1. 서 론

세라믹은 무기, 비금속 재료를 아우르는 광범위한 물질이다. 그 중 전기 세라믹 재료는 압전체, 절연체, 커패시터, 열전체, 광전체 등의 다양한 응용분야에 사용된다. 특히, 본 기고문에서 다루게 될 압전 세라믹은 전기적 에너지를 기계적 에너지 혹은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환 할 수 있는 특이성을 가지고 있어 많은 소자 및 액츄에이터 제작에 사용되고 있다.
압전현상은 1880년도 Pierre와 Jacques Curie 형제에 의해 석영과 토르말린에서 발견되었다. 석영에 전기장을 인가하게 되면 이 전기장이 물질의 쌍극자를 재 배열 시키게 되고 쌍극자가 재 배열될 때 물질의 두께가 바뀌게 되는 원리로 압전효과가 발생하는 것이다. 하지만, 석영이나 토르말린과 같이 자연적으로 압전 특성을 가지는 물질들은 실제 센서와 액츄에이터 설계에 드물게 사용되고 있다. 이는 낮은 압전특성으로 인하여 충분한 소자의 성능을 구현하기 어렵기 때문이다. 따라서, 고성능의 소자를 제작하기 위해서는 높은 압전특성을 가지는 압전물질의 개발이 필수 적이며, 목적에 따라 높은 Curie 온도를 가지는 물질의 개발이 필요할 수 있다. 이러한 목적으로 압전현상의 발견 후 Lithium Niobate(LiNb2O6), Barium Titanate(BaTiO3), Lead Zirconate Titanate(Pb(Zr, Ti)O3 또는 PZT) 등의 인공압전 물질 개발이 활발히 이루어졌으며, 많은 센서 및 액츄에이터 개발에 사용되고 있다. 특히, 압전물질의 특이성으로 인해 물리적, 음향적 외부 스트레스를 전기에너지로의 전환이 가능하여 초음파 트랜스듀서, 인공와우(artificial cochlea), 에너지 하베스터(energy harvester), 가속도 센서, 마이크로 액츄에이터, 소나(sonar), 초음파 거리센서, 유량센서, 그리고 바이오센서 등의 제작에 사용되고 있다. 아래의 표 1은 대표적인 압전 물질들의 압전 상수를 나열해 놓은 것이다[1].
전자 소자 혹은 기계 부품은 전자·기계 시스템 제작에 사용되는 기능을 가진 가장 작은 요소이며 특정한 목적의 제품을 만들 때 선행적으로 연구되어야 하는 기본 단위로 볼 수 있다. 최근 소자/부품의 연구 동향은 많은 경우 소형화/정밀화의 추세를 따르고 있다. 소자/부품의 소형화는 단순한 제품의 크기를 줄일 뿐만 아니라, 제품의 정밀화, 저전력화, 고성능화, 집적화, 대량생산, 원자재 가격 등의 측면에서 많은 장점들을 가지고 있다.
이러한 연구 동향에 발 맞추어 1987년도 미세전자기계시스템(micro electro mechanical system, MEMS)공정 기술이 소개 되었고, 이후 반도체 산업의 눈부신 발전과 더불어 MEMS기술역시 급격히 발전했으며 앞으로도 많은 산업적 혁신을 이루어 낼 수 있는 기술로 평가된다.
압전재료의 개발과 미세공정의 발달은 초음파 트랜스듀서의 발달에도 영향을 주었다. 기존의 초음파 트랜스듀서는 벌크 압전 세라믹을 절단하여 제작하게 되는데 이는 10 MHz 이상의 초음파를 발생시키는 트랜스듀서 어레이 제작이 어려운 한계점이 있으며, 대량생산에 불리한 단점이 있었다[2]. 한편, MEMS기술 기반으로 제작되는 압전 박막 초음파 트랜스듀서는 그 성능적 측면에서 여전히 많은 개선이 필요하나, 벌크 세라믹의 단점들을 극복 할 수 있는 후보군으로 평가되고 있다[3].
본 리뷰 원고에서는 벌크 세라믹 트랜스듀서의 한계점을 극복하기 위한 미세가공에 기반을 둔 초소형 초음파 트랜스듀서(piezoelectric micromachined ultrasonic transducer, pMUT)의 제작법, 인공기저막(acoustic basilar membrane, ABM), 압전소자의 응용 및 산업/연구동향에 관하여 기술하고자 한다.

