MEMS센서

자동차 MEMS센ㅅ

자동차 센서 출처-보쉬.

MEMS센서는 미세가공 기술을 이용해 하나의 칩 안에 여러 기능을 집적화시킨 초소형의 고감도 센서이다. 가볍고 작지만 기능은 뛰어나다. MEMS는 'Micro-Electro Mechanical System'(미세전자기계 시스템)의 약자이다. 이는 동작과 소리를 감지하는 것부터 압력, 자기장, 가스 등을 측정할 수 있어 다양한 영역에서 활용이 증가하는 추세다.

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개요

자동차용 센서 중에서 가장 많은 부분을 차지하는 센서는 MEMS센서이다. 전체 자동차용 센서 시장에서 멤스(MEMS)가 차지하는 부분이 3분의 2 가량에 달한다. 자동차가 쾌적한 실내 환경 제공, 안전성 증대 등을 만족하기 위해 점차 고기능화, 지능화되면서 MEMS는 자동차 전장화의 핵심 기술로 자리매김 했다. 자동차용 MEMS 시장은 안전, 압력, 유량, 가속도계, 온·습도 등 여러 분야 등에 활용되고 있으며 운전자의 쾌적한 환경, 환경보호를 위한 배기가스 제어 등이 중요시되면서 수요가 지속적으로 증가할 것으로 예측되고 있다. 특히 자율주행차, 커넥티드카, 무인자동차 등의 스마트 자동차를 구현하기 위해서 새로운 MEMS의 기술 개발을 필요로 하고 있다.

현재 글로벌 멤스 시장에서 주도권을 잡고 있는 업체들은 보쉬, 무라타, 덴소, 프리스케일, 아나로그디바이스 등 전통적인 부품 업체들이다. 그러나 전문가들은 앞으로 자동차 센서 시장에 변화가 생길 것으로 보고 있다. IT와 자동차의 융합이 가속화되는 만큼, 자동차 부품과 센서 시장에 IT 업체들이 뛰어들고 있어서다.

MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)

MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)는 '미세 전자 기계시스템'을 뜻하며, MEMS 센서는 초소형의 고감도 센서로 물리적, 화학적, 생물학적 감지를 통해 외부 환경에 대한 감시, 검출 및 모니터링을 위한 도구로 활용되고 있다.

MEMS는 작게는 마이크로미터(μm)에서 크게는 밀리미터(mm) 정도의 크기를 가지는 전자기계 소자기술을 말한다. MEMS 기술을 이용해서 만들어지는 장치들은 크기가 매우 작기 때문에 일반적인 크기의 기기들과는 매우 다른 물리적 특성을 보인다.

예를 들면, 질량이나 관성 등의 중요성은 줄어드는 대신 표면장력이나 마찰력 등이 핵심 변수가 되는데, 이와 같은 특성을 이용해 전혀 새로운 용도의 제품들을 만들어 낼 수 있다.

이처럼 작은 기계를 제작하기 위해서는 반도체 공정기술을 응용해야 한다. 반도체 회로를 만드는 것과 유사한 과정을 거쳐 멤스 구조물을 제작한다. 기판 위에 진공상태에서 얇은 막을 입힌 뒤(증착) 레이저 광선을 이용해 원하는 모양의 구조를 새기고(리소그래피), 마지막으로 화학용액이나 가스 등을 이용해 불필요한 막을 제거하면(에칭) 미세 구조물을 얻을 수 있게 된다. 반도체가 평면적으로 미세 회로를 새기는 방식을 통해 만들어지는 데 비해 멤스는 구조물들을 3차원적으로 배열한다는 점에서 차이를 보이며, 실리콘, 고분자화합물(폴리머), 각종 금속 등 다양한 물질을 재료로 한다.

MEMS 센서 관련 주요 기술로 초소형화를 위한 기술, 다양한 요소를 하나의 센서로 통합 센싱하는 기술, 3D MEMS 기술 등이 요구된다.

