College Of Engineering
서울공대 이야기

MEMS 기술에 기초한 동력기관의 개발

2004.07.15 06:58

lee496 조회 수:4751

 

MEMS  기술에 기초한 동력기관의 개발


송성진 

서울대학교 공과대학 기계항공공학부 교수


1987년 버클리 대학(UC Berkeley)에서 초소형 모터에 관하여 발표한 이래, MEMS 기술에 기초한 실질적인 마이크로 단위의 기계-전자 시스템 개발이 시작되었고, 지난 10 여년 동안 MEMS 기술은 자동차로부터 전자, 가전, 정보, 통신, 바이오, 항공 우주에 이르기까지 거의 모든 산업 분야에 걸쳐 적용 범위가 확대되었다. 최근 들어 각종 휴대용 전자기기의 사용 빈도가 높아지고, 초소형 비행체(MAV) 등에 대한 관심이 높아지면서 “초소형 에너지 발생장치”라는 새로운 MEMS 기술 분야가 등장하였다.


이를 위해 현재 미국의 MIT에서는 국방연구소(Army Research Office), DARPA(Defence Advanced Research Projects Agency), NASA 등의 지원을 받아 1㎤보다 작은 10~100W 급 초소형 가스터빈 엔진을 설계, 제작하기 위한 대규모 연구가 진행되고 있다. 이 초소형 가스터빈 엔진을 이용하면 발전기나 추력기의 개발이 가능할 것으로 생각되며, 현재 약 100만rpm으로 터빈을 돌리는데 성공하였다. 버클리 대학에서는 기존의 반켈(Wankel) 엔진을 소형화시키는 연구를 진행 중이며, 또한 MEMS 기술을 이용한 초소형 로켓을 개발하고 있다. Caltech에서는 1㎏급 이하의 초소형 위성체의 자세 제어를 위한 초소형 추력기의 개발이 진행 중이다.


이들 연구는 모두 반도체 생산공정에 의한 대량생산 방식을 통하여 생산비를 절감하고, 기존 배터리 시스템에 비해 월등히 에너지 밀도가 높은 탄화수소계 연료를 이용한다는 사실에 기반을 두고 있다. 하지만, MEMS 기술에 기반을 둔 “마이크로 파워시스템”에서는 기존의 동력 시스템과는 다른 길이의 단위, 형상, 재료 등을 사용하기 때문에, 새로운 설계 및 제작 기술과 평가 기술이 반드시 뒷받침되어야 한다. 예를 들어 마이크론 단위의 미세 채널 내에서 유동을 해석하여 새로운 공력학적 설계 기술을 개발해야 하고, 유동장의 해석 및 측정 기술을 만들어내야 한다. 특히 다른 MEMS와는 달리 고형상비를 갖추거나 또는 웨이퍼를 관통식각하는 기술이 필요하므로 DRIE 공정 기술이 개발되어야 하며, 여러 장의 웨이퍼를 이용하여 3차원 구조물을 만들어야 하기 때문에 aligned wafer bonding 기술 등이 매우 중요하다.


국내에서는 1995년 G7프로젝트가 시작된 이래, 다양한 MEMS 관련 기술을 연구하기 시작하여 현재 MEMS 관련 연구기관의 수가 증가 추세에 있다. 하지만 대부분의 국내 연구기관은 센서 및 엑츄에이터와 관련된 연구를 수행 중이고, MEMS 기술에 기초한 에너지 활용 MEMS 기술이나, 다양한 장치가 복합적으로 구성된 하나의 시스템으로서 MEMS 기술에 관한 연구는 아직도 초기 단계에 머물고 있다.


이에 서울대학교 공과대학에서는 기계항공공학부와 재료공학부의 연구진들로 이루어진 마이크로 파워시스템 연구팀이 현재 MEMS 기술을 이용한 초소형 가스터빈에 관한 연구를 진행하고 있으며 초소형 추력기와 초소형 연료전지 시스템 개발을 시작하였다. 그 중 초소형 가스터빈은 크기가 ㎤단위 이내인 초소형 압축기, 펌프, 터빈, 가스베어링, 각종 미세 채널, 연료 인젝터, 연료 공기 혼합 포트, 연소기 등으로 구성된 초소형 에너지 발생장치로, 화학연료의 연소로부터 에너지를 얻도록 고안되었다. 현재 이를 제작하기 위한 고형상비 식각공정 기술의 개발이 완료되었으며(그림 1), 전체 시스템 개발의 전 단계로서 초소형 터빈과 연소기를 각각 설계, 제작하여 테스트 중이다. 터빈의 경우 로터의 반지름은 2㎜, 높이 0.2㎜ 이며, 로터 블레이드와 가이드 베인의 개수는 각각 24개, 31개씩이다(그림 2). 로터를 포함하여 총 5개의 실리콘웨이퍼로 구성되어 전체 크기는 이며(그림 3), 이는 외부 패키징 장치를 통하여 성능 평가를 위한 장치들과 연결된다. 또한 연소기의 경우 4장의 웨이퍼를 접합하여 전체 크기는이며, 내부에 연료의 공급을 위한 포트와 인젝터, 공기를 공급하기 위한 포트, 연료와 공기를 혼합하기 위한 혼합포트, 연소실 내부로 연료와 공기가 혼합된 기체를 보내주는 인젝터, 점화를 위한 점화장치와 연소실 등으로 구성되어 있다(그림 4). 터빈 시스템에서는 고속 회전의 영향을 받기 때문에 가스베어링에 의한 운동안정성이 중요한 사항이며, 연소기에서는 연소실의 부피가 매우 작기 때문에 화염안정성 확보를 위한 기술이 중요하다.


마이크로 파워시스템은 이미 크게 형성되어 있는 이동형 전자기기의 배터리 시장을 대체할 수도 있는 장치이며, 초소형 시스템을 개발하는데 필수적인 초소형 구동력의 발생 장치로서 그 성장 가능성이 매우 크다. 또한, 초소형 시스템 구현을 위해 이미 개발되었거나 현재 개발 중인 많은 기술들은 앞으로 보다 효율적인 MEMS 개발에 크게 기여할 것이고 그 결과 우리 생활에도 직접적으로 많은 변화를 줄 수 있을 것이다.

 

그림 1) Wafer 관통식각 (직경20㎛)  -Wafer 두께 500㎛-

 

그림 2) 초소형 터빈의 노즐   가이드베인과 에어 베어링

  

그림 3) 로터와 상․하단  에어베어링 장치

 

 그림 4) 연소기(Wafer 4 장)와  패키징 장치

    

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