AlN 박막 기반 압전 센서 기술 동향

압전 센서는 기계적 압력을 전기적 신호로 변환하는 센서로서 의료, 보안 등의 다양한 산업과 기술 분야에서 응용되고 있다. 특히 질화 알루미늄(AlN: Aluminum nitride)은 기존에 널리 사용되는 PZT(Lead Zirconate Titanate)가 가진 납 성분에 대한 문제를 대체할 수 있는 압전 재료로 대두되고 있다. 또한 AlN 박막은 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 공정과의 호환성을 가지고 있고 극한 환경에서도 압전 특성이 유지된다는 장점을 가진 압전 재료로 평가받고 있다. 



글/ 고려대학교 주병권 교수님 연구실
주병권 (고려대학교 전기전자공학부 교수)
김영일 (고려대학교 전기전자공학부 박사 과정)


목 차

1. 서론
    1-1. 압전 센서의 연구 배경
    1-2. AlN 소재의 특성과 중요성
2. AlN 박막 기반 압전 센서의 기술 동향
    2-1. 박막 제조 기술
    2-2. 센서 응용 기술
        2-2-1. MEMS (Micro Electro Mechanical System) 소자
        2-2-2. 웨어러블 디바이스
        2-2-3. 초음파 센서
3. AlN 박막 기반 압전 센서의 시장 동향
    3-1. 글로벌 시장 규모 및 전망
    3-2. 주요 기업 및 연구 기관 동향
4. AlN 기반 압전 센서의 발전 과제 및 해결 방안
5. 결론
6. 참고 문헌



1. 서론

1-1. 연구 배경 및 목적

압전 센서는 외부 압력, 진동, 변형 등의 기계적 에너지를 전기적 신호로 변환하는 기술로, 의료, 자동차, 전자기기, 웨어러블 디바이스(Wearable device) 등 다양한 분야에서 활용되고 있다[1]. 최근에는 차세대 압전 재료로 질화알루미늄(AlN) 박막이 주목받고 있다. AlN 박막은 우수한 열적 화학적 안정성과 CMOS 공정과의 높은 호환성을 가진다. 이러한 특성은 기존에 사용하던 PZT(납 지르콘산 티탄) 대비 환경 친화적이고 반도체 공정에서의 응용이 용이하다는 장점을 가지고 있다^[2]. 

1-2. AlN 소재의 특성과 중요성

압전 센서는 압전 효과(Piezoelectric Effect)를 이용하여 기계적 변형을 전기적 신호로 변환하는 센서를 의미한다. 
AlN 박막은 높은 유전율과 그로 인한 우수한 절연 특성을 갖고 있고 내열성 및 내 화학성을 가진다. 또한 AlN 박막은 넓은 밴드갭(wide bandgap)을 가진 반도체 소재이다. AlN 박막은 Wurtzite 결정 구조를 가지고 있고 AlN 박막의 (002)면이 높은 c 축 배향성을 가질 경우 우수한 압전 특성을 나타내며^[3], 기존의 압전 재료인 PZT와는 다르게 납을 포함하지 않아 친환경성을 갖고 있다. 고온에서 압전 특성을 잃어버리는 PZT와는 다르게 높은 열 안정성으로 압전 특성을 유지하는 성질을 가진다. 이러한 성질을 가진 AlN 박막은 산업 현장 및 우주 항공 분야에 응용이 가능하다. 또한, 높은 경도와 내구성으로 우수한 기계적 특성을 가진 센서로 구현이 가능하며 350℃ 미만의 낮은 온도에서 증착 가능하여 CMOS 공정과의 호환성을 가진다. 
 

이 보고서에서는 AlN 박막 기반 압전 센서의 기술적 특성, 최신 연구 동향과 시장 전망 및 미래 기술 발전 방향을 분석한다. 이를 통해 AlN 박막 기반 압전 센서의 향후 연구 및 산업에서의 적용 가능성을 제시하고자 한다.