최근 반도체 미세가공 기술의 발전에 따라 패턴의 크기가 수 nm에서 수십 nm 영역으로 진입했으며, 이러한 나노 기술을 기반으로 NEMS(Nano Electro-Mechanical System) 센서가 연구 · 개발되고 있다. 또한, NEMS 센서를 위한 나노 진동자의 진동 측정 기술, 3차원 나노구조 및 나노기계 진동자 제작 기술, 고성능 센싱을 위한 기술 등도 함께 필요하다.

MEMS 기술을 이용하는 대표적인 센서는 가속도 센서로 스마트폰이나 스마트밴드처럼 제품의 움직임이나 움직임의 방향 정보를 이용하는 대부분의 스마트 디바이스에 이용되고 있다. 이 외에도 MEMS 기술은 다양한 분야에 활용될 수 있는데, 그 크기가 작아서 헬스케어 분야에 활용하기 위한 다양한 제품들이 개발되고 있다.

예를 들면, 스마트 콘택트렌즈에는 MEMS 기술을 이용한 센서가 포함되어 있어서, 렌즈 착용자의 당 수치를 실시간으로 관찰하는 데 이용될 수가 있다. 또한, 초소형 로봇을 제작하는 데도 활용되어 신체 내부의 건강 상태를 확인하는 데 이용되는 캡슐형 내시경 제작에도 이용될 수가 있다.

MEMS 기술은 다양한 센서에서 응용되어, 실리콘을 재료로 한 MEMS 센서의 종류는, 물리 센서로서는 압력 센서, 가속도 센서, 각속도 센서, 마이크로폰, 온도 센서, 화학ㆍ바이오 센서로서는 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.

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.

자동차와 MEMS센서

MEMS센서는 자동차의 핵심 부품이다. 초소형 고성능의 각종 센서는 운전자의 안전 운행에 크게 기여하고 있다. 중급 승용차에는 약 50여개의 센서가 장착되고 있으며 최근 최고급 승용차에는 80여 개가 넘는 센서가 장착되고 있다.

특히 자율주행차 구현을 위한 '첨단운전자지원시스템(Advanced Driver Assistance Systems, ADAS)'와 더불어 자동차와 자동차, 사물, 보행자 등 외부 환경을 인식하는 '연결기반 인식기술'인 V2X(Vehicle to Everything) 등이 개발되면서 MEMS 센서의 수요가 급속히 증대되고 있다.

IT 산업 시장조사기관 IHS에 따르면 자동차용 MEMS 센서는 전체 자동차 센서 시장규모의 3분의 1 이상을 차지하고 있는 것으로 조사됐다. 차량용 MEMS 센서 시장은 2015년 약 27억달러 규모였으며 또 이 시장은 2015년부터 연간 6.9% 성장하면서 2022년에는 32억달러에 달할 것으로 예상된다. 자동차용 MEMS의 매출이 가장 높은 분야는 안전과 섀시이며 파워트레인에서도 높은 판매량을 보이고 있다.

MEMS 기술을 적용한 센서의 상용화는 자동차 엔진 제어용 압력 센서부터 시작됐으며 현재 엔진 제어 시스템(EMS: Engine Management System), 변속 제어 시스템(TMS: Transmission Management System), 에어백 시스템(Air-bag System), 브레이크 잠김 방지 시스템(ABS: Anti-lock Brake System), 구동력 제어 시스템(TCS: Traction Control System), 전자제어 현가 시스템(ECS: Electronic Control Suspension System), 전자 안정성 제어 시스템(ESC: Electronic Stability Control system) 등 압력 및 자이로 센서 중심으로 가장 큰 시장을 형성하고 있다.

