MEMS 센서(MEMS Sensor) 시장 동향

MEMS(Micro Electro Mechanical System)는 ‘초소형 전자기계 시스템’을 일컫는 말로 마이크론 단위의

기계적 구조물과 전자회로가 집적화되어 결합된 시스템, 즉 전자기계 소자를 육안으로는 볼 수 없을

정도로 작게 만든 반도체의 일종을 의미한다.

MEMS 기술은 크게 센서와 액추에이터로 분류할 수 있는데, 본고에서는 물체의 환경을 변경하지 않고

그 상태를 측정하는 것으로 움직임/가속도, 압력, 위치 파악, 화학, 온/습도 센서, Bio-MEMS 등의

MEMS 센서에 대해 집중적으로 다루었다.

1. 기술 개요

MEMS(Micro Electro Mechanical System)는 ‘초소형 전자기계 시스템’을 일컫는 말로

마이크론 단위의 기계적 구조물과 전자회로가 집적화되어 결합된 시스템, 즉 전자기계

소자를 육안으로는 볼 수 없을 정도로 작게 만든 반도체의 일종을 의미한다.

MEMS는 미국을 중심으로 통상적으로 사용되고 있는 용어이며, 유럽의 경우 마이크로시스템

(MST: Micro System Technology), 일본에서는 마이크로머신(Micro machine) 또는

마이크로 메카트로닉스(Micro Mechatronics)라는 용어로 사용되기도 한다.

<표 1> MEMS 디바이스의 응용 분야

용 도 품 목

정보통신기기용MEMS 가속도센서(민생용), MEMS 인젝트헤드, DMD(프로젝터, 리어프로젝션 TV용), MEMS 자이로센서 (민생용), 실리콘 마이크로폰(민생용), MEMS 반진기(휴대전화용)

자동차용MEMS 가속도센서(에어백용), MEMS 가속도센서(ESC용), MEMS 압력센서(연료분사용), MEMS 압력 센서(타이어 공기압 경보시스템용), MEMS 자이로센서(ESC용), MEMS 자이로센서(카네비게이션용), MEMS 요레이트(Yaw-rate) 센서 모듈

의료용 마이크로 TAS칩(분석용), DNA칩

기타 산업용 MOEMS 광스캐너, MOEMS 파장 가변필터, MOEMS 파장가변레이저, MOEMS VOA

차세대 MEMS 디바이스마이크로액추에이터, RF-MEMS 스위치(휴대전화용), 마이크로펌프(데스크탑 PC용), 마이크로리액터용 칩 (유기합성용), MOEMS 광도파로센서

※ 자료 : Amkor, “초소형 전자기계 시스템, MEMS”, 2011. 1.

기술르포

김기영 기자 kky@100m.co.kr

26 기계&자동화

2014 APRIL 27

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<표 2> MEMS의 기술적 적용 분야

기술 분야 기술 적용 분야

MEMS 센서 움직임/가속도, 압력, 위치파악, 화학, 온/습도센서, Bio-MEMS

MEMS 액추에이터 열, 유체, 전기 및 자기 액추에이터

MEMS 스위치 및 릴레이(RF MEMS) 광스위치, RF 스위치 및 릴레이

MEMS 디스플레이(Optical MEMS) DMD, GLP, FET

※ 자료 : KIET, “초정밀기기(MEMS, 첨단센서)와 실버의료기기 분야의 2020 비전과 전략”, 2007. 12.

MEMS 기술은 크게 센서와 액추에이터로 분류할 수 있는데, 본고에서는 물체의 환경을

변경하지 않고 그 상태를 측정하는 것으로 움직임/가속도, 압력, 위치 파악, 화학, 온/습도

센서, Bio-MEMS 등의 MEMS 센서에 대해 집중적으로 다루었다.

센서의 나노화 및 스마트화의 경향은 MEMS 기술을 이용한 센서제작을 가속화하고 있다.

MEMS 기술은 반도체 공정기술을 이용하여 마이크로 단위의 기계적 구조물과 전자 회로

를 집적한 시스템을 의미하는 것으로 MEMS 공정을 이용하여 제작된 전자 기계적인 미소

구조체를 이용해 물리적 화학적인 정보를 전기적인 정보로 변환하는 반도체 센서이며, 3차

원 미세가공 기술인 MEMS 기술이 종래의 크고 복잡한 기계식 센서를 일괄생산 공정이 가

능한 초소형, 초경량 전자식 반도체 센서로 대치 가능하도록 하고 있다.

