[스크랩] MEMS(Micro Electro Mechanical System)

 

MEMS(Micro Electro Mechanical System) 

MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술을 이용하는 다양한 센서가 속속 등장하고 있다. 그 중에서도 MEMS 기술로 제작한 센서를 생체에 내장하여 이를 생체와 외부 시스템과의 인터페이스 소자로 사용하려는 시도가 연구되고 있다[GTB2006030808]. 지난 1월 미국 애리조나에서 개최된 MEMS 기술 관련 종합 국제 학술 회의인 [MEMS 2008 (2008년 1월 13일~17일)]에서는 시각 등의 생체 기능을 보조하거나 강화하는 것을 목적으로 하는 연구예가 다수 발표되었다. 특히 많은 주목을 모은 기술은 [Embedded Microdevice] 세션에서 발표된 두 건의 논문인데, 곤충에게 전자회로를 직접 내장하여 곤충의 비행을 제어하는 기술이다. 미국 코넬(Cornell) 대학, Boyce Thomson Institute 공동 연구팀과 미국 미시건(Michigan) 대학, UCLA, 애리조나 주립대학의 공동 연구 그룹이 각각 연구 성과를 발표하였다. 이 자료에서는 두 연구그룹의 발표 내용을 중심으로 MEMS 기술을 이용한 일렉트로닉스 융합 연구 동향과 향후 전망에 대해 소개한다.

MEMS의 연구 분야의 하나는 미세 비행물체를 개발하는 것이다. [MAV(Micro-Air-Vehicles)]라고 불리는 미세 비행물체는 매우 재미있는 발상이며 많은 분야에 응용할 수 있을 것으로 생각할 수 있으나, 실제로 이를 실현하는 것은 매우 어려운 기술이다. 최대의 기술 장벽은 전지의 중량이다. 물체의 이륙과 비행, 착륙에는 상당한 에너지가 필요하다. 비행물체에 으레 부착되는 센서와 액추에이터, 콘트롤러 등에도 전력을 공급할 필요가 있다. 전지의 저장 전력은 외형 크기의 세제곱에 반비례하기 때문에 전지의 크기를 줄이면 공급 가능한 전력은 크게 작아지는 것을 의미한다. 이러한 전지 중량의 문제는 미세 비행물체의 연구 개발의 커다란 걸림돌이다.

한편 곤충은 자연이 만들어낸 매우 작은 비행물체이다. 에너지를 스스로 보급하고 자율적으로 비행하며 걷기도 한다. 시각과 촉각 등의 센서를 가지고 있으며 장애물과 충돌하는 일도 없다. 따라서 무에서 비행물체를 만드는 것이 아니라 곤충의 뛰어난 비행 기능을 이용하여 MAV를 제작하고자 하는 시도가 등장한 것이다. 그러나 문제는 여전히 많다. 최대의 과제는 생체인 곤충과 무기물인 전자회로의 접속이다. 곤충에게 전극을 내장하기 위해서는 생체 조직을 일부 파괴해야 한다. 그 결과 곤충이 죽어버리는 일이 발생한다. 또한 전자회로의 중량이 비행의 방해가 되어서는 안 된다.

그런데 최근 들어 곤충과 전자회로를 접속하는 기술이 크게 발전하고 있다. 이 기술은 곤충의 성충이 아니라 번데기의 단계에서 전자회로를 내장하는 방법이다. 곤충은 성장 과정에서 유충-번데기-성충의 단계를 거친다. 변태 단계에서는 생체 조직의 대부분이 새로 재생된다. 이 때문에 번데기 상태에서는 조직을 다소 파괴하더라도 성충이 되는 과정에서 생체 조직이 재생하여 상처를 회복시킨다. 또한 내장된 전자회로를 자기 조직의 일부인 것처럼 인식하게 된다.

