SIMTOS존
[SIMTOS 2020] 미세전자기계시스템 기술 및 시장 동향
[미세전자기계시스템 기술 및 시장 동향]
미래 산업의 핵심을 만드는 공통 플랫폼
Feature 자료_ 중소벤처기업부
미세전자기계시스템(MEMS: Micro Electro Mechanical Systems) 기술은 반도체 기술을 활용하여 초미세 센서 및 엑츄에이터 등을 제작하여 압력, 온도, 진동, 환경, 생체 등 다양한 분야에 적용되고 있는 공통 플랫폼 기술이다. 이는 사물의 데이터를 검출하는 센서와 엑츄에이터, 그리고 미세 구조체 등이 LSI 칩위에 형성된 시스템으로 센서 데이터 입력/출력 혹은 통신 등의 중요한 복합 기능을 보유하고 있다. 이 기술은 고부가가치를 창출하는 분야로서 스마트 제조 생산 공정 모니터링, 제품 생산 이력 관리, 압력, 온도, 진동, 환경, 바이오(의료), 에너지 재생 등 다양한 산업 분야에 적용되고 있다.
다양한 분야에서 필요성 높아지는 MEMS
미세전자기계시스템(MEMS) 기술은 시스템온칩(System on chip) 및 고성능 통신 칩의 다양성(Diversification), 초소형화(Miniaturization)를 가능하게 하는 핵심 기술로서, 부가가치를 극대화하는 플랫폼 기술이다. IoT 기반 스마트 홈, 스마트 팩토리의 혁신 생산시스템, 공장 안전 비젼 시스템 등에 필요한 핵심 센서 소자는 미세전자기계시스템으로 구성되어 활용되고 있다. 그 외에도 많은 분야에 적용되어 사용될 수 있는데 그중 하나가 구조 성형을 통한 에너지 소자의 효과적인 성능향상에 있으며 이 기술을 이용하여 현재 다양한 구조와 소재를 조합한 에너지 저장장치가 꾸준히 연구 개발되고 있다.
국내에서는 삼성, 현대 등에서 전장 부품 제조를 위한 핵심 기술로서 관심이 증대되고 있다. 국내 자동차 제조 메이커와 전자 제조 메이커와의 협력을 통해, 자율자동차, 전기자동차 등 미래형 자동차는 IC 기반의 전장 부품이 핵심 기술이 되기에, 미세전자기계시스템 기술은 국내 중소 자동차 부품 제조 기업에게도 중요하게 인식되고 있다.
중소 제조기업의 경우, 제조 현장의 IoT 기반의 스마트화를 위한 지원이 필요한데 특히 스마트공장 보급 확산을 위한 제조 현장 네트워크화, 생산관리 자동화를 포함하여, 제조 공정 변수 제어를 위한 미세전자기계시스템 기술이 요구된다. 이 때문에 제조공정 현장에서 그 중요성이 대두되고 있다. 현재 스마트공장 제조 현장에서의 광학센서, 접촉센서, 제조 공정 데이터 저장 IoT 센서 등은 반도체기반 미세전자기계시스템 기술로서 제작되고 있다.
자동차 분야에는 다양한 MEMS 센서 부품을 포함하여, 초미세 엑츄에이터 및 전자기계 제품이 활용되고 있으며, 해외 기업에서는 combo type sensor를 미세전자기계시스템 기술로 제작하고 있다. 차량용 MEMS 시장은 자율주행차, 커넥티드카, 무인자동차 등의 스마트 자동차를 구현하기 위한 새로운 MEMS 기술 개발 및 시장 수요가 지속해서 증가할 것으로 예측된다.
Bosch에서는 MEMS combo sensors를 이용하여 다양한 기능과 함께 적용되는 복합 센서를 MEMS 기술을 활용하고 있으며, 온도/압력 combo sensor(BMP280), 온도/압력/습도 combo sensor(BME280), 온도/압력/습도/가스 combo sensor(BME680) 등을 웨어러블 및 스마트폰에 적용할 것으로 예상하고 있다.
국내 자동차 메이커 업체에서는 국내 반도체 기업과의 협력으로 핵심 전장 부품 확보를 위해 공동 협력 개발을 추진하고 있다.
IoT 기술과 접목된 미세전자기계시스템(MEMS) 소자는 정형화된 통신 및 신호처리 플랫폼을 기반으로 재난, 안전, 경보, 의료, 환경 분야에서 모니터링 시스템 구축을 시행하고 있다. 환경부를 비롯한 정부 부처 및 지자체에서는 미세전자시스템 센서를 기반으로 실시간 모니터링 시스템을 구축하여 광대역 공기질 모니터링 (미세먼지, 오존, NOx 등)을 시행하고 있다.