초기에는 주로 자동차용 부품에 한정되어 사용되었지만 1990년대부터 본격적으로 센서에

적용되기 시작하면서 소형화, 고집적화, 경량화되어 더 많은 기능과 특징이 하나의 칩에

집적되었다. 초소형 구조물, 센서, 액추에이터 등 미소 소자를 제작하고 이를 응용한

시스템을 제작하는 연구 분야로 국내외적으로 활발히 연구가 진행되고 있으며, 자동차,

통신, 바이오 등의 미래 산업의 핵심기술로 자리매김하고 있다.

2. 국내외 시장 동향

⑴ 세계 산업 현황

글로벌 리서치 전문업체인 Yole Development의 발표 자료에 의하면, 세계 MEMS 센서

시장 규모는 2012년 110억 달러 수준에서 2017년에는 약 210억 달러로 연평균 13.8 %의

성장세가 전망되고 있다.

28 기계&자동화

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<표 3> 세계 MEMS 센서 시장 규모 전망(단위 : 억 달러, %)

구분 2012 2016(E) 2017(E) 연평균 성장률

세계 MEMS 센서 시장 110 185 210 13.8

세계 MEMS

모바일 디바이스(휴대폰, 태블릿)

17 43 54 26.0

마이크로 유체 센서 16 39 48 24.6

콤보 센서 2 11 17 53.4

※ 자료 : Yole Development, "New MEMS opportunities in cell phones and tablets", “MEMS Trends”, 2012. 4.

특히, 휴대폰, 태블릿 PC 등의 모바일 기기에서의 꾸준한 수요 증가가 시장 성장의 견인차

역할을 할 것으로 기대되고 있으며, 모바일 디바이스 분야에서의 세계 MEMS 센서 시장

규모는 2012년 17억 달러로 전체 MEMS 센서 시장의 15.5 % 비중을 차지하고 있으나,

연평균 26.0 %의 성장률로 2017년에는 그 규모가 54억 달러에 달하며 전체 MEMS 센서

시장의 25.7 % 점유율을 차지할 것으로 예상된다.

또한, 마이크로 유체 센서와 콤보 센서 역시 2012~2017년까지 각각 연평균 24.6 %와

53.4 %의 비약적인 성장이 전망되어 2017년에는 마이크로 유체 센서 시장 규모가 48억

달러, 콤보 센서가 17억 달러에 달할 것으로 전망된다. 가격의 저가화, 제품의 고성능화,

새로운 고부가가치 기능 실현 등의 다양한 니즈에 대응하기 위해 센서 통합 및 센서 융합

등이 새로운 트렌드로 떠오르고 있는 만큼 단일 패키지 안에 많은 기능을 통합한 콤보센서

시장 역시 향후 높은 성장세를 보일 것으로 기대되고 있다.

<그림 1> 애플리케이션별 MEMS 세계 시장 규모 현황 및 전망

<그림 2> 애플리케이션별 세계 MEMS 출하량 현황 및 전망

※ 자료 : Semico Research Corp, “Opportunities in the MEMS Market", 2012. 12.

Semico Research에서 발표한 “Opportunities in the MEMS Market" 보고서에서 역시

스마트폰 분야에서의 MEMS 센서 수요가 지속적으로 증가하면서 그 동안 MEMS 시장의

성장을 주도해왔던 자동차 분야의 비중을 추월할 것으로 전망하고 있다.

DisplaysOther ConsumerOther IndustrialOther Cell PhoneSmartphoneAutomotiveComputingVideo Game ConsoleGPSPMPMP3DVD PlayerDVD RecorderBlu Ray PlayerBlu Ray RecorderSet Top BoxDTVDigital Video CameraDigital CameraHandheld Video Game

DisplaysOther ConsumerOther IndustrialOther Cell PhoneSmartphoneAutomotiveComputingVideo Game ConsoleGPSPMPMP3DVD PlayerDVD RecorderBlu Ray PlayerBlu Ray RecorderSet Top BoxDTVDigital Video CameraDigital CameraHandheld Video GameDigital Photo Frame

$ 30,000

$ 25,000

$ 20,000

$ 15,000

$ 10,000

$ 5,000

$ 0

16,000

14,000

12,000

10,000

8,000

6,000

4,000

2,000

0

Millio

ns

of Dolla

rs

Millio

ns

of Dolla

rs

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Yole Development에 의하면, 주요 업체별 2011~2012년 MEMS 분야의 매출 순위는

Bosch가 1억 4백만 달러로 1위를 차지하였으며, 그 다음으로 STMicroelectronics 9,400

만 달러, Knowledges Acoustics 7,800만 달러, Panasonic 5,000만 달러 등의 순으로

나타났다.

