이 종 현 (李 鐘 泫)
光州科學技術院 機電工學科
MEMS (MicroElectroMechanical Systems)가 post-electronics를 주도할 혁신적인 시스템 소형화 기술로서 소개된지 15년 정도가 지난 지금, 세계적으로 상용화된 제품으로는 가속도계, 압력 센서, ink jet head, hard disk용 head, projection display, scanner 및 micro fluidics 등이 있다. 마이크로 자이로스코프는 국내에서도 시제품 생산 및 양산화 준비에 돌입한 것으로 알려져 있으며, 향후에도 새로운 영역으로의 도전이 계속될 것으로 예측된다. 최근 MEMS 기술의 새로운 도전 분야로서 두드러진 것 중의 하나는 광통신 기술의 발전과 더불어 더욱 고성능이 요구되는 WDM (Wavelength Division Multiplexing) 광통신용 부품 기술이다.
WDM 분야는 획기적인 기술 개발과 표준화로 현재는 2.5-10Gbps x 16-32ch. 이상의 광통신 시스템이 운용되고 있어서 전송속도는 많이 높아져 있는 상태이다. 이제는 network의 원활한 운영에 관한 연구가 필요한 시기이며, 구체적인 예로, provisioning과 restoring 기능이 핵심 물리계층인 optical layer에서 이루어지는 OXC (Optical Cross Connect) 시스템의 역할이 더욱 중요해지고 있다[1]. 여기에 응용 가능한 대용량 광스위치 기술로서는 현재 MEMS actuator로 구동되는 미소 거울 (micro mirror) 기술이 유일한 대안으로 제시되고 있다[2]. 그밖에 wavelength-selectable add/drop multiplexer[3], gain-equalizer, 파장가변형 laser 등의 고성능화를 위하여 MEMS 기술을 이용한 광스위치, 가변 광감쇠기 (VOA: Variable Optical Attenuator) 및 가변 광필터 (tunable optical filter) 등의 수동 소자가 많이 응용되고 있다.
본 고에서는 위와 같이 광통신 분야의 시장 진입을 시도하고 있는 MEMS 부품의 기술 동향과 실제로 적용된 예를 살펴보고자 한다. 이와 함께 향후 연구 개발의 기본 자료로 활용할 수 있도록 관련 시장 및 산업계의 현황을 분석한다.
II. MEMS형 광스위칭 기술 분석 MEMS 기술을 이용한 광스위치의 구조는 그림1 (a)-(d)과 같이 pass/drop, bypass, NxN 2-dim digital, NxN 3-dim analog 스위치의 4가지로 나눌 수 있으며, 1xN는 NxN과 구조가 유사하므로 여기에 포함시켜 생각한다. 각 방법은 입력 및 출력 광 화이버(fiber)의 갯수에 따라 구조가 변화된 것으로, 응용 광모듈의 특성과도 밀접한 관계를 가진다.
<그림 1.1>MEMS 기술을 이용한 광스위치의 구조, (a) pass/drop, (b) 2x2 bypass, (c) NxN 2-dim digital, (d) NxN 3-dim analog의 2가지 형태.
MEMS형 광스위치에서 빛의 방향을 변화시키는 스위칭의 원리는 대부분 금속이 증착된 미소 반사경의 구동 기술을 사용하며[6], 다중반사 현상을 응용한 MARS (Mechanical Anti-Reflection Switch) 기술을 사용하는 경우도 있다. 반사경의 정밀한 이동을 위한 구동구조체 (actuator)는 같은 기판 위에 만들어진 후 희생층의 제거를 통하여 만들어지며[7], 구동력으로는 정전력, 전자력 및 열 (thermal) 방식 등이 이용된다.
먼저, 정전력 방식은 구동력은 작으나 재현성 및 차폐효과가 우수하여 가장 많이 사용되고 있으며, 현재 angstrom 단위까지 제어가 가능하여 양산에서 제일 적합한 구동방법으로 고려되고 있다. 전자력 (electromagnetic force)을 이용하는 방법은 선형적으로 큰 힘을 낼 수 있는 반면, 제작이 어렵고 hysteresis 특성이 있다는 단점이 있으며, 특히 외부로부터의 차폐가 어려워 잘 이용되지 않는다. 열구동 방식은 bubble jet 또는 열탄성 (thermoelastic)의 원리를 이용한 것으로 소모 전력이 크다는 문제점이 있으나, latch-up 구동을 통하여 어느 정도 이를 해소할 수 있다[6].이하 본 장에서는 MEMS형 광스위치의 구조에 따른 기술 동향과 응용에 대하여 자세히 살펴 본다.