이 외에도 차량 자세 제어 시스템(VDC: Vehicle Dynamic Control System), 차량 항법 시스템(CNS: Car Navigation System), 충돌 방지 시스템(CAS: Collision Avoidance System), 정속주행 장치(CCS: Cruise Control System) 등도 중요시되고 있으며 전자엔진제어와 관련해 흡·배기 압력센서, 흡기 유량 센서 등의 개발이 활발히 진행되고 있다. 가속도 센서 = 가속도, 진동, 충격 등의 동적 힘을 감지하는 가속도 센서는 자동차에서 차체 섀시제어, 녹킹제어, 충돌 및 전복 시의 안전 제어용으로 많이 활용되고 있다. 또 가속도 센서는 벌크 및 표면 마이크로 머시닝 기술과 압전형, 정전용량형 등의 다양한 센싱 방법을 활용해 개발된다.

가속도센서 : 검출 방식에 따라 관성식, 자이로식, 실리콘 반도체식이 있다. 반도체식에는 주로 실리콘을 이용한 것이 대부분이고 그 중에서도 MEMS 기술을 이용한 압저항형 및 용량형 실리콘 센서가 주류를 이루고 있는 것이 최근 추세다.

MEMS 가속도 센서는 에어백, 현가 제어장치(ECS) 등에 사용되고 있으며 압력 센서와 더불어 가장 큰 시장을 형성하고 있다. 최근에 개발된 자이로 센서, 요 레이트 센서(Yaw Rate sensor) 등은 각종 관성 센서 개발에 핵심이 되는 필수적인 기술로 각광받고 있다.

앞으로 가속도 센서는 감지를 위한 미세 구조물과 신호처리 회로의 집적을 통한 센서의 다기능화 및 고성능이 강화될 것이다.

각속도센서 : 각속도센서의 본격적인 연구는 가속도 센서보다 늦은 1995년부터 시작됐다. 자동차가 굽어진 도로를 선회주행 할 때 도로면이나 가속 상황에 따라서 스핀(spin)을 받게 되고 자동차의 자전속도는 공전속도에 비해서 조금 빠르게 된다. 이를 각속도 센서가 감지해 자동차의 차륜에 능동적인 제동을 가해 반력이 생기도록 함으로써 스핀을 미연에 방지할 수 있게 해주는 것이다.

각속도 센서의 주 용도는 차량 항법 시스템, 차량 안전성 제어 시스템, 에어백 등에 사용된다. 특히 차량 항법 시스템의 고도화는 차량 위치의 정밀도를 필수로 하기 때문에 GPS와 각속도 센서의 성능 향상이 필수적이다.

압력센서 : 자동차에서 압력센싱은 연료압력, 연소실 압력, 브레이크 압력, 타이어 압력 등 여러 요소에서 사용되고 있다. 압력센서는 엔진 가까이에서 사용되기 때문에 120도(℃) 이상의 고온에서 견딜 수 있어야 한다. MEMS 기술을 활용한 압력센서는 압저항형, 압전형, 정전용량형 센싱 원리를 기초로 개발되고 있으며 이들이 주종을 이루고 있다.

압저항형 압력센서는 얇은 박막의 테두리에 장착된 마이크로 스트레인 게이지가 압력 작용에 의해 변형돼 저항 변화를 유발하고 유발된 저항변화를 전압으로 센싱하는 원리를 가지고 있는 것이다.

유량센서 : 산업현장에서 가장 많이 사용되는 유량 센서는 유량 산출 측정을 위한 부품으로 열, 차압, 온도, 동압, 회전수 등의 초음파 전달시간, 레벨 유도된 전기, 변이량, 와류 발생주파수 등을 측정할 수 있다.

자동차에 탑재되는 유량 센서는 차량 엔진제어시 흡기 및 배기부의 공기유량과 연료유량에 대한 센싱에 사용된다. MEMS 기술로 인해 유량 센서는 기존 보다 저렴한 가격으로 대량생산이 가능해졌다.

전망

안드레아 오네티 ST마이크로일렉트로닉스 MEMS 센서 부문 사업 본부장은 2020년 9월 2일 국제반도체장비재료협회(SEMI)가 개최한 'MEMS & Sensor Forum'에서 이같이 밝혔다.