산업 및 소방 분야 일부에서는 개인작업자의 안전 및 위치 파악을 위해 미세전자시스템 센서를 이용한 경보 시스템을 구축하여 운영하고 있다. 의료 분야에서는 병원 및 지자체와 연계하여 독거노인 등 사회 취약 계층을 대상으로 한 미세전자시스템 바이오센서 기반 개인 건강관리 시스템을 시범 운영 중이다.
MEMS, 4차 산업혁명의 변화 맞춰 존재감 키운다
미세전자기계시스템 기술은 고감도 센싱 MEMS 기술, 초정밀 변형 감지 기술, 환자맞춤 AI 기반 빅데이터 추출 기술 등 감지형(Sensing) 미세전자기계시스템 기술과 마이크로스캐너 구동 소자, 고신뢰성 MEMS 스위치 소자, 에너지 하베스팅 기술 등에 활용되는 구동형(Actuating) 미세전자기계시스템 기술로 분류한다.
감지형(Sensing) 미세전자기계시스템 기술과 구동형(Actuating) 미세전자기계시스템 기술은 다양한 고기능 MEMS 제품 응용에 활용되고 있으며, 중소기업에서 특화할 수 있는 기술이다. 또한 환경규제와 증가하는 전력수요를 효과적으로 해결하기 위해서 MEMS 기술을 응용한 에너지소자 구조 성형을 통하여 에너지소자의 큰 성능 향상을 가져올 수 있다.
미세전자기계시스템 기술은 생명의료 분야, 무선부품, 광부품, 미세기계 산업 분야로 급속히 확산되고 있다. 미래 MEMS 산업은 웨어러블, 건강/안전/안심, 제조업 지능화, 사물인터넷 산업군으로 변화할 것이며, 현재의 개별 MEMS 센서는 combo type 구조로 미래 환경 변화에 대응하는 형태로 기술 개발이 진행되고 있다.
IoT 기반 스마트 홈 시스템에 활용되어 고객 케어, 쾌적하고 편리한 생활을 할 수 있고, 외부 침입 방지와 현상 유지를 위한 MEMS 부품 제작에 이 기술이 적용된다. 현재 삶의 질 향상을 위한 스마트홈, 헬스케어 산업은 크게 성장하고 있으며, MEMS 부품의 활용은 더욱 증가할 것으로 전망된다.
사회적 인프라와 결합한 미세전자기계시스템은 통신망 시스템과 연계하여 공공복지 및 복리후생을 위한 실시간 광대역 모니터링 시스템 구축에 기여하고 있다. 현재 산/학/연 중심으로 MEMS 소자 기반 모니터링 시스템 구축이 이루어지고 있으며, 이를 통한 사회적 인프라 구축 수요 또한 증가하고 있으며 광대역 모니터링 시스템 기반으로 축적된 데이터는 방대한 데이터양을 효과적으로 분류/분석하기 위해 AI(인공지능) 시스템 및 알고리즘과 연계하여 그 활용도가 증가할 것으로 예상된다.
MEMS는 새로운 산업 변화에 대응할 수 있는 기술로 최근 4차 산업혁명의 핵심인 CPS(Cyber Physical System) 접목을 위한 데이터 수집에 MEMS 부품이 사용되고 있다.
미세전자기계시스템 산업은 기술 간, 제품 간 융복합 트렌드에 대응하여 발전하고 있으며, 최근 산업의 진화 트렌드는 제품과 서비스 산업과의 융합으로 발전하고 있다. 나노 기술과 접목된 미세전자기계 시스템을 기반으로 소자의 민감성, 동작 효율 및 제작 단가 측면이 개선되어 MEMS 기술 적용 분야가 확대되고 있다. 또한 인공지능 분석 기술의 접목으로 새로운 산업 및 서비스 분야 적용 가능성이 확대되고 있다.
미세전자기계시스템(MEMS) 및 센서 시장 및 기술 동향
전 세계 미세전자기계시스템(MEMS) 및 센서 시장은 2016년 380억 달러 규모에서 2021년 660억 달러 규모로 연평균 12%(CAGR) 성장할 것으로 예상(Yole, 2017)된다. 미세전자기계시스템 시장은 2017~2022년까지 연평균 14%(CAGR) 성장할 것으로 예상되며 지속적으로 전 세계 센서 산업의 근간을 이룰 것으로 전망된다. 2016년 세계 집적회로 시장은 3,650억 달러 규모이며, 미세전자기계시스템, 센서 및 액츄에이터가 차지하는 비중은 9%에서 12%(2021년)까지 증가할 것으로 내다보고 있다.
2022년까지 RF MEMS, Oscillators, Microfluidics, Environmental MEMS(gas sensors) 등의 소자들이 미세전자기계시스템 시장의 성장을 이끄는 새로운 동력이 될 것으로 예상(Yole, 2017)된다.