이 스위치는 광신호를 다른 화이버로 그대로 전달하거나 또는 같은 화이버로 되돌리는 기능을 가지고 있으며, SONET과 metropolitan WDM 시스템에서 network reconfiguration이 가능한 파장선택형 (wavelength-selectable) add/drop 모듈의 스위칭 소자로 사용될 수 있다. 작동 원리는 그림 2.1 (a)와 같이 미소 반사경을 평행 이동하거나 그림 2.1 (b)와 같이 기울임으로써 광신호의 방향을 변경할 수 있다. 이 경우에 16개 채널의 간격은 1.6nm였으며, pass 및 drop channel의 손실은 각각 7dB와 12dB, 그리고 pass/drop의 contrast는 15-20dB 정도이다[3].
이 스위치에는 그림 2.2에 보인 바와 같이, 광신호를 서로 어긋나게 보내는 reflection (또는 bypass)와 그대로 진행하는 transmission mode의 2가지가 있다. 이 형태의 2x2 bypass 스위치는 dual ring으로 구성된 network의 FDDI (Fiber Distributed Data Interface)에서 configuration을 재구성할 때 사용되는 부품으로서, 4개의 마이크로 반사경을 사용한다. 그림 2.3에 실제 제작된 소자의 SEM 사진을 보였으며, 스위칭 속도는 1ms이고, collimation lens를 사용하는 경우, 1mm의 거리에서 2.5dB의 손실을 보인다.
그림 2.4는 1개의 반사경을 이용한 2x2 bypass 스위치로서, 그림 2.3의 bypass 광스위치와 동일한 기능을 수행할 수 있는 구조를 가지고 있다[8]. 다만, cross state의 광스위칭에 있어서 반사경의 두께로 인하여 화이버 2, 3번 사이에 offset이 발생한다는 단점이 있다. 이로 인하여 추가적인 1dB의 손실이 발생하며 전체적으로는 최고 2.8dB의 손실 특성을 가진다. 그림 2.5는 그림 2.4의 구조를 실리콘으로 구현한 소자의 SEM 사진으로, 화이버의 간격을 줄임으로써 손실을 최소화하기 위하여 화이버의 끝 부분을 가늘게 가공하였음을 보여준다.
21세기의 도래와 함께 인터넷과 IMT 2000 등 광대역 서비스를 위한 대용량 통신의 필요성이 부각되면서, 이를 위한 물리계층의 WDM 광통신 방식이 급속히 표준화의 자리를 잡아가고 있다. 이와 더불어 전광(all-optical) cross connect 기술이 실험실 수준의 기술로부터 long haul, metro 및 access network 등의 응용영역으로 발전되고 있다. 이에 대한 대표적인 것이 MEMS 기술을 이용한 OXC 스위치 기술로서, 파장, data rate 및 signal format에 의존하지 않아 “optically transparent” 하다는 특성을 가진다.
MEMS형 OXC 스위치의 핵심 요소는 실리콘으로 만들어진 미소 거울 (micromachined mirror) 소자이며, CMOS 공정기술로 제작된 실리콘 구조층에 금속 박막을 입혀 사용한다. OXC 스위치의 주요 기능은 입력 화이버에서 나온 광신호를 collimating lens와 미소 거울을 이용하여 임의의 다른 화이버로 회선을 분배하는 것이며, 전송을 위한 미소 거울의 구조 및 구동 원리에 따라 다음의 2가지 종류로 나뉜다. 첫번째는, 입력 및 출력 화이버의 갯수를 각각 N개라고 할 때, 그림 1 (D)의 왼쪽과 같이, 2차원으로 배열된 N2개의 미소 거울을 on/off의 digital로 구동하여 임의의 입력 화이버로 부터 임의의 출력 화이버로 광신호를 연결하는 방법이다[2]. 다른 하나는 그림 1 (D)의 오른쪽과 같이, N개의 반사경 2set을 analog 방식으로 구동하여 N개의 2차원 위치를 맞춤으로써 3차원으로 광신호를 전달하는 과정을 이용한다[9].