MEMS 센서 시장은 2010년 모바일 시대의 개막과 함께 호황을 맞았고, 최근 들어 클라우드, 사물인터넷, 스마트모빌리티 등 새로운 영역에서 새로운 호황을 맞이하고 있다. 특히 스마트모빌리티, 사물인터넷 분야에서 센서의 수요가 급증하고 있다. 실제로 시장조사업체 욜디벨롭먼트에 따르면 세계 MEMS 시장 규모는 2019년 115억달러에서 오는 2025년 177억달러(약 21조원)로 지속 성장할 전망이다.

매년 교통사고로 인한 피해가 5천억달러 이상에 달하는 가운데 최근 시장에서는 이를 극복할 수 있는 대안으로 자율주행차 개발이 앞다퉈 진행 중이고, MEMS 센서는 자율주행차의 고도화에 필수적이다. 센서는 보조운전을 위한 운전자 모니터링부터 자율주행을 위한 정확한 위치 포지셔닝, 데이터 수집을 통한 운전자 편의성 확대 등을 제공할 수 있다.

사물인터넷 시장 역시 고도화될수록 더 낮은 전력으로 고성능을 구현하면서 다양한 데이터를 수집하고 안전하게 연결할 수 있는 센서 기술이 요구된다. MEMS 센서 시장을 선도 중인 ST는 이러한 스마트연결을 지원하는 최적화된 스마트 모션 센서부터 환경 센서, 비행시간거리 측정(ToF) 센서, 저전력 무선통신 모듈 등을 제공하고, 개발자들이 스마트홈부터 스마트빌딩 등의 애플리케이션에 필요한 소프트웨어 개발을 할 수 있도록 지원하는 등 생태계 확대에 주력하고 있다.

박주일 인피니언테크놀로지코리아 수석 엔지니어는 "최근 자동차 시장은 세계 각국의 이산화탄소 배출량 감소를 위한 노력의 일환으로 전기차가 크게 주목받고 있다"며 "유럽의 경우, 2021년부터 킬로미터당 이산화탄소 배출량을 95그램으로 제한하고 2023년에는 킬로미터당 이산화탄소 배출량을 59그램으로 감축한다는 목표를 세웠다. 이에 이를 구현하기 위한 센서의 수요도 크게 늘어날 것으로 기대된다"고 전했다.

참고자료

• 〈MEMS 센서〉, 《국립중앙과학관 - 사물인터넷》
• 신동윤 기자, 〈센서와 MEMS의 이해〉, 《테크월드뉴스》, 2019-07-09
• irsglobal1, 〈MEMS 최신 동향〉, 《IRS글로벌》, 2019-10-23
• 채영석 기자, 〈자동차 MEMS 센서 기술 동향 및 전망〉, 《글로벌오토뉴스》, 2012-12-30
• 이나리 기자, 〈반도체 MEMS 시장 성장, 자동차 업계가 큰 손〉, 《테크월드뉴스》, 2016-10-05
• 김은별 기자, 〈자율주행차 덕에…센서시장 2020년 50억달러 규모로 성장〉, 《아시아경제》, 2016-04-19
• 박채균 기자, 〈ST마이크로, 3세대 MEMS 센서 출시〉, 《아이티비즈》, 2022-03-11
• 글로벌오토뉴스, 〈https://post.naver.com/viewer/postView.nhn?volumeNo=28496495&memberNo=32414000&vType=VERTICAL〉, 《네이버포스트》, 2020-06-10
• nihil, 〈대양전기공업 - MEMS기반 센서 (차량용 시스템반도체 및 자율주행)〉, 《네이버블로그》, 2020-10-14
• 〈자동차 센서〉, 《감탄시대》, 2016-03-08
• 양태훈 기자, 〈MEMS 시장 2025년 21조...'자율차·IoT·AI'가 성장 이끌어〉, 《지디넷코리아》, 2020-09-02

같이 보기

• 센서
• 압력센서
• 가속도센서
• 각속도센서
• 유량센서
• 자율주행차

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