기로는 세상에서 가장 폭이 좁은 체인을 생산할 수 있는 새로운 제조 기술이 개발되어 새로운 마이크로 기계 장치 제작을 가능하게 할 것으로 보여진다. 이 기술은 전자화학적 제조(EFAB)라고 알려져 있는데, 기존의 마이크로 디바이스 제작 방법보다 빠르며 신속하게 제작하는 것을 가능하며, 이전보다 복잡한 디바이스를 보다 값싸게 만들 수 있게 해준다고 한다. EFAB는 남캘리포니아 대학(USC)과 정보과학연구소(ISI)의 연구원들에 의하여 개발되었는데 만들고자 하는 컴포넌트의 모양을 형성시키기 위하여 재료층을 쌓아 올리는 방법으로 된 기술이다. 이 기술의 성공은 USC에서 개발된 '인스턴트 마스킹'공정에 크게 도움을 입었다.

◉ 그 공정 구조는 다은과 같다. 먼저, 하나의 마스크가 전자를 증착시키기 위하여 희생될 서브스트레이트 재료 표면 위에 압착되면, 그 마스크를 제거한다. 다음에는 마스크와 서브스트레이트 사이의 갭이 마스크 패턴을 형성시키기 위하여 구조적인 재료로 채워지게 된다. 각 재료 층은 1마이크로미터 이하까지 얇게 만들어질 계획이라고 한다. 그 뒤에 반복되게 이런 공정이 이루어진다. EFAB 공정은 다층이며 3차원(3D)으로 된 복잡한 기계 장치를 만들기 위하여 반복되게 사용된다. 이 EFAB 프로젝트 지휘자는 이런 방법으로 단추보다 더 작은 내연 기관을 만들어서 산화수소연료를 태워서 전력을 생산할 계획이라고 한다. 또한 동맥의 닫힌 부분을 열어주게 하는 목적으로도 사용될 수 있다.