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ICT/정보통신 MEMS 최신 동향

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2019-10-23 15:16:00
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2) MEMS (Micro Electro Mechanical System)

 

본 절에서는 센서의 소형ㆍ경량화, 고정도화 등에 기여하는 MEMS(Micro Electro Mechanical System : 멤스) 기술에 대해 소개한다.

 

(1) MEMS의 개요와 특징

 

① MEMS 란

 

MEMS란 ‘초소형 전기기계 시스템’이라는 뜻으로, 실리콘 기판이나 유리 기판, 또는 유기소재 등의 위에 기계요소 부품으로서 센서, 액츄에이터, 전기회로 등을 한 자리에 탑재한 디바이스를 가리킨다. (총 길이가 mm단위, 그 속의 부품은 µm 단위)

 

<표1> MEMS란

자료 : NEDO

 

MEMS는 각종 최종 제품에 들어가 부가가치를 높이는 디바이스이며, 최근에는 ‘산업의 콩(豆)’이라 불리고 있다. (참고로 반도체는 ‘산업의 쌀(米)’이다)

참고로 MEMS는 미국에서 자주 사용되는 용어이며, 유럽에서는 ‘MST’, 일본에서는 ‘마이크로 머신’이라고 불리기도 한다.

 

② MEMS의 특징

 

MEMS는 주로 반도체 미세가공(일괄가공) 기술을 사용하여 만들어지기 때문에 초소형이며, 매우 고정도ㆍ고품질의 기구 부품을 얻을 수 있다는 특징이 있다. 하나의 부품을 만드는 것과 같은 수고와 시간을 들여 여러 가지 구조를 동시에 만들 수 있어, 기존보다 낮은 비용으로 대량 생산이 가능하다.

또한 MEMS는 하나의 기판에 센서와 신호회로, 액츄에이터 등이 탑재된 3차원 구조체이며, 입출력이 전기신호 이외에 에너지나 기계 변위, 물리량 등 다양하다는 것도 큰 특징이다.

또한 MEMS에는 ‘소형화’, ‘병렬화’, ‘집적화’라는 특징도 있다. MEMS는 디바이스를 소형화할 수 있기 때문에, 작은 케이스에 들어가거나 좁은 장소에서 가동할 수도 있어, 휴대기기나 복잡한 장치 내부의 보수 검사 기계 등에 적합하다. 그에 더해 똑같은 센서나 액츄에이터 등의 요소를 나열하여 가동시킴으로써 하나의 요소에서는 얻을 수 없는 고기능ㆍ고성능을 이끌어낼 수 있다.

아래 표는 IC(집적회로)와 MEMS의 차이를 비교한 것이다. 집적회로의 경우, 다수의 트랜지스터 회로를 통해 기능을 실현시키지만, MEMS에서는 센서나 액츄에이터 등의 다양한 요소를 사용하기 때문에 기계ㆍ전기ㆍ빛ㆍ재료 등 다양한 지식을 융합한다. 전자는 요소의 수가 방대하고 복잡하지만, 후자는 다양한 지식이 필요하다는 점에서 복합하다.

또한 IC에서는 집중적으로 거액의 설비 개발 투자를 실시하여 양산 효과를 살려 단기간에 투자를 회수하면서 재투자를 한다. 하지만 각 회사가 일제히 설비 투자를 실시하여 과잉 투자가 되는, 이른바 “실리콘 사이클”이 일어나는 데다 제품의 수명도 짧다.

이에 반해 MEMS는 설계ㆍ제조ㆍ패키징ㆍ테스트가 서로 다르기 때문에, 품종별로 개발해야 한다. 또한 소량으로 포토패브리케이션의 양산 효과를 살리지 못하는 MEMS도 있다. 하지만 키 부품으로서 사용되는 경우가 많으며, 부가가치가 높다. 제품 수명도 길며, 장기간에 걸쳐 투자를 회수하게 된다.

 

<표2> MEMS 기술과 애플리케이션

자료 : (일반재단법인) 전자 정보 기술 산업 협회(2012) “미래를 창조하는 반도체 IC Guide Book”을 기반으로 작성함.

 

(2) 적용 디바이스와 애플리케이션

 

MEMS 기술은 다양한 센서에서 응용되어, 실리콘을 재료로 한 MEMS 센서의 종류는, “물리 센서”로서는 압력 센서, 가속도 센서, 각속도 센서, 마이크로폰, 온도 센서, “화학ㆍ바이오 센서”로서는 습도 센서, DNA 분석 칩, 다백질 분석 칩, 혈액 검사 칩 등이 있다.

참고로 MEMS 기술은 센서에 그치지 않고 광디바이스, 고주파 디바이스, 발전 디바이스, 유체ㆍ분석 디바이스 등에서도 활용되고 있다.

