MEMS 기술은 1900년대 중반부터 최근에 이르기까지 반세기 동안 점진적으로 발전해 왔지만, 특히 2000년대에 들어서면서 모바일 기기의 폭발적인 발전과 함께 그 활용도가 급증하고 있다. 여기서는 MEMS 센서 기술에 대해 소개하고, 이 기술이 모바일 기기에 어떻게 응용되고 있으며, 어디로 발전해 가야 할 것인지에 대해 의견을 제시한다.

Micro-Electro-Mechanical-System 기술을 적용한 센서, 즉 MEMS 센서는 애플이 2007년에 탄생시킨 스마트폰 시대를 여는 데 일등 공신이었다고 해도 과언이 아니다. 즉 기기의 방향, 움직임, 위치 데이터를 제공해 주는 각속도계, 가속도계 등을 MEMS 기술로 제작함으로써 성능을 한층 개선시킴은 물론, 크기를 혁신적으로 줄이고 소비전력을 낮춰 스마트폰 내에 장착할 수 있게 되었다. 이로 인해 기기와 사용자의 행동이 매칭될 수 있었고, 이는 스마트폰을 대표하는 기능으로 발표되었다.

그림 1. PC 및 스마트 기기의 변모 (Media System Lab., 2013)

이것을 시작으로, MEMS 기술은 스마트폰과 슬레이트/태블릿 PC 등의 모바일 기기에 더욱 활발히 적용되었으며, 오늘날에는 MEMS 센서 및 액추에이터가 모바일 기기 내부에서 가장 큰 비중을 차지하는 부품으로 인식되고 있다. 여기서는 MEMS 센서 기술의 특징 및 모바일 기기에의 응용에 대해 살펴보고, 발전 방향에 대해 생각해 본다.

세상의 변화

약 20년 전과 현재의 정보 생활을 통계적으로 비교해 보면, 3천만 명 정도였던 인터넷 사용자가 20억 명 이상으로 증가했으며, 1,500달러가 넘던 PC 가격이 500달러 이하로 떨어졌다. 또한 화면의 경우, 브라운관이 거의 100%였지만, 지금은 평판 디스플레이(LCD 혹은 OLED)로 바뀌었다.
즉, 세계적으로 약 200명당 1명이 쓰던 인터넷을 이제는 3명당 1명 정도가 쓰고 있으며, PC의 가격은 물가 상승률을 고려했을 때 1/10 이하로 떨어졌다. 그리고 디스플레이를 사용하는 스마트 기기들은 고정 기기에서 휴대가 자유로운 기기로 변모했다(그림 1 참조).
현재의 스마트 기기들은 완전한 개인용으로 활용됨에 따라 책상 위에서 가방 속, 주머니 안, 그리고 손목으로 옮겨지고 있다. 이는 기기의 성능이 향상된 것은 물론, 소형화, 저소비전력, 가격 부담 완화가 이루어짐으로써 나타나는 현상이며, 그 중심에 MEMS 센서와 액추에이터의 기술 발전이 있다는 것은 누구도 부인할 수가 없을 것이다.

모바일 기기 응용에 유리한 MEMS 기술

그림 2. MEMS 소자의 특징 (Bosch, 2013)