이러한 기술을 연구하고 있는 기관으로는 Lucent, Xros, HP 및 NTT 등이 있으며, 여기에서는 MEMS형 OXC 스위치 기술 분석과 함께 관련 기술동향을 파악하고자 한다.
먼저, AT&T에서는 그림 2.6에 보인 바와 같이, 3-poly 이상의 실리콘 표면가공 (surface micromachining) 기술로 제작된 미소 거울을 SDA (Scratched Drive Actuator)를 이용하여 수직으로 세움으로써 광경로를 변환하는 방법을 사용한다[2]. 이와 같은 digital 구동 방식은 dynamic add/drop, 1xN 스위치 및 customized mirror configuration을 chip위에서 간단하게 구현할 수 있다는 장점이 있으나, 2차원의 광로 (optical path) 때문에 scaling up에는 한계가 있다. 즉, port 수에 비례하여 광 경로가 커지므로 collimator와 반사경의 정렬 오차에 대한 규격이 매우 엄격해지며, 그림 2.7에 보인 바와 같이, 6dB 정도 삽입 손실을 기준으로 할 때 단일 chip으로는 32port가 최대일 것으로 판단된다. 2차원 digital 구동 방식에서 발생하는 삽입손실의 주요 원인은 collimating lens의 coupling loss, Gaussian beam 전파에 따른 발산, 반사경의 각도 오차 등에 기인하며, 현재까지 16x16 스위치에서 4dB 이하의 삽입 손실을 보이고 있다.
이 방법은 100볼트, 500MHz의 구동전압이 필요하며, 또한 거울의 위치 및 각도 오차가 광 경로에 큰 영향을 주기 때문에 정확한 위치 결정을 위한 피드백(feedback) 제어가 필요하다.
이와 함께, 2차원 반사경의 on/off 개념과 동일하나, 반사경의 구조 및 구동 방법이 전혀 다른 연구도 진행되고 있다. 그림 2.8과 같이, HP (현재의 Agilent)와 NTT에서는 micro channel 안에 유체를 밀어 넣었을 때 굴절율이 정합되어 광이 투과하는 스위치를 구현하였다[10]. 반대로 기포부분이 들어오면 전반사를 일으켜 광신호는 투과하지 못하고 다른 waveguide로 전달된다. HP의 스위치는 bubble inkjet와 같은 원리로 구동되며, trench당 0.1dB, 화이버 사이에는 3.2dB, 그리고 32x32에서는 6dB 이상의 삽입 손실이 예측된다. 그림 2.9에 4x4의 matrix bubble 스위치의 구조를 보였으며, 이 방법은 마찰 구동이 아닌 유체의 이동이므로, 마모로 인한 성능의 열화는 적을 것이나 삽입 손실 증가 및 제작의 어려움이 예상된다.
그림 2.10에 대용량 OXC 스위치로 사용하기 위하여 Lucent (현재는 Agere systems)에서 개발하고 있는 3차원 matrix 스위치의 전체적인 구조를 보였다[11]. 이 소자의 작동 방법은 미소 반사경을 이용하여 광경로를 변경시킨다는 면에서 2차원 digital 방식과 그 원리가 매우 유사하나, 필요한 거울수가 2N개로서 port 수가 많아질수록 제어해야 하는 반사경의 수가 현격하게 줄어든다. 그림 2.11에 보인 바와 같이 이 방법은 2개의 gimbal에 연결된 N개의 반사경 array 2set으로 구성되어 있으며, 임의의 신호 전달을 위해서는 각 거울이 2차원으로 N개의 위치제어가 가능하여야 한다.
반면에 이 방식은 scale up에 따라 광경로의 차이가 크지 않다는 장점이 있어서, 1000개 이상의 port를 가진 OXC 스위치의 경우에도 높은 uniformity로 인하여 6dB 이하의 삽입 손실이 예상된다. 그러나 long term의 안정한 구동을 위해서는 closed loop 제어의 analog 구동과 함께 3차원 alignment 기술 개발이 뒤따라야 한다.
