IoT 구현을 위해서는 MEMS가 기반이 되어야 한다. 이를 반영하듯 MEMS는 매년 13%씩 성장하고 있다.
특히 MEMS 마이크로폰(음향센서)은 스마트폰 1개에 2~3개의 MIC 탑재로 비중 증가 추세다. 글로벌 업체들은 MEMS 음향센서의 상용화를 진행 중이며, 패키지 형태의 MEMS 마이크로폰을 양산해 고객대응에 나서고 있다. BSE 전기음향연구소 이명진 박사가 스마트 센서 세미나에서 발표한 ‘IoT를 위한 MEMS 마이크로폰 개발과 적용 분야’에 대한 강연 내용을 정리했다.

▲ BSE 전기음향연구소 이명진 박사

MEMS 마이크로폰은 음향신호를 전기신호로 변환하는 전기음향센서를 의미한다. MEMS 마이크로폰은 MEMS 음향센서와 IC(CMOS)로 구성된다. 이 마이크로폰은 용량성(Capacitive), 압전기(Piezoelectric), 압전저항(Pie-zoresistive), 광학식(Optical)으로 분류되며, 광학은 상용화하거나 패기지하는 데 문제가 있어 아직 적용되지 못하고 있다. 그 중 용량성이 가장 대표적인 타입이며, 최근 압전기(Piezoelec-tric) 타입도 대두되고 있다.
용량성 타입은 다시 콘덴서(Con-denser) 타입과 일렉트릿(Electret) 타입으로 구분된다.
콘덴서 타입은 현재 놀스, 인피니언, 인벤센스, 아쿠스티카 등 업체가 치열한 경쟁을 하고 있으며, 일렉트릿 타입은 국내 업체인 BSE가 세계 시장 점유율 1~2위를 유지하다가 최근 놀스에 1위 자리를 내놓고 4위까지 내려간 상태이다.
ECM vs. MEMS

MEMS 마이크로폰은 ECM에 비해 성능과 크기 등 많은 장점을 가지고 있어 스마트폰과 같은 IoT 구현에 가장 적합하다.
ECM의 경우, 재료가 폴리머 계열로 구현되어 성능은 우수하지만 제품 간  품질 편차 가능성도 높다.
반면, MEMS 는 실리콘 기반 공정으로 구현되며, 예전에는 폴리머 계열보다 성능이 떨어졌으나 지금은 동등 수준까지 올라왔다. SNR(신호 대 잡음비) 또한 ECM보다 2배나 좋다.
크기에서도 MEMS는 ECM보다 1/10 수준이며, 설계가 용이해 대량생산이 가능하다. 품질 편차 역시 ECM보다 적고 원칩(One Chio) 솔루션도 가능하다.
마이크로폰의 기술발전 단계를 보더라도, 전통적인 MIC에서 ECM, 다시 MEMS로 발전하고 있으며, 트랜드 또한 MEMS는 ECR보다 사이즈는 확연히 작아지면서 SNR은 상당히 높아지고 있다.

MEMS 상용화에 5~10년 소요

MEMS 마이크로폰의 연구개발과 상용화 동향을 보면, 세계 시장 점유율 1위인 놀스는 1992년에 연구개발을 시작해서 2003년에 상용화 버전을 내놓았고 나오고, 2004~5년부터 본격적으로 시장에 출시했다.
독일 업체 인피니언은 10년 정도 걸려 2006년에 상용화를 마쳤다. 예외적으로 아쿠스티카가 5년만에 MEMS 상용화에 성공했다. 2010년에 MEMS를 패키징화해서 시장 대응을 해오고 있는 BSE는 2015~6년 쯤 상용화를 예상하고 있다. 그 외 AAC, 고어텍 등 중국업체들도 빠른 속도로 추격해오고 있다. 일반적으로 MEMS를 상용화하기 위해서는 5~10년이라는 장기간이 소요된다고 볼 수 있다.
MEMS 음향센서의 소형화도 이슈 중의 하나이다. 전체적으로 대부분의 음향센서는 1mm~1.2mm 사이, 적게는 0.8mm까지도 만들어지고 있는 추세다.