MEMS 소자는 대부분 반도체 공정을 이용하여 웨이퍼 위에 극소형으로 일괄 제작되며, 이로 인해 다음과 같은 특징을 갖고 있다. 즉, 제작된 소자들은 모두 특성이 균일하고 센서 신호의 감도와 액추에이터 정밀도가 향상되며, 회로를 집적화할 수 있어 신호 대 잡음비와 신호 처리 기능 등이 우수하다. 그리고 구조물이나 소자의 크기가 작아 소비 전력이 낮아지며, 일괄 생산하는 반도체 산업의 특징에 의해 가격 경쟁력이 뛰어나다.
이러한 특징들을 고려했을 때, 특히 모바일 기기에서 상대적으로 유리하다는 것을 짐작할 수 있다(그림 2 참조).
MEMS 소자를 제작하는 공정 기술을 살펴보면, 초기인 1970∼1980년대에는 실리콘 웨이퍼 자체를 가공하는 몸체 미세가공기법을 적용했으며, 1980∼1990년대에는 디자인 자유도를 개선하고 칩의 크기를 줄이기 위해 다결정 실리콘막 구조물을 사용하는 표면 미세가공기법을 도입했다.
이러한 표면 미세가공기술은 1990∼2010년대를 거치면서 SOI(Silicon On Insulator) 기판을 적용하게 되고, 이로 인해 단결정 실리콘을 구조층으로 사용함으로써 반도체 회로를 집적화하는 것이 훨씬 수월해졌다.
최근에는 3차원 적층 공정, 다기능 소자들의 복합화, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 회로 집적화 등이 이루어지고 있어, 소자의 집적도와 성능이 한층 더 발전되고 있다.

모바일 디바이스의 경박단소화에 기여하는 MEMS 소자

그림 3. MEMS 소자의 개발 전개 (Yole Development, 2012)

1970∼1980년대부터 현재에 이르기까지 MEMS 기술을 이용한 소자, 즉 센서 및 액추에이터, 마이크로 시스템은 지속적으로 개발되고 실용화되어 왔다. 제품화된 순서대로 대표적인 것들을 꼽아 보면, 먼저 잉크젯 헤드를 들 수 있다. 이것은 사무용 잉크젯 프린터에 꾸준히 사용되어 왔으며, 최근에는 ‘인쇄 전자 공학’ 기술이 등장하면서 산업용으로 활발히 발전하고 있다. 뒤를 이어서, 통신용 필터와 압력 센서가 등장했는데, 특히 압력 센서의 경우 세탁기와 같은 가전 부문과 생산 라인에서의 유체 압력 제어용 등으로 사용되어 왔으며, 2000년대에 이르러서는 자동차의 타이어압 제어 장치(TPMS ; Tire Pressure Monitoring System)에 사용됨에 따라 주행 중 타이어 압력을 측정하기 위해 타이어 속에 내장되고 있다(그림 3 참조).
그 다음으로 선형 가속도계와 회전 각속도계를 들 수 있는데, 가속도 센서는 초기에 에어백의 작동 여부를 결정하는 용도, 각속도 센서는 캠코더의 손떨림을 감지하여 영상을 보정하는 용도로 사용되었으며, 이후 휴대폰 등 모바일 기기에 내장되어 기기의 물리적인 움직임, 이동 궤적, 자세, 위치 등에 관한 정보를 제공하고 사용자의 움직임과 연계함으로써 스마트 시대를 열어가고 있다.
여기에 압력 차이로 고도를 측정하는 압력 센서와 지구 자기장의 방향을 측정하는 컴퍼스(전자 나침반) 기능을 더하여 총 10개의 신호를 감지하는 10축 센서 시스템(가속도 3축, 각속도 3축, 자기장 3축, 고도 1축)으로 기기와 사용자의 뮤센 신호를 감지 및 연계하는 스마트 기능을 수 년 전부터 제공하고 있다.
또한 이들 센서는 자동차 분야에서도 자세 제어 등을 통해 안전도를 향상시키고, 나아가 자율 주행, 무인 자동차 등으로 발전할 수 있는 동력을 제공하고 있다.
모바일 기기를 이용하여 통화할 때 음성 신호를 담당하는 마이크로폰은, MEMS 기술을 적용하여 한층 더 소형화됨에 따라 여러 개를 내장할 수 있게 되어 휴대폰 음질 향상에 기여하고 있다. 이러한 기술 개발이 갖는 의미는 매우 크다고 할 수 있는데, MEMS 마이크로폰을 개발 및 상용화했는가의 여부에 의해 기존 마이크로폰 업체들의 사활 여부가 결정되기도 한다.
이와 함께 통신용 오실레이터, 야간의 시각 정보용 적외선 영상 센서, 카메라의 주밍과 관련된 액추에이터, 모바일 기기에 내장할 수 있는 피코 프로젝터가 마이크로 미러 디스플레이[DMD(Digital Micromirror Device), DLP(Digital Light Processor)]와 스캐닝 미러 등을 이용, 순차적으로 개발되어 상용화가 진행되고 있다.
이와 같이, MEMS 소자는 꾸준히 다양하게 발전되어 왔으며, 물리적인 신호들(진동, 움직임)을 한층 정밀하게 감지하는 데 사용되었다. 특히 기존의 소자나 시스템을 더욱 소형화시킴으로써 제한된 공간 내에 장착할 수 있게 됐으며, 시스템을 더욱 작고 가볍게 하는 경박단소에 크게 기여할 수 있었다.
이러한 특징으로 인해, MEMS 센서는 산업, 의료, 게임, 스포츠, 엔터테인먼트, 로봇, 가전 등의 부문에 폭넓게 사용되고 있고, 특히 모바일 기기와 자동차 산업에서는 중추적인 부품으로 그 활용도가 급증하고 있다(그림 4 참조).