한편, Xros에서도 2000년에 3차원 analog 방식의 OXC 스위치 기술을 개발 중이라고 발표하였다[12]. Lucent 기술과의 차이는, 그림 1 (d)의 오른쪽에 보인 바와 같이, N개의 반사경으로 이루어진 2개의 반사경 set이 같은 평면 위에 있지 않다는 점이다. 따라서 별개의 reflector를 필요로 하지 않는 대신, 반사경의 정렬이 상대적으로 어려워진다는 단점이 있다. 표 2.1은 해당 OXC 스위치에 대한 목표 규격으로, 스위칭 용량에 비하여 삽입 손실이 상당히 작다는 특징이 있다.
| soecifications | typical | max. |
|---|---|---|
| switching speed | < 2.5 ms | < 5ms |
| insertion | < 1.8dB | < 3.0 dB |
| crosstalk | < -60 dB | < -55 dB |
| uniformity | 0.2 dB | 0.5 dB |
| back reflections | < -55 dB | < 0.15 dB |
| PDL | < 0.1 dB | < 0.15 dB |
| PDL uniformity | < 0.05 dB | < 0.1 dB |
Fiber-optic network에서source power와광증폭율의불균일성으로인하여광신호의크기가일정하지않을경우, 검출기의포화또는채널사이의crosstalk문제로인한전송신호의오차가발생할수있다. 이문제를해결하기위하여광감쇠기가필요하며, MEMS 기술을이용한가변형소자는knife edge의위치를정밀하게조절하여광신호의크기를제어하는방법을이용한다. 그림3.1의광감쇠기는정전형(electrostatic) comb 구동기를이용한것으로, 광스위칭에서많이사용되는미소반사경기술의연장선상에있는기술을사용하였다. 여기서knife edge가광축과8°기울어지게하여-37dB의작은backreflection을얻었으며, 또한삽입손실과최대감쇠량은각각1.5dB와-57dB의특성을보인다[13].
이와는달리MARS 개념을이용한VOA 기술들도최근보고되고있다. 그림3.2는다중반사를응용한VOA의원리를설명한것으로, 평판형의air gap 간격을조절함으로써최대31dB까지의감쇠를얻고있다[14]. 그림3.3에는X자형태의VOA 소자와함께세라믹sleeve에패키징된외형을보였다. 성능은그림3.4에나타내었으며, 전체삽입손실은1550nm에서3dB, PDL (Polarization Dependent Loss)은0.06dB 이하이다. 반응속도는1.1-2.8 us로서비교적빠른편이지만, 파장에따라다른입력전압을사용해야한다는단점이있다. 이와같은다중반사의파장선택성은다음장에서설명할예정인광필터의작동원리로도이용될수있다. 그밖에여러개의미소반사경을이용한programmable 광감쇠기에대한연구도진행되고있다.
파장가변형필터및레이저기술은WDM 광통신의핵심요소기술이나, 기존의방법에서는5-8nm의선폭에머무르고있는실정이다. 최근그림4.1에보인FP (Fabry-Perot) 간섭을응용한MEMS형광필터가개발되어, 보다좁은선폭과넓은파장의가변특성을보이고있다.
그림4.2는air bridge 형태의파장가변형광필터의구조를보인것으로, 높은성능을얻기위하여99.65% 이상의반사율이가능한1/4 파장의박막stack으로구성되어있다[15]. 사용된DBR (distributed Bragg Mirror) 구조의재료는AlAs(AlOx)-GaAlAs이며, 선폭0.5nm에서파장가변범위가59nm에이른다. 필터에서의삽입손실을줄이기위하여half symmetry의dome 구조를사용하는경우, 그값을1dB 이내로유지할수있다.
보다효율적인광필터특성을얻기위한구조로서, 2개의DBR 반사경을사용하고, 파장가변을위하여그간격을조절하는방법도고려할수있다. 그림4.3은InP-air의DBR 반사경을이용한광필터의구조를보인것으로, 박막의stack 구조에비하여파장가변에대한효율성이많이개선된다는특징이있다[16]. 실제로그림4.2에서는59nm의파장가변에대하여40V의입력전압이필요한반면, InP-air의DBR 구조로제작된그림4.4의경우에는0.6 nm 선폭과62nm의파장가변범위에있어서14V의입력전압을사용한다.