<표 4> 2011~2012년 MEMS 분야 매출액 Top10 업체(단위 : 백만 달러)

순위 업체명 매출액

1 Bosch 104

2 STMicroelectronics 94

3 Knowledges Acoustics 78

4 Panasonic 50

5 Invensense 43

6 Infineon 36

7 AAC 31

8 Triquint 28

9 Avago 25

10 MSI 19

※ 자료 : Yole Development, “Status of the MEMS Industry report”, 2013, 7.

현재 휴대폰 및 태블릿 등의 모바일 디바이스 부문의 MEMS 센서 시장은 STMicro

-electronics, AKM, Avago, Knowledges Acoustics 등이 시장을 장악하고 있는 과

점 형태를 띠고 있다. 특히 전체 MEMS 센서 시장에서 약 40%의 점유율을 차지하며 선

두자리를 지키고 있는 STMicroelectronics의 경우 모바일 디바이스 부문 3축 가속도계

MEMS 센서 시장의 51.9 %, 모바일 디바이스 부문 3축 자이로스코프 MEMS 센서 시장

의 78.1 % 점유율로 모바일 디바이스 부문의 MEMS 센서 시장에서 독보적인 위치에 있

는 기업이다.

최근에는 고대역폭, 저소음, 기계적 안정성 및 열 안정성, 최대 ±18 g의 풀스케일을

제공하는 고성능 3축 MEMS 가속도 센서 ‘LIS344AHH’를 새롭게 선보여, 기존의 최대

±16 g 풀스케일 범위를 제공하는 유사 칩보다 성능이 향상되었으며, 높은 데이터율과

저노이즈 구동을 통합하여 미세한 진폭의 움직임도 모니터링 할 수 있어서 모션 인식기반

제어 기기에서도 더욱 매끄럽고 뛰어난 대응력을 구현하여 버추얼 증강 현실과 같은 어려운

애플리케이션 지원도 가능하다. 새롭게 공개한 STMicroelectronics의 고성능 3축 MEMS

가속도 센서는 산업용 제어나 충격 모니터링뿐만 아니라, 게임기, UI, 증강현실 등을 더욱

향상시킬 것으로 기대되고 있다.

30 기계&자동화

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한편, Invensense(인벤센스)사는 세계 시장에서 약 9

% 내외의 점유율로 업계 4위를 차지하고 있는 MEMS

센서 전문업체로 스마트폰과 게임기 등에 탑재되는

자이로, 가속도 등 MEMS 기반 모션 센서를 주력 제

품으로 취급하고 있다. 가속도 및 자이로스코프 기능

이 통합된 인벤센스의 최신 6축 MEMS 센서 ‘MPU-

6500’은 최근 삼성전자가 출시한 전략 스마트폰 갤럭

시노트3에 탑재되었으며, 삼성전자 등의 국내 대형 고객사 지원을 위해 2013년 10월, 서울

에 디자인 연구개발센터를 개설, 국내에서 MEMS 시스템온칩에 필요한 소프트웨어 및 솔

루션 개발 역할을 담당하게 될 것이라고 밝힌 바 있다.

⑵ 국내 산업 동향

글로벌 리서치 업체 Yole Development는 국내 MEMS 센서 시장 규모를 2012년 1,005억

원에서 2016년 1,748억 원 수준을 거쳐 2017년에는 2천억 원을 돌파할 것으로 전망하고

있다. 이처럼 2012~2017년까지 연평균 15% 가량의 지속적인 성장세가 예상되고 있고,

시스템반도체 분야의 차세대 성장 동력으로 각광받고 있지만 국내 업체들은 시장진입조차

제대로 하지 못하고 사실상 거의 전량을 수입에 의존하고 있는 실정이다.

<표 5> 국내 MEMS 센서 시장 규모 전망(단위 : 억 원, %)

구분 2012 2016(E) 2017(E) 연평균 성장률

국내 MEMS 센서 시장 1,005 1,748 2,010 14.9 %

※ 자료 : Yole Development,“New MEMS opportunities in cell phones and tablets”, “MEMS Trends”, 2012. 4.

국내 중소기업들을 중심으로 MEMS 센서의 국산화 시도가 몇 번 있었지만 상용화에는

실패하여 MEMS 사업을 중단하거나, 뚜렷한 매출액을 내지 못하는 등 고전을 면치

못하였으며, 삼성전자 등의 일부 대기업들 역시 다품종 소량생산이 중심인 MEMS 시장

진입은 주저해왔다. 2005년 정부가 센서 중소기업 지원 방안 일환으로 중소 팹리스 업체

들이 초도물량을 위탁생산 하도록 팹을 설립, 5년 이상 정부 지원을 받았지만, 이렇다 할

성과를 내지 못해 감사원 지적을 받기도 하였다.