그림 4. MEMS 센서의 응용도 (ST Micro, 2012)

미래 스마트폰 부품의 절반 가량은 MEMS 소자

모바일 기기로는 스마트폰을 비롯하여 테블릿 PC, 전자책, 포터블 미디어 플레이어, 게임기, 디지털 카메라, 캠코더, PDA(Personal Data Assistance) 등 다양한 종류가 있지만, 여기서는 이들 중 대표성이 있고, 다양한 기술들의 집합체라고 할 수 있는 스마트폰을 대상으로 살펴본다.
스마트폰은 전화 기능이 있는 소형 컴퓨터라고 표현할 수 있으며, 그 시초는 2007년에 애플이 발표한 아이폰이라고 정의할 수 있다. 아이폰 제품 발표회에서 강조된 기술 중 하나가 가속도 센서, 각속도 센서, 그리고 전자 나침반이었다. 이들은 한 데 묶어서 모션 센서로 정의되며 기기의 움직임, 이동 경로, 자세, 위치 등에 관한 정보를 제공한다. 최근에는 여기에 고도를 측정하는 압력 센서까지 추가되어, 10축에 해당하는 정보를 감지함으로써 모든 움직임과 위치를 커버할 수 있게 되었다(그림 5 참조).

그림 5. 스마트폰에서의 모션 센서 진화 과정 (Bosch, 2013)

그림 6. 스마트폰에서의 MEMS 센서 발전 과정 (Bosch, 2013)

가속도계는 뉴턴의 운동법칙 F＝m×a(F : 힘 벡터, m : 질량, a : 가속도 벡터)를 이용하며, 중력 방향과 3축 선형 가속도 등을 측정함으로써 게이밍, 화면 전환, 보행 관련 기능 등을 지원한다.
각속도계의 경우, 코리올리 효과 F＝2m(v×Ω)(F : 코리올리 힘 벡터, m : 질량, v : 속도 벡터, Ω : 각속도 벡터)을 이용하며, 손떨림 영상 보정과 게이밍, 포인팅 기능 등을 지원하다. 또한 컴퍼스는 지구 자기장의 방향을, 압력 센서는 고도에 관한 정보를 제공함으로써 10축 센서가 가동될 경우 GPS (Global Positioning System)를 지원할 수 있는 네비게이션 기능을 구축할 수 있다.
이와 함께 음성 센서에 해당하는 마이크로폰에도 수 년 전부터 MEMS 기술이 적용되고 크기가 더욱 작아짐에 따라, 하나의 스마트폰에 여러 개의 마이크로폰이 내장될 수 있게 되어 음성 신호를 더욱 선명하게 전달할 수 있게 됐다. 특히 모션 센서들은 콤보 형태로 제작되어 단일 패키지 내에 내장할 수 있게 됨에 따라 생산 가격, 성능, 공간 부피, 무게 등을 고려했을 때, 관련 있는 센서들을 함께 집적화하거나 패키징하는 형태의 콤보형 센서 시스템이 더욱 확대될 것으로 보인다. 또한 모션 센서는 다음 세대의 자동차로 일컬어지는 무인 자동차 혹은 자율 주행형 자동차에서도 그 활용도가 한층 높아질 것으로 예측되고 있다(그림 6 참조).