미시건 대학의 연구팀은 딱정벌레를 사용하여 비행 제어를 연구하고 있는데, 성충에게 전극 프로브와 실리콘 칩을 내장하면 3일 이내에 죽지만 번데기 상태에서 이식하면 생존 확률이 크게 상승한다고 발표하였다. 가령, 뇌에 전극 프로브를 내장한 경우의 생존율은 약 82%이며 평균 수명은 21일이라는 연구 결과를 얻었다. 이러한 내장 작업에는 최적의 시기가 있다. 코넬 대학의 연구팀은 나방의 일종을 이용하여 연구를 진행하고 있는 데, 번데기의 단계에서도 내장 시기가 너무 이르면 생체 조직이 유출되고, 너무 늦으면 조직에 상체를 주기 때문에 생존 확률이 크게 떨어진다고 보고하였다.

각 연구 그룹이 발표한 곤충을 이용한 비행물체의 연구 성과는 다음과 같다. 먼저 코넬 대학의 연구팀은 나방의 번데기에게 전자회로를 접속하였다. 전자회로는 전극 프로브와 전지를 탑재한 기판, 마이크로컨트롤러, LED를 탑재한 프린트 기판으로 구성되어 있다. 전체 크기는 8×7mm, 중량은 500mg이다. 전지의 용량은 16mAh이며 중량은 240mg이다. 나방의 번데기에는 4개의 전극을 가진 프로브가 내장되었다. 나방의 날개를 움직이는 근육은 좌우 대칭으로 크게 네 부분으로 나뉘어 있기 때문에 각각의 근육에 전극을 한 개씩 접속한다. 전극 프로브의 길이는 8mm, 폭은 0.4mm이다. 발표에서는 플렉시블 기판에 제작한 전극 프로브를 나방에 내장하여 케이블로 외부와 접속한 후, 날개의 움직임을 제어하는 모습을 동영상으로 시연하였다. 이 동영상은 다음의 URL에서 직접 볼 수 있다 (http://sonicmems.ece.cornell.edu/publications/movies/MEMS08.wmv).

한편 미시건 대학 연구팀은 딱정벌레를 사용한다. 곤충 중에서는 강력한 비행 능력을 가지고 있는 점이 딱정벌레를 선택한 이유이다. 딱정벌레에게 4개의 전극 프로브가 내장되었다. 전극 한 개는 뇌의 비행능력 영역에, 두 개는 날개를 움직이는 근육에 접속하고 나머지 한 개는 대향 전극으로 등쪽에 삽입되었다. 전자회로는 마이크로컨트롤러와 전지, 백색 LED로 구성되어 있다. 우선 전극 프로브를 내장한 딱정벌레를 케이블로 접속한 상태에서 날개의 움직임을 제어할 수 있음을 확인하였다. 그리고 마이크로컨트롤러에 프로그램을 저장하여 케이블 없이도 이륙과 착륙, 좌우 선회 등의 다양한 비행 동작을 할 수 있음을 시연하였다. 사용한 콘트롤러의 소비전력은 250uW이며 연속 31시간의 비행이 제어 가능하다고 한다. 미시건 대학의 연구팀은 이를 [Cyborg Beetle]이라고 부른다.

이러한 연구들은 마치 공상과학영화에서 곤충 모양의 로봇이 감시 임무나 자체 무기 임무를 수행하는 것을 연상시키는 대목이다. 이번 MEMS2008에서는 이 밖에도 콘텍트 렌즈 위에 LED 등을 배선과 함께 형성하여 초소형 디스플레이의 실현을 목표로 한 워싱턴 대학의 발표[GTB2008010496]와, 인공 망막의 정보를 추출하기 위한 RFID를 토끼의 눈 안에 내장한 Caltech의 연구 등이 소개되었다. 이처럼 MEMS 기술을 이용하여 전자부품 또는 전자회로 모듈을 생체에 이식하거나 접속하는 기술이 향후 일렉트로닉스 응용 연구에 중요한 부분이 될 전망이다[작성자].

자료출처 : KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』

자료제공 : 농업생물부 곤충산업과 생리생태연구실(031-290-8480)

출처 : 국립농업과학원

글쓴이 : 국립농업과학원 원글보기

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