이상의2가지방법은광화이버가기판면에수직으로위치해야하기때문에패키징이어렵다는단점을가진다. 따라서양산을위해서는DBR 반사경을기판에수직으로만들거나또는45°반사경을추가할필요가있으며, 또한박막의불안정한거동문제가해결되어야한다. 그밖에modulator, dispersion compensator, delay line, 파장가변형laser, active alignment[17] 등MEMS 기술의다른응용예가많이있으나지면관계상본고에서는생략하도록한다.
MEMS 시장은, NEXUS에서1998년에조사한바에의하면폭넓은분야에서300억불정도인것으로보고하고있으며, enabling technology로서관련시장을확대할경우, 훨씬큰시장규모를예상할수있다. 1999년의SPC interview에서는MEMS형광스위치만의시장이1996년에0.13억불에불과하였지만, 2003년에는8백만개의수요가발생하여시장이5.63억불에이를것으로전망하고있다. 한편, Electronic Cast는일반적인광스위치시장에대하여2000년에3.08억, 그리고2010년에는160억불을예측하고있으며, 다른광부품을포함할경우훨씬큰시장을예측할수있다.
이와같이MEMS 부품전체로볼때는air bag, ink jet, pressure sensor 및read/write head 분야가2/3 이상의시장을차지하지만, 광통신분야는대부분end user를대상으로하지않기때문에, 상대적으로시장이작다고할수있다. 그러나현재광통신분야의기술발전및실제시장은낙관적인예측보다도항상빠르게성장하는것이확인된다. 또한시장의성장률이연40-60%로서, 다른분야에비하여상당히높다는데주의를기울일필요가있다.
먼저, 일반적인MEMS 기술의연구동향을살펴보면, 미국의경우, DARPA를중심으로연구개발이이루어지고있으며, 정보통신및biomedical용부품의양산연구에집중되어있다. 반면에, 유럽은연구기관을중심으로중견기업들의콘소시엄을통한연구개발이대부분이며, 일본은MITI, Micro machine center를중심으로한대기업들이기본제작공정과관련된기술을충실하게개발해오고있다.
MEMS 기술을이용한광통신부품의경우에는, 99년이후의OFC (Optical Fiber Comm. Conference)에서알수있듯이, 별도의MEMS session은물론, hot issue로서tutorial을제공하고있다. 이는기존의광통신부품분야에서MEMS 기술의중요성을인식하고있기때문이며, AT&T 등광통신관련대기업에서도많은연구개발이진행되고있다.
국내에서는MEMS 기술에대하여G7 초소형정밀기계기술개발사업과New Frontier의지능형마이크로시스템사업이진행되고있지만, 광통신과관련해서는G7 사업에서광송수신및OXC 부품에대한연구가진행되고있을뿐이다. ETRI에서도일부광부품에대한연구를수행하고있지만, 소규모의과제로진행중이어서전체적으로광부품에대한국내의연구개발은미약하다고볼수있다. 반면에현재까지는광논리소자가충분히개발되지않았기때문에, 광부품의특성이광통신시스템의성능에영향을준다는것을생각할때, 향후, 국내의광통신시스템연구및이의상업화에필수적인광부품에대해서는보다적극적인연구개발이요구된다.
MEMS 광부품은스위치, 감쇠기및필터등초기의소자연구단계에서, 이제는OXC 스위치, add/drop,active equalizer 등보다상품가치가높은모듈개념의연구단계로넘어가고있다. 이와같이MEMS 기술의가능성이높아짐에따라, 많은업체들이우후죽순으로생겨나고있다.먼저, 미국을살펴보면, Cronos는MEMS 제작을폴리실리콘공정으로표준화한MCNC에서분리된회사로서, pop-up/rotation mirror를이용한3-dim fiber aligner를개발하였다. 또한OMM (Optical Micro Machine Inc.)에서는4x4, 8x8, 16x16의2-dim 광스위치를개발하여, 현재NTONC의network node에현장시험을진행중이며, Xros에서도OXC용대용량광스위치기술을개발중이다. 그밖에Coretek, ONIX, InLight Bandwidth9 및IMMI에서도파장가변형laser, 광스위치, 파장가변형필터등을개발중이거나시판을하고있다. 이상의Optical MEMS 관련중소기업들의상당수는Lucent, Nortel, JDS, Alcatel 및Cisco 등과합병, 자회사또는투자의관계를유지하고있다.