모션 센서와 마이크로폰 다음 단계에는 환경과 바이오용 센서가 내장될 것으로 예측되는데, 일례로 온습도 센서와 가스 센서, 자외선 센서, 운동량 센서 등을 들 수 있다. 또한, 통신 부품, 광 및 디스플레이 소자 등과 같은 액추에이터 부품까지 고려한다면, 향후 5년 이내에 스마트폰에 내장되는 부품의 30∼50%는 MEMS 소자가 차지하게 될 것으로 보인다(그림 7 참조).

그림 7. 스마트폰에서 MEMS 부품의 현재와 미래 (Yole Development, 2013)

MEMS 센서의 국산화에 박차 가할 때

MEMS 시장은 모바일 기기, 가전 시장이 확대되고, 자동차가 전자화되는 등의 영향으로 2000년대 들어 매년 두 자릿수의 상승세를 보이고 있다.
특히, 가전과 모바일 기기들은 2010년 전후로 급격히 MEMS 소자들을 채택하고 있으며, 2014년에는 40억 달러가 넘는 시장 규모가 될 것으로 예상됐는데, 이는 특히 진동이나 동작, 위치 등을 변수로 하는 응용 컨텐츠가 붐을 이루면서 비롯된 결과로 보인다. 가전과 모비일 기기용 MEMS 시장의 50% 이상을 스마트폰이 점유하리라는 예상도 주목할 만하다(그림 8 참조).

그림 8. 가전 및 모바일 기기에서의 MEMS 시장 (IHS, 2013)

가전과 모바일 분야에서 MEMS 소자별로 시장을 분석해 보면, 역시 10축 센서 시스템계에 해당하는 각속도, 가속도, 전자 컴퍼스, 압력 센서들과 음성 신호 인식을 위한 마이크로폰이 전체 시장의 70% 정도를 차지하고 있으며, 이 외에도 최근 모바일 기기에 탑재되기 시작했거나 조만간 개발 후 상용화가 진행될 소자들, 즉 가스-화학 센서류, 온습도 센서류, 피코 프로젝터 등의 광학계, 스피커 등이 시장을 열어갈 것으로 예측된다(그림 9 참조).

그림 9. 가전 및 모바일 기기에서의 MEMS 소자별 시장 (HIS, 2013)

이상, MEMS 센서라는 거대한 산업 분야에 대해 비교적 광범위한 의견을 피력했지만, 지면 한계상 더 자세히 들여다보지 못한 부분이 아쉽다.
이 분야에 관심을 가져 온 사람으로서 우리나라가 1990년대 소위 G7 프로젝트라는 국가 연구개발 사업을 시작했음에도, 이를 후속 사업 단절과 기업의 상용화 의지 부족으로 이어가지 못한 점이 아쉬움으로 남는다.
현재 우리나라는 스마트폰 등 모바일 기기의 세계 선진국이 되었고 또한 반도체 강국임에도 불구하고, 이로 인해 핵심 부품인 MEMS 소자는 대부분 수입에 의존하고 있는 실정이다. 일례로 S사와 L사가 모바일 기기용 MEMS 소자의 상위 5위권 내에 있는 수요 기업이지만, MEMS 소자의 공급 업체 상위 30위권 내 한국 기업은 없다.
다소 늦은 감이 있지만, MEMS 센서 관련 대형 국가 연구개발 사업이 마련된다고 하니, 출발은 늦었지만 우리나라 연구 개발자들만이 가진 고유의 의지와 기업의 저력으로, MEMS 센서의 국산화는 물론 세계를 선도하는 리더로 거듭나게 되기를 바란다.

주병권 / 고려대학교 전기전자공학부