2. AlN 박막 기반 압전센서의 기술 동향

2-1. 박막 제조 기술

AlN 박막은 다양한 공정을 통해 제작될 수 있다. 대표적인 방법으로는 스퍼터링(Sputtering), 분자선 에피택시(MBE: Molecular Beam Epitaxy), 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor deposition), 원자층 증착(ALD: Atomic layer deposition) 등이 있다^[4]. 
 그 중 스퍼터링 공정은 현재 AlN 박막 제조 공정에서 가장 일반적으로 사용된다. 스퍼터링은 고 진공 상태에서 알루미늄 금속 타깃에 아르곤 이온을 충돌시켜 떨어져 나온 알루미늄과 질소가 반응하여 AlN 박막을 형성하는 방식이다. 이 방법은 대면적 웨이퍼에 균일한 박막을 증착할 수 있고 증착 온도가 낮아 CMOS 공정 호환성이 높다. 펄스 DC 스퍼터링 기법을 이용하여 플라즈마 특성을 조절하여 박막의 결정 성장과 c 축배향성, 박막의 밀도 등을 향상시킴으로써 AlN 박막의 압전 성능을 개선할 수 있다^[4].

 

AlN 박막을 얻는 또 다른 증착 공정 방법으로는 분자선 에피택시(MBE), 금속유기 화학 기상 증착(MOCVD), 원자층 증착(ALD) 등이 있다. 분자선 에피택시와 금속유기 화학 기상 증착은 주로 단결정 AlN 박막을 성장시키는 데 쓰이며, 매우 높은 결정 질의 AlN 박막을 얻을 수 있지만 박막 증착 속도가 낮고 증착 장비의 비싼 가격 때문에 MEMS 대량 생산에는 부적합하다. 마지막으로 원자층 증착은 수 나노미터 수준의 두께 제어와 3D 표면에 균일한 두께의 박막을 증착할 수 있다는 장점을 가지며 현재 소자 특정 부위에 선택적으로 AlN 박막을 증착 하거나 매우 얇은 박막을 형성하는 연구에 활용한다^[5]. 

2-2. 센서 응용 기술

2-2-1. MEMS 소자

AlN 박막의 압전 특성은 다양한 분야에서 응용된다. 주요 응용 분야로는 MEMS 기반의 각종 센서 또는 액추에이터, 웨어러블 디바이스, 자동차의 전장 및 의료기기에 이르기까지 다양하다. 

AlN 박막이 응용될 수 있는 MEMS 소자로는 마이크로폰, 가속도 센서, 공진기, 압력센서 등이 있다. 그 중 압전 MEMS 마이크로폰은 정전용량형 MEMS 마이크로폰 대비 저전력을 사용하고 내구성이 더 좋다는 장점을 가진다. 미국 미시건대 Littrell 등의 연구에서는 AlN 박막과 Mo 전극의 이중 구조를 갖는 캔틸레버(cantilever) 구조를 이용한 고감도의 압전 MEMS 마이크로폰을 연구하였고 소자의 잡음 특성을 개선하기 위한 구조 최적화를 수행했다^[6]. 

 

2-2-2. 웨어러블 디바이스

웨어러블 디바이스는 사람의 몸 또는 옷에 부착하여 사용하는 전자 기기로 유연해야 한다. 따라서 웨어러블 디바이스는 PET(Polyethylene terephthalate), PI(Polyimide) 등의 유연 기판 위에 압전 박막을 증착하여 유연한 소자를 제작한다. 이러한 유연 전자 소자를 유연 압전 패치라 하며 AlN 박막이 증착된 유연 압전 패치의 연구가 활발히 이루어지고 있다^[7].

이탈리아의 IIT 연구팀은 PI 기판 위에 2um 이하의 AlN 압전 박막을 증착하여 유연 압전 패치를 제작했다. 이를 목에 부착하여 삼킴 동작을 모니터링할 수 있는 패치를 개발했다. 이 센서는 사람이 음식물을 삼킬 때 발생하는 후두의 미세한 상하 움직임을 전기적 신호로 변환하여 스마트폰에 무선으로 전송이 가능하다. 이러한 유연 압전 패치는 매우 얇고 부드러워서 사용자에게 불편함을 주지 않고 별도의 전원 없이도 구동할 수 있다^[8].

2-2-3. 초음파 센서

의료 및 보안 분야에서는 pMUT(piezoelectric Micromachined Ultrasonic transducer) 기술이 각광받고 있다. 초음파 센서는 초음파를 발생시켜 발생된 신호를 이용하여 대상의 형상, 대상과의 거리 등을 측정할 수 있는 센서로, 이 원리를 이용하여 휴대전화의 지문 센서, 초소형 초음파 거리센서 등에 사용이 가능하다. 지문 센서에 이용된 AlN 박막 기반 pMUT array는 초음파를 이용하여 손가락 지문의 형상과 굴곡, 깊이 등의 3차원 정보를 인식할 수 있어 보안이 뛰어나다^[9].
 