2012년 1월에는 팹리스 업체 티엘아이가 MEMS 3축 가속도 센서 개발에 성공하며, 세계

적인 수준에 못지않은 품질 및 성능으로 관련 업계의 주목을 받은 바 있으나, 양산할 곳이

없어 경쟁력 있는 가격으로 제품을 상용화하기에 어려움을 겪어왔다.

최근에는 정부 지원으로 설립되었던 국내 유일의 MEMS 센서 양산 팹이 2011년 지멤스라는

<그림 3> STMicroelectronics의 MEMS

3축 가속도 센서

※ 자료 : STMicroelectronics

2014 APRIL 31

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이름으로 민영화되어 본격적인 양산에 돌입하며 재도약에 나서고 있으며, 티엘아이와도

MEMS 시설 생산을 위한 전략적 협의를 통해 양산에 들어갈 것으로 기대되고 있다.

국내 MEMS 센서 시장 동향(통계청 기준)

국내 MEMS 센서의 시장을 파악하기 위해 통계청의 “광업·제조업통계조사 보고서[품목

편]”와 “광공업 동태조사[품목별]”를 활용하여 센서와 자동차용 센서에 대한 연도별 시장

통계를 분석하였다.

<표 6> 국내 MEMS 센서 관련 품목 시장 현황

품목별 구 분 2007 2008 2009 2010 2011 전년대비 증감률

센서

사업체수(개소) 115 110 95 93 105 12.9 %

생산액(백만원) 708,769 642,848 406,063 437,909 498,160 13.8 %

출하액(백만원) 710,074 634,853 405,144 443,914 497,247 12.0 %

자동차용센서

사업체수(개소) - - 13 23 26 13.0 %

생산액(백만원) - - 212,095 427,394 669,943 56.8 %

출하액(백만원) - - 211,400 428,486 668,323 56.0 %

※ 자료 : 통계청, “광업·제조업통계조사 보고서[품목편]”, 2013. 10.

<표 7> 국내 MEMS 센서 관련 품목 시장 현황 분석

품 목 구 분사업체수 생산액(백만원) 출하액(백만원)

연평균 연평균 성장률 연평균 연평균 성장률 연평균 연평균 성장률

센서 2009~2011 98 5.13 % 447,377 10.76 % 448,768 10.79 %

자동차용 센서 2009~2011 21 41.42 % 436,477 77.73 % 436,070 77.80 %

※ 자료 : ㈜밸류애드, 2013. 10.

국내 센서의 2009년부터 2011년도까지 시장통계 분석 결과, 2011년도 사업체수는 105

개소로 감소 후 증가추세, 생산액은 4,981억 원으로 지속적인 증가추세, 출하액은 4,972억

원으로 지속적인 증가추세로 분석되었으며, 자동차용 센서의 경우, 2011년도 사업체수는

26개소, 생산액은 6,699억 원, 출하액은 6,683억 원으로 사업체수와 생산액 및 출하액

모두 2009년부터 2011년도까지 지속적인 증가추세로 분석되었다.

3. 기업 동향

⑴ ㈜지멤스

지멤스는 2005년 정부가 센서 중소기업 지원 방안 일환으로 중소 팹리스 업체들이 초도

물량을 위탁생산 하도록 만든 인천 송도 제조 공장을 2011년 정부가 센서산업의 발전을

32 기계&자동화

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지원하기 위해 정보통신산업진흥원(NIPA)이 574억 원을 현물 출자하고, 지멤스 컨소시엄이

320억 원을 현금 출자해 만들어진 합작 법인이다. 공정 기술력 감소 및 고객사 미확보

등으로 적자난에 시달려왔으나, 대대적인 재정비에 나서며 재도약을 시도하고 있으며,

최근에는 국내외 MEMS 설계 회사 10곳과 외주생산(파운드리) 계약 체결에 성공하였으며,

향후 양산을 위한 개발 단계 업체도 10군데 확보하였다.

지멤스는 8인치 웨이퍼 기준 월 3,000장 수준 생산능력을 보유하고 있어 MEMS 초기

국산화에도 도움을 줄 전망이며, 가속도 센서는 8인치 웨이퍼 팹 한 장에 각종 수율을

감안해도 1만 5,000개 이상 만들 수 있어 월 웨이퍼 1,000장을 사용하면 연간 2억 개에

달하는 센서 제작이 가능한 것으로 파악되고 있다.

