일본산업뉴스요약

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3D프린터 집속이온빔
히타치, IoT용 센서의 시작(試作) 단축

▶MEMS(미세전자기계시스템): 「Micro Electro Mechanical Systems」의 약자. 실리콘이나 유리의 기판에 미세한 톱니바퀴나 진자(振子), 진동판과 같은 기계적 구조를 제작해, 전자회로에 접속시킨 부품을 말하며, 반도체 제조에 필요한 미세가공기술이 사용된다. 가공의 정밀도는 나노(나노는 10억분의 1)미터 단위. 압력 및 속도 변화를 탐지하는 센서나 스위치 부품 등으로 활용된다.

히타치(日立)제작소는 3D(3차원)프린터 기술을 구사해, 진동 및 가속도 등을 감지하는 MEMS(미세전자기계시스템)센서를 단기간에 시작하는 기술을 개발했다. 실현의 열쇠가 된 기술 중 하나가 새롭게 개발된「집속이온빔(Focused Ion Beam)」이라고 불리는 장치이다. 이온빔을 방사해 센서의 회로가 되는 금속을 웨이퍼(실리콘 기판) 위에 여러 겹으로 쌓아 올린 것으로, 고속 가공을 실현한 것이 특징이다.

MEMS센서는 모든 사물이 인터넷으로 연결되는「IoT」의 실현을 위한 중요한 기술이다. 대표적인 것이 스마트폰 등의 탑재되어 있는 가속도 센서이다. 공장에서는 기계 설비 등에서 발생하는 소리 및 진동 등의 신호를 포착해 인터넷을 통해 전송, 공장 가동 상황을 조사하는 용도로 사용된다.

그러나 측정된 신호의 종류가 다양하기 때문에 센서에 필요한 감도(感度) 및 주파수 등의 성능이 복잡하고, 다양한 용도로의 사용으로 지금까지 설계ㆍ시작(試作)에 시간이 걸리는 것이 과제였다.

히타치는 ①집속이온을 사용한 센서 회로의 3D프린터기술의 고속화 ②센서 회로 설계 단계에서의 인공지능(AI) 활용, 이 두 가지 기술 혁신을 통해 MEMS센서의 시작 시간을 큰 폭으로 단축시켰다.

집속이온빔은 이온소스에 의해 발생된 이온빔에 전기장(電界)을 가해 가속화시키고, 정전(靜電)렌즈로 1,000분의 1mm 이하로 가늘게 빼내어 빔 상태로 만드는 총과 같은 장치이다. 지금까지는 약한 출력으로 가공 속도가 매우 느려, 전자현미경과 같이 회로 분석 용도로 사용되는 것이 일반적이었다.
히타치는 그룹 내의 히타치 하이테크놀로지스, 히타치 하이테크사이언스(동경)와 공동으로 플라즈마 이온을 사용한 고출력 이온소스를 개발, 이것을 웨이퍼 등에 조사(照射)해 가공 속도를 대폭 향상시켰다. 검사용 전자총에도 이것을 조합시켜 높은 정밀도로 미세한 회로를 빨리 구성하는 작업이 가능해졌다고 한다.

또한, 회로의 설계 단계에서 AI에 의해 최적의 회로가 자동으로 선택되는 시스템을 도입했다. 히타치가 보유한 100만건의 MEMS센서 설계 데이터로부터, 요구사항에 근접한 센서의 후보가 AI에 의해 자동 추출되는 것이다. 이것을 시뮬레이션 해, 최적의 구조와 성능을 가진 설계 데이터를 단시간 내에 선택해내는 연구에 성공했다.

「지금까지는 설계에 3개월에서 1년 정도가 필요했고, 또한 공장에서 대량 생산할 수밖에 없었다」(연구개발그룹 담당자). MEMS센서의 제조 공정만으로 약 3개월은 소요되고 있었다고 한다.

이번에 시작(試作)된 것은, 공장에서 모터 등의 고장을 미리 예측하는데 사용되는 고주파 수(20㎑ 이상)의 진동 MEMS센서이다. AI의 자동 설계에 의해 5일 안에 설계가 끝나고, 회로는 집속이온빔의 활용으로 1개 당 5시간 안에 제조된다고 한다. 「한 달에 100개의 제조가 가능하다는 계산」(연구개발그룹 담당자)으로, 큰 폭의 시간 단축이 이루어졌다고 할 수 있다.

다양화되어 가는 MEMS센서의 소량 시작이 가능해지면서, 다양한 IoT분야에서 응용되는 시간을 단축시킬 수 있는 새로운 기술이 탄생했다.

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