2. MEMS 기술을 이용한 압전 초음파 트랜스듀서

압전 초음파 트랜스듀서는 20 kHz이상의 가청주파수를 넘어선 음파를 발생/센싱 하는 소자로 초음파 이미징시스템 뿐 만 아니라, 거리센서, 비파괴검사, 치료용 초음파 의료기, 유량센서, 혈류량 측정기 등 그 활용분야가 무궁무진하다. 압전 초음파 트랜스듀서는 크게 벌크 세라믹을 기계적으로 가공하여 제작되는 벌크 세라믹 초음파 트랜스듀서와 MEMS 공정을 사용하여 제작되는 pMUT으로 나눌 수 있다. 아래 그림 1은 기계가공으로 제작되는 초음파 트랜스듀서와 MEMS 공정 기술로 제작되는 초음파 트랜스듀서의 개략도를 나타낸 것이다[4].
단일 초음파 트랜스듀서는 초음파의 상하(eleva-tion angle)/좌우(azimuth angle)로의 전기적 방향조절이 불가능 하므로 그 응용분야가 매우 한정적이다. 하지만, 초음파 트랜스듀서 어레이는 초음파의 전기적 방향조절이 가능하므로 많은 응용분야에 이용될 수 있다. 초음파 트랜스듀서 어레이는 크게 linear sequential array, curvilinear array, linear phased array, annular array, 1.5-D array, 2-D phased array 등으로 나눌 수 있으며 전기적 빔포밍으로 상하/좌우 방향으로 초음파 방향조절이 가능한 어레이는 2-D phased array가 유일하다. 하지만, 2-D phased array는 신호 처리의 복잡성과 신호 라인의 증가로 인한 시스템의 크기증가, 채널 간의 상호 간섭 등의 문제를 가지고 있다[5].
2-D phased 어레이는 모든 단일 초음파 트랜스듀서에 신호선을 연결하여 초음파를 발생/센싱 하는 구조(fully addressed 2-D array)로 설계하는 법과 각 행과 열이 겹치는 부분만 자극하는 열-행 접근법(row-column addressing) 방식이 있다. 그림 2는 열-행 접근법으로 설계된 2-D pMUT array의 개략도를 나타낸 것이다 [4]. 2-D 초음파 트랜스듀서 어레이를 열-행 접근법으로 제작함으로써 신호선의 숫자를 비약적으로 줄일 수 있다. 예를 들면, 모든 단일 초음파 트랜스듀서에 신호선을 연결하는 방식(fully addressed 2-D array)의 경우 32 x 32 어레이는 최소 1024개의 신호선을 요구하는 반면 열-행 접근법으로 설계된 초음파 트랜스듀서 어레이는 64개의 신호선으로 2-D 어레이의 구현이 가능하다[6]. 하지만, 열-행 접근법으로 설계된 초음파 트랜스듀서는 트랜스듀서간의 상호간섭으로 인해 잡음이 발생하는 단점이 있으며 이 단점은 연구를 통한 개선이 필요한 부분이다[6].
열-행 접근법으로 설계되는 2차원 pMUT어레이는 공정적인 측면에서 어려움이 따를 수 있다. sol-gel 방식으로 코팅된 PZT의 경우 하부전극이 패터닝 된 후 코팅하게 되면 균일하지 않은 기반층으로 인하여 고르게 코팅될 수 없다. 이러한 이유에서 하부 전극의 패터닝은 PZT의 패터닝 후 이루어져야 하며, 따라서 상부전극, PZT, 하부전극의 순서로 식각하여야 한다. 2차원 pMUT 어레이는 그림 3에서 보는 것과 같이 하부전극을 식각하는 동안 횡 방향(lateral direction)으로 연결된 상부전극들이 끊어지게 되며 이를 다시 연결하기 위해 메탈 브릿지 공정이 개발되었다[4]. 메탈 브릿지 공정은 공정프로세스 상에서 끊어지는 상부전극을 다시 연결해줄 뿐만 아니라, pMUT의 액티브 영역 외의 연결에서 발생하는 기생커패시턴스(parasitic capacitance)를 제거해 줌으로써 초음파 트랜스듀서의 성능을 향상 시킬 수 있다.
그림 4는 제작된 pMUT 어레이의 사진과 어레이 내의 단일 pMUT의 단면도를 나타낸 것이다[4]. 32 x 32 pMUT어레이의 하부 전극은 종 방향(vertical direction)으로 연결되어 있으며, 상부전극은 횡 방향으로 연결되어 있다. 제작된 32 x 32 pMUT 어레이는 약 4.8 x 4.8 mm의 크기를 가진다.
그림 5는 2-D pMUT 어레이의 단일 초음파 트랜스듀서를 멤브레인 공진주파수인 2.2 MHz의 5 Vpp sin wave로 자극하였을 때 수중에서 발생한 초음파의 강도를 영상화 한 것이다 [4]. 초음파 트랜스듀서에서 4 mm떨어진 곳에서의 spatial peak temporal average intensity(ISPTA)는 최고 4.6 mW/cm2를 얻을 수 있었다. 초음파 강도는 4 mm인 곳부터 측정이 되었는데, 이는 초음파 측정을 위해 만든 시스템 패키지로 인하여 하이드로폰(hydrophone)이 최대 4 mm까지 접근 할 수 있었기 때문이다. 또한, 발생한 초음파 강도가 상대적으로 약한 것을 알 수 있는데, 이는 수중 측정 중 절연을 위하여 초음파 트랜스듀서 표면을 17 μm두께의 polydi-methyl-siloxane(PDMS) 층으로 코팅하였기 때문이다. 이는 약 3 μm정도의 멤브레인 두께에 비해 상대적으로 매우 두꺼우므로 멤브레인의 진동을 방해하여 상당량의 초음파 강도를 감쇄시켰을 것으로 보인다.
그림 6은 32 × 32 어레이에서 9개의 초음파 트랜스듀서에 펄스 신호를 인가하였을 때 발생한 임펄스 응답을 본 것이다 [(row, column): (1, 1), (1, 16), (1, 32), (16, 1), (16, 16), (16, 32), (32, 1), (32, 16), (32, 32)] [4]. 위의 결과로부터 제작된 초음파 트랜스듀서 어레이의 펄스 지속시간(pulse duration)은 1.2 μs 이며 fast Fourier transform(FFT)결과 2.22 MHz의 중심주파수를 가지며, -6 dB 비대역폭은 약 43 %를 가짐을 알 수 있다.

*자세한 내용은 세라믹코리아 2월호에서 확인하실 수 있습니다