또한 AlN 박막을 이용한 pMUT은 거리 센서로도 이용이 가능하다. pMUT으로부터 발생한 초음파가 물체에 반사되어 다시 센서 방향으로 돌아오면 센서는 반사되어 돌아온 초음파 신호를 감지하고 초음파가 이동한 총 시간을 측정하여 거리를 계산한다.  

3. AlN 박막 기반 압전 센서의 시장 동향 

3-1. 글로벌 시장 규모 및 전망

AlN 박막 기반 압전 센서들이 포함된 스마트 센서 MEMS 시장의 국제 시장 규모는 20년 92.1억 달러에서 2025년 218.5억 달러에 이를 것으로 예상되며 앞으로 더 많은 성장폭을 기록할 것으로 보인다. 그 중 압전 센서의 세계 시장 규모는 2018년 238억 달러였고 그 중 박막형 압전 센서의 시장 규모는 26억 달러로 약 11%의 시장 규모를 차지했다. 2024년에 들어 압전 센서의 세계 시장 규모는 485억 달러로 성장할 것으로 예상했다. 그 중 박막형 압전 센서의 시장 규모는 62억달러로 12.7% 이상 성장할 것으로 예상했다^[10].
 

3-2. 주요 기업 상업화 동향

전 세계의 센서 시장에서 AlN 박막을 기반으로 한 압전 센서들의 상용화가 진행중이다. pMUT을 이용한 초음파 센서부터 MEMS microphone 등의 제품의 상용화가 진행중이며, TDK 사에서는 근거리 거리 측정과 제스쳐 인식 등을 위한 pMUT 기반의 초소형 초음파 ToF(Time-of-flight)센서인 CH101을 상용화했다.

또한 TDK는 Global Foundries와 협력하여 AlN 박막 기반 pMUT을 개발하여 이를 초음파 지문 센서 시스템에 활용하였다^[12]. 과거에는 이러한 초음파 센서에 주로 PZT를 사용했으나 최근에는 환경규제에 대응하고 CMOS 공정과의 호환성을 위해 AlN 박막으로 대체되고 있는 추세이다. pMUT을 이용한 초음파 센서는 차량 및 배터리 내부 모니터링(탑승자 감지, 배터리 상태 불량)이나 산업용 비파괴검사 모듈용 센서 등으로 확대되고 있다. 

 

또한 MEMS 공정을 이용한 초소형 마이크로폰 역시 상용화 단계에 와 있다. 기존의 마이크로폰은 정전용량형 방식이 주류였으나, 최근 압전 방식 MEMS 마이크로폰이 등장하여 차별화된 기능을 제공하고 있다. 대표적으로 미국의 Vesper사가 개발한 AlN 압전 MEMS 마이크로폰이 있다.

Vesper의 마이크로폰은 얇은 AlN 압전 박막을 사용한 캔틸레버 구조로 음압(Sound pressure)을 전기 신호로 변환하는데 사용되는 전원이 거의 없다는 특징을 갖고 있다. 이러한 Vesper 사의 AlN 박막 기반 마이크로폰은 소리가 없을 때는 3 ㎂ 정도의 작은 크기의 전류를 소비하다가 특정 음압 이상의 신호가 들어오면 활성화되어 출력한다. 이러한 기능을 통해 배터리 수명을 획기적으로 늘릴 수 있다는 장점이 있다^[14].
 
4. AlN 기반 압전 센서의 발전 과제 및 해결 방법

AlN 박막 기반 압전 센서의 제작 공정은 일반적인 MEMS 공정을 따른다. MEMS 공정을 이용하여 센서를 제작한 뒤 필요에 따라 패키징을 통해 외부와 전기적으로 연결 또는 보호하는 방법을 사용한다. 그러한 공정 과정 중 기술적 도전 과제가 존재한다. 

첫 번째로는 박막 내부의 잔류 응력에 대한 문제이다. 스퍼터링으로 증착 된 AlN 박막은 잔류 응력을 가지게 된다. 이는 제작된 센서의 형상 구조를 변형하거나 소자의 공진주파수를 변동시키는 요인이 된다^[15]. 