그밖에, 스코트랜드의Kymata에서는OXC 스위치와VOA를silica로구현하였고, 영국의Ilostron은petabit 광통신용MEMS 기술을개발할예정이며, 프랑스의MEMSCAP과TRONIC’S도최근투자를받아통신용MEMS 기술을개발중인것으로알려져있다.우리나라의경우는, 지난2월초에전국시·군·읍·면단위까지광케이블로연결하는‘정보고속도로’를2년이나앞당겨완공하였으며, 전국144개의모든통화권역에155Mbps~5Gbps 초고속광케이블망과초고속교환기(ATM)를설치하여, 21세기지식정보강국으로도약할수있는기반을마련하였다. 또한광주지역이광산업특화지역으로선정되면서집중적으로광부품산업을육성할계획을가지고있다. 이와함께정보통신부에서는16-32 채널의1.3Tbps용128x128 OXC 시스템은물론여기에필요한MEMS형광통신부품에대한연구개발을추진중이다.
광부품생산에대해서는LD, PD 및관련모듈과polymer AWG 소자를일부기업에서생산중이거나양산준비단계에있으며, 그외에고정형광감쇠기, 분파기및connector 등을제작하는다수의중소기업들이있다. 현재MEMS 기술을연구하는대기업은많은부분을광부품개발에할애하고있으나, 아직은MEMS형광부품생산은거의없는상태이다. 그러나, 선진국의연구비투자및기술발전속도를살펴볼때, 이제는광통신기술의상용화에따른시장형성과부품성격에맞추어대기업과중소기업의균형적인산업화가적극적으로필요한시기로판단된다.
론을대신해서, 광통신부품분야에서MEMS 기술의상용화를위하여고려해야할몇가지사항을검토하기로한다.먼저, MEMS 기술은아직개척분야이므로, 창의성을발휘하여, 소자의구조는물론제작방법에있어서도충분히특허를취득할수있다. 따라서연구개발을시작하기전에patent map 작성을통하여기존기술에대한충분한사전검토를거쳐야할것이다. 향후에는지적재산권보호압력이세계적으로더욱거세질것으로예상되며, 이에따라기술료의법적기준도상향조절될가능성에대비하여야한다.
두번째로, 광부품을사용하는시스템개발자들이가장우려하는점은소자의안정성이다. MEMS 연구자들은기계적구성요소의일부가움직이는데도불구하고본질적으로성능과안정성면에서우수하다는것을인식하고있지만, 현재까지충분한검증이이루어지지않은상태이다[9]. MEMS는신기술인반면, 시스템개발자는일반적으로보수적이기때문에, 진동, 열들을고려한안정성설계와함께충분한실험data를제시할수있어야한다.
세번째로는, MEMS 부품이외부환경에민감한특성이있어hermetic sealing의패키징이필요하며, 이로인한가격상승이상용화의걸림돌이될수있다. 전자소자에서도많은비용이패키징에사용되고있으며, 광부품에서도그이상소요될것으로예상된다. 이문제는회로가포함된패키지및microassembly 기술개발과함께광부품의종류에따른표준화가이루어져야해결될것이다.
마지막으로양산기술면에서보면, MEMS형광부품을빠른시간안에안정적으로제작하기위해서는표준공정이확립된생산시설이있어야한다. 현재국내에는정부의지원을받아관련연구시설이운영되고있으며, 연구개발을위한MEMS 공정이제공되고있다. 그러나양산의준비단계에서보면더욱체계적인total solution이제공되어야하며, 특히중소기업에서요구하는수만개까지의부품을기술보안이유지된상태에서제작해줄수있는시설이절대적으로필요하다. 양산에필요한또하나의기술이test 장비기술이며, 특히대용량OXC 스위치의경우는이의자동화를통하여수시간이내로시험을완료할수있어야한다.