 

<그림1> MEMS 기술과 애플리케이션

자료 : ST Micro, 2012

 

이와 같은 MEMS 센서 기술은 사회의 다양한 상황에서 응용되고 있으며, 자동차, 정보통신, 안전ㆍ안심, 환경, 의료와 같은 분야의 니즈에 대응하여, 초소형ㆍ고기능ㆍ고신뢰성을 가진 다기능 MEMS 디바이스의 실용화가 진행되고 있다. MEMS 압력 센서는 자동차 엔진 등의 압력 측정, 혈압계, 기압계, 가스압계 등에, MEMS 가속도 센서는 자동차 에어백의 충격 감지, 휴대전화, 하드디스크 낙하 감지 및 어뮤즈먼트 분야 등에 폭넓게 보급되고 있다.

또한 기존의 사회를 생각하면, MEMS 기술과 관련하여, 특히 나노테크 재료 기술, 바이오 기술과 융합함으로써 새로운 라이프 스타일을 창조하는 MEMS 센서가 출현할 것으로 기대된다.

 

(3) MEMS의 제조 방법

 

MEMS 제조 프로세스인 미세 가공 기술의 흐름을 표 3.53에 나타내었다. 기본적으로는 반도체 프로세스와 마찬가지로 ‘성막’, ‘리소그래피’, ‘에칭’을 여러 번 반복하지만, 3차원적인 자립, 가동 마이크로 구조체(이하, 마이크로 구조체)를 만들기 위해 실시하는 두께가 수 µm 이상인 성막, 3차원적인 구조 상에서의 리소그래피, 딥에칭, 마이크로 구조체 기판에서의 릴리스는 MEMS 프로세스 특유의 것이다.

이러한 MEMS 프로세스는 기판 자체를 에칭했는지 아닌지에 따라 두 종류로 분류된다. 성막한 막 이외에 기판 자체도 에칭하는 방법을 벌크 마이크로 머시닝, 성막한 막만을 에칭하는 방법을 표면 마이크로 머시닝이라고 한다.

전자는 설계를 자유롭게 할 수 있으며, 아스펙트 비율이 높은 3차원 마이크로 구조체를 쉽게 제작할 수 있다. 하지만 딥에칭이나 결정이방성 에칭이라는 반도체 IC 프로세스에는 없는 특수한 프로세스가 필요하다. 따라서 프로세스의 표준화가 어렵고, 시간이 오래 걸리며, 장치 자체가 특수하다는 등 비용이 높아질 수 있다.

한편, 표면 마이크로 머시닝은 프로세스를 표준화하기 쉽고, 장치도 반도체 IC 프로세스용과 거의 동일하다. 프로세스를 표준화하기 쉬워 파운드리 서비스도 충실하여, 극단적으로 말하면 설비 투자가 없어도 MEMS를 연구 개발할 수 있다. 하지만 벌크 마이크로 머시닝과 같은 높은 아스펙트 비 구조를 형성하기는 어렵다.

 

<그림2> MEMS 프로세스를 만드는 2가지 방법

자료 : (일반재단법인) 마이크로 머신 센터(216) “산업의 콩 : MEMS(멤스)”

 

(4) MEMS의 시장 동향

 

① 시장 동향

 

프랑스의 조사업체 Yole Developpemnet가 공표한 데이터에서는 MEMS 관련 제품(센서뿐만 아니라 RF 스위치 등 포함) 시장이 2017년(예상)에는 약 140억 달러였지만, 2022년에는 약 250억 달러가 되어, 연평균 2자릿수 이상의 성장률을 보일 것으로 예측된다.

산업분야별로는, 자동차 분야, 정보통신 분야가 큰 비율을 차지하는데, 그밖에는 정밀기기 분야, 의료복지기 분야 등도 확대될 것으로 보인다.

 

<그림3> 세계 MEMS 시장 추이

자료 ; Yole Développement (2017)「Status of MEMS Industry Report」

 

센서 시장에서의 MEMS의 위치를 살펴보면, 일본 기업의 센서 출하 금액에서 MEMS 관련 제품(센서, 모듈)이 차지하는 비율은 금액을 기준으로 약 8%, 약 5% 정도이다. 한편, MEMS 관련 제품에서 센서가 차지하는 비율은 약 50%로 추정된다.

 

<그림4> 센서 시장에서의 MEMS의 위치

자료 : (좌)電子情報技術産業協会(2017) / (우) マイクロマシンセンター(2012)

 

② 플레이어

 

MEMS 제조 회사를 살펴보면, Bosch(독일), BroadCom(미국), Texas Instruments(미국) 등의 서양 세력이 판매 금액에 있어서 상위권을 차지하고 있다. 일본 회사로서는 덴소, TDK, 파나소닉, 캐논, 무라타 제작소가 상위권이다.

또한 TDK에는 매수가 결정된 전년도 8위인 Invensense(미국) 등이 포함된다.

 

<그림5> MEMS 제조 회사 [2016년]

자료 ; Yole Développement (2017)「Status of MEMS Industry Report」

 

관련도서 :  [스마트센서 기술별 산업동향과 분야별 유망시장 분석 및 기술개발 사례]  상세 보기

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