두 번째로는 낮은 AlN 박막의 압전 계수에 대한 문제이다. AlN는 우수한 내열성 및 내화학성을 갖고 있다는 장점이 있지만 PZT에 비해 수십 분의 일의 작은 압전 계수를 갖는다는 단점이 있다. 이를 개선하기 위해 많은 연구가 진행되어 왔다. AlN라는 소재적 한계에 봉착하던 중 스칸듐 알루미늄 나이트라이드(Sc-AlN: Scandium aluminum nitride)가 압전 MEMS 분야에서 두각을 나타내기 시작했다. AlN 박막의 한계를 넘어서기 위해 불순물인 Sc을 도핑하면서 압전 계수의 크기를 4배 이상 향상하였고 Zhang 등은 펄스 DC 마그네트론 스퍼터링으로 Sc0.29Al0.71N 박막을 증착하여 12.6 pC/N의 압전 계수를 얻었음을 보고하였다^[16].

 
5. 결론

AlN 박막 압전 센서의 기술은 현재 성숙단계에 접어든 핵심 센서 기술로서 앞으로 계속해서 꾸준한 성장과 애플리케이션의 확장 그리고 다양한 분야로의 응용이 예상된다. 연구자와 엔지니어들에게는 여전히 기회와 도전이 공존하는 분야로, 친환경적이고 성능이 높고 다중 복합 스마트 센서로 구현하기 위한 지속적인 연구와 개발이 필요할 것으로 예상된다.

향후 AlN 박막이 가진 한계를 돌파하고 기술적 장애들을 극복해 나간다면 앞으로 AlN 박막을 기반으로 하는 압전 센서는 차세대 센서 시장을 선도하는 주역으로 확고하게 자리 매김할 것이다. 



6. 참고문헌

[1] Iqbal, Abid, and Faisal Mohd-Yasin. "Reactive sputtering of aluminum nitride (002) thin films for piezoelectric applications: A review.” Sensors 18.6 (2018): 1797.
[2] Li, Zhihao, et al. "An AlN piezoelectric micromachined ultrasonic transducer-based liquid density sensor." IEEE Transactions on Electron Devices 70.1 (2022): 261-268.
[3] Iriarte, G. Fuentes, J. G. Rodriguez, and F. Calle. "Synthesis of c-axis oriented AlN thin films on different substrates: A review." Materials Research Bulletin 45.9 (2010): 1039-1045.
[4] Soussan, Philippe, et al. "Pulsed dc sputtered aluminum nitride: A novel approach to control stress and c-axis orientation." MRS Online Proceedings Library (OPL) 833 (2004): G2-2.
[5] Jadoon, Nabeel Ahmad Khan, et al. "Recent advances in aluminum nitride (AlN) growth by magnetron sputtering techniques and its applications." Inorganics 12.10 (2024): 264.
[6] Littrell, Robert John. High performance piezoelectric MEMS microphones. Diss. University of Michigan, 2010.
[7] Natta, Lara, et al. "Soft and flexible piezoelectric smart patch for vascular graft monitoring based on Aluminum Nitride thin film." Scientific reports 9.1 (2019): 8392.
[8] Natta, Lara, et al. "Conformable AlN piezoelectric sensors as a non-invasive approach for swallowing disorder assessment." ACS sensors 6.5 (2021): 1761-1769.
[9] Yu, Yirong, et al. "A review of fingerprint sensors: Mechanism, characteristics, and applications." Micromachines 14.6 (2023): 1253.
[10] Shelton, Stefon, et al. "Aluminum nitride piezoelectric micromachined ultrasound transducer arrays." Proceedings of the Solid-State Sensors, Actuators, and Microsystems Workshop, Hilton Head, SC, USA. 2012.
[11]https://www.everythingrf.com/news/details/9468-Global-Bulk-Thin-Film-Piezo-Devices-Market-to-Be-Worth-48-5-Billion-by-2024
[12]https://invensense.tdk.com/news-media/invensense-and-globalfoundries-collaborate-on-industry-leading-ultrasonic-fingerprint-imaging-technology/
[13] https://invensense.tdk.com/products/ch101/
[14]https://www.tomshardware.com/news/vesper-vm1010-quiescent-sensing-mems-microphone,32118.html
[15] Yang, Jian, et al. "A resonant Z-Axis aluminum nitride thin-film piezoelectric MEMS accelerometer." Micromachines 10.9 (2019): 589.
[16] Zhang, Qiaozhen, et al. "Deposition, characterization, and modeling of scandium-doped aluminum nitride thin film for piezoelectric devices." Materials 14.21 (2021): 6437.
[17] Umeda, Keiichi, et al. "Piezoelectric properties of ScAlN thin films for piezo-MEMS devices." 2013 IEEE 26th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). IEEE, 2013.