⑵ ㈜티엘아이

티엘아이는 1998년 10월에 설립되어 LG디스플레이에 공급하고 있는 Timing Controller,

BOE-OT에 공급하는 LCD Driver IC 등을 주력 제품으로 사업을 영위하고 있는 반도체

설계 전문업체이다.

<표 8> ㈜티엘아이의 2013년 상반기 매출 현황

(단위 : 백만 원, %)

품 목 매출액 비 중

Timing Controller 31,331 93.17

LCD Driver IC 543 1.61

ROIC 1,435 4.27

임대료 외 318 0.95

합계 33,627 100.00

※ 자료 : ㈜티엘아이, “반기보고서”, 2013. 10.

최근 MEMS 센서, LED Driver IC, ROIC 등의

신규 사업 확장을 통해 새로운 성장 동력을

확보하고 있으며, 특히 MEMS 3축 가속도 센서

개발 성공으로 본격적인 양산에 돌입하면 국내

시장의 수입 대체 효과뿐만 아니라, 중국 등의

스마트폰 제조업체로의 수출 효과까지 기대할

수 있을 것으로 보인다. 각속도 센서, 근조도

센서 등의 개발에도 박차를 가하며 MEMS 센서 라인업을 지속적으로 확대할 계획이다.

<그림 4> ㈜티엘아이의 MEMS

3축 가속도 센서

※ 자료 : ㈜티엘아이

2014 APRIL 33

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⑶ ㈜파트론

파트론은 2003년 1월에 설립된 부품 전문업체로

사업부문은 크게 휴대폰용 부품과 기타 비휴대폰

용 부품(통신시스템, 가전, 내비게이션 등) 부문으

로 분류되며, 주요 제품으로는 카메라 모듈, 안테

나, 수정디바이스, 유전체필터, 아이솔레이터 등으

로 최근 센서류, 마이크, 광마우스, 진동모터, RF모듈 등의 신규사업을 추진하고 있다.

2012년 12월에는 국내 최초로 스마트폰용 대기압력센서 모듈 개발에 성공하며, MEMS 센

서 사업 분야에 본격 진출하였다. 이 제품은 주변 대기압을 측정, 사용자가 위치한 장소의

높이를 인식하는 센서로 3.5×3.0×1.1 ㎜의 초소형 크기로 개발되어 스마트폰의 지도 애

플리케이션에 적용함으로써 사용자에게 건물의 층수나 해발고도 등 정확한 위치 정보를

제공할 수 있도록 해준다.

<표 9> ㈜파트론의 2013년 상반기 매출 현황

(단위 : 백만 원, %)

사업부문 품 목 구체적 용도 매출액 비 중

휴대폰용 부품 카메라모듈, 안테나, 수정발진기, 센서류 휴대폰 461,167 80.68

기타 부품 (비휴대폰용 부품)

카메라모듈, 안테나, 수정발진기, 유전체필터, 아이솔레이터, RF모듈, 관통콘덴서, 진동모터, 마이크폰, 센서류, LED, 초정밀커넥터, BLU, LCD모듈

통신시스템, 가전, 내비게이션

110,451 19.32

합계 - - 571,618 100.00

※ 자료 : ㈜파트론, “반기보고서”, 2013. 10.

<표 10> ㈜파트론의 MEMS 센서 관련 매출 실적

(단위 : 백만 원)

사업부문 품 목 구 분 2011년 2012년 2013년 상반기

휴대폰용 부품카메라모듈, 안테나, 수정발진기, 센서류

수출 9,308 41,074 34,865

내수 266,877 652,182 426,302

합계 276,184 693,257 461,167

※ 자료 : ㈜파트론, “반기보고서”, 2013. 10.

해외 업체들과 기술제휴를 단행, MEMS 센서는 미국 GE가, 주문형반도체(ASIC)는

독일의 ZMDi가 설계를 맡았으며, 파트론은 모듈 개발 및 생산, 판매를 추진한다. 또한,

40 ㎛ 크기의 음향 홀에 직접 발수 코팅을 처리해 성능을 끌어올리고, 국제전기기술위원회

(IEC)의 방수·방진 등급 IP57 인증을 획득한 MEMS 마이크로폰 개발을 완료하고 2013년

3분기 양산에 돌입했다.

<그림 5> ㈜파트론의 MEMS 대기압력센서

※ 자료 : ㈜파트론