MEMS 급성장, 스마트폰이 견인

스마트폰 성장과 함께 MEMS 마이크로폰 시장도 폭발적으로 성장하고 있다. 세계 MEMS 마이크로폰 시장은 2010년 7억대에서 2014년 약 25억대로 무려 257%나 성장했다. 2017년에는 33억대에 이를 전망이다.
글로벌 업체들의 경쟁도 치열해질 것으로 예상된다. 2014년 기준 국외 주요 양산업체로는 놀스, AAC, 고어텍, ST마이크로일렉트로닉스, ADI, 호시덴, 울프슨, 네오멤스, 보쉬 등이 있으며, 그 외 다른 업체들이 현재 개발 단계 중이다.
세계 시장 점유율 1위인 놀스는 2010년 88%에서 2013년 59%로 지배력이 떨어졌지만, 여전히 높은 점유율을 유지하고 있다.
AAC는 Infineon Die & ASIC을 사용하여 아이폰에 납품하면서 점유율 13%로 급상승했고 고어텍 또한 Infineon Die & ASIC 사용으로 중국시장 점유율을 높이고 있다.
국내는 정부의 센서산업 고도화를 위한 첨단센서 육성사업을 통해, MEMS 음향센서의 상용화를 진행 중이다. 업체로는 BSE가 패키지 형태의 MEMS 마이크로폰을 양산해 고객대응하고 있으며, 정부출연연과 협력해 MEMS 음향센서 개발과 상용화를 진행하고 있다.
MEMS 마이크로폰 관련 특허로는 전 세계적으로 2000년도 이후에 많은 출원이 있었고, 2005년에서 2007년 사이에 가장 많은 특허들이 출원됐다. 지역별로는 미국 특허의 출원 건수가 187개(53%)로 우위에 있으며 유럽 63개(18%), 일본 55개(16%), 한국 46개(13%) 순이었다. 특히, 놀스가 모든 국가에서 점유율 1위를 차지했다. 국내에서는 BSE가 패키징 기술 관련 1위를 확보하고 있다.

고음질·소형화·저전력화 필수

최근 스마트폰 등 음향센서의 응용 분야는 더 좋은 음질을 요구한다. 따라서 MEMS 마이크로폰의 트렌드는 높은 SNR 구현과 플랫 주파수 응답을 해야 한다. 옵션으로는 침수 방수 +IPx7 또는 8을 요구한다. 여기서 7은 1m까지, 8은 1.5m까지 침수했을 때 마이크로폰이 구동할 수 있는 허용치를 의미한다.
또한, 성능이 좋고, 가격은 낮아야 하며, 크기도 줄여야 한다. SNR의 경우 현재 65~68dB를 요구하며, A.O.P는 136dB SPL까지 요구한다. 주파수 응답도 기본적으로 20KHz 와이드 밴드를 요구한다.
최근에는 울트라소닉, 즉 80KHz까지 지원하는 복합된 마이크로폰을 만들고 있다. 물론 감도는 -38dB<±1dB로 노이즈 관리를 잘해야 한다.
MEMS 마이크로폰의 적용 분야로는 노트북, 가전, IoT, 자동차, 의료, 이어폰/헤드셋, 스마트폰 등 매우 다양하다.
특히, 스마트폰은 고성능 특성의 제품 탑재와 오디오 특성 향상을 위해 여러 개의 마이크로폰을 적용한다. 현재 스마트폰에는 MEMS 마이크로폰이 3개 이상 적용 되고 있으며, 향후 다양한 애플리케이션을 위해 더 많은 MEMS 마이크로폰이 적용될 것으로 예상된다.
뿐만 아니라 보완/안전용, 차량용, 환경 측정용, 음성원격제어용, 질병 측정용/보청용 음향센서로서의 모듈 개발이 진행되고 있다. 이를 위해서는 센서 어레이 기술과 저전력화 기술 등이 반드시 요구된다.

정리 임근난 기자 (fa@hellot.net)