미세전자기계시스템의 가장 큰 수요처였던 스마트폰 시장에 의한 급격한 시장 성장의 단계를 지나, 4차 산업혁명 시대에 대응하기 위한 로봇, 자율주행자동차, IoT 산업 등에서 미세전자기계시스템에 대한 수요가 주도적으로 작용하여 세계 시장규모가 지속적으로 증가할 것으로 예상(Yole, 2018)된다.
글로벌 미세전자기계시스템 기업들은 더 많은 시장점유율을 확보하기 위하여 치열한 가격경쟁 단계에 돌입했다. 5G 시대가 도래함에 따라 RF필터에 대한 수요가 증가하면서, RF MEMS가 가장 큰 성장폭을 보이는 분야로 부상(RF시장 규모는 2017년 2.3억 달러에서 2023년 15억 달러까지 증가할 것으로 전망)했다.
국내의 경우 MEMS 소자에 대한 시장의 수요는 매우 크지만 시장수요의 대부분을 수입제품에 의존하고 있다. 국내 센서 시장 수요는 약 70억 달러에 달하지만 이미지센서를 제외한 대부분의 핵심센서를 전량 해외에서 수입하여 약 90%를 해외 기업 제품에 의존하는 구조다. MEMS 콤보센서 시장의 최대 고객사는 삼성전자로 1.8억 달러 규모의 콤보센서를 구매하였으며, LG전자의 경우 4,700만 달러 규모를 구매하여 2위를 기록(IHS, 2014)했다. 우리나라의 MEMS 시장은 2017년 5억 6,690만 달러에서 연평균 성장률 11.3%로 증가하여, 2022년에는 9억 6,970만 달러에 이를 것으로 전망된다.
MEMS 소자의 복합화 및 소형화 추세로 MEMS 콤보 센서는 시장의 저가화(化) 니즈에 대응하기 위한 다양한 센서통합, 새로운 고부가가치 기능 구현을 위한 콤보센서가 부상하고 있다. MEMS 모션 센서의 종류별(別) 매출 추세를 살펴보면, 개별센서(가속도계, 자이로스코프)의 매출은 감소 추세인 반면 MEMS 콤보센서(가속도계-자이로스코프 콤보센서와 9축 콤보센서)의 매출은 지속적으로 증가할 것으로 예상된다. MEMS시장 추세에 맞춘 콤보센서 개발을 위한 소형화, 저가화, 복합화 관련 기술의 수요도 증가하고 있다.
미세전자기계시스템 기술은 다중 복합 센서 구조물을 제작하는 Combo type을 제작하는 기술로 발전하고 있으며, IoT 산업의 핵심 부품을 개발하고 있다. 4차 산업혁명에 필요한 데이터 수집용 MEMS 부품 개발, 바이오 및 나노 기술과의 접목으로 새로운 기능을 발현하는 제품 개발을 수행하고 있다.
자동차, 드론, 로봇 등 분야에서 미세전자기계시스템 기술을 활용하여 무인 자동차, 소프트 로봇 등 새로운 분야로의 제품 개발을 위한 연구가 진행되고 있다. 개인 경험 및 스토리가 포함된 사용자 경험(UX, UI)을 활용한 제품 수요가 증가하고 있고, 소비자 가심비에 대응할 수 있는 연구 개발이 활발해 지고 있다.
기존의 MEMS 시장을 선도하던 자동차 및 소비자가전 기반 기업들의 강세가 지속되는 가운데 RF MEMS 시장의 성장으로 Broadcom, Qorvo 등 RF MEMS 기업들의 매출이 크게 성장했다. TDK(프랑스 Tronics Microsystems, 미국 InvenSence 인수), ROHM(미국 Kionix 인수) 등 일본 반도체 기업들은 기존 MEMS 기업들과의 인수합병을 통해 MEMS 분야로의 성장을 도모하고 있다.
국내 MEMS 기업은 자동차 부품, 자이로, 각속도 등 물리 센서 제품 분야와 국내 반도체 대기업과 연계가 될 수 있는 IC 칩 검사용 MEMS 프로브 카드 분야를 활발히 개발하고 있다. 특이한 점은 MEMS 파운드리 서비스를 통하여, 확보한 핵심 기술을 초미세 부품 개발에 활용하고 있다는 점에서 국내 MEMS 산업의 확장성은 매우 크다고 할 수 있다.
미세전자기계 시스템분야는 기술 분류별로 대기업, 중소기업, 공공연구기관 등 다양한 참여자가 존재하는 분야다.
향후 중소기업은 대기업들의 경쟁이 치열한 초정밀 변위변형 감지 기술과 고신뢰성 MEMS 스위치 기술보다는 시장진입이 상대적으로 용이한 넓은 화각(FOV) 구현 마이크로스캐너 소자기술에 집중하여 연구개발하고 특히 공공연구기관의 연구개발이 활발한 고감도 가스센싱 MEMS 기술 분야에서는 기술 매입이나 라이센싱 등을 통해 부족한 연구개발능력을 보완하는 것이 바람직할 것으로 보인다.
