모션센서의 기술동향과 발전 가능성
모션센서 기업들, 로봇산업으로까지의 시장 확대 기대한다
일본 콘솔게임기인 닌텐도 ‘위(Wii)’ 덕분에 널리 알려진 모션센서는 ‘3차원 가속도 센서’라고 불리기도 하며 주로 전후, 좌우, 상하 3방향의 가속도 변화를 감지하는 역할을 한다. 이를 이용하면 물체의 움직임을 3차원 방향으로 감지할 수 있을 뿐만 아니라 물체의 기울기도 산출할 수 있어 다양한 활용이 가능한 것으로 알려졌다. 최근엔 세그웨이, 아이보 등의 로봇제품에도 적용되며 높은 관심을 받고 있다.
모션센서의 중요성 및 발전 가능성
모션센서 시장에 커지면서 ST마이크로, 아날로그디바이스 등 선발업체 외에 소스오디오, 엑스센스 등 후발 기업까지 가세하면서 주도권 경쟁도 한층 치열해지고 있다. 센서의 가격이 크게 하락하면서 모션센서 시장이 열리기 시작했기 때문이다. 초미세 가공기술인 ‘MEMS’ 기반 모션센서는 5~6년 전 대당 가격이 20달러였으나 지금은 매우 낮은 수준으로 떨어진 상태다. 시장조사 업체 본 리서치는 모션센서의 가격이 떨어지면서 비디오 게임기·휴대폰 등 일반 소비재 제품에 잇따라 탑재되고 있으며 가장 빠르게 성장하는 분야 중 하나로 평가했다. 모션센서를 기반한 제품도 크게 증가하는 추세로 게임기 중에서는 닌텐도 ‘Wii’가 대표적이며 인터넷에 버금가는 혁명적인 발명품의 하나로 꼽히는 ‘세그웨이’에도 모션센서가 필수 부품으로 내장된 상태다. 또, 소니 로봇 장난감 ‘아이보’도 3차원 가속 모션센서 기반으로 설계되는 등 로봇으로 적용된 사례도 여럿이다. 최근에는 노트북과 휴대폰 시장까지 진출했다. 노트북은 본체에 충격이 있을 경우 이를 자동으로 감지, 하드디스크 등을 보호하는 용도로 활용되고 있으며, 애플이 출시한 ‘아이폰’에도 비디오 스크린의 기울기를 감지해 이미지를 맞춰 주는 용도로 쓰이고 있다. 최근에는 프린터 헤드에도 모션센서가 탑재됐다. 닌텐도 게임기 ‘Wii’에 ‘자이로 센서’를 공급한 아날로그디바이스는 관련 매출이 크게 늘어 2006년부터 3년간 소비자와 모바일 핸드셋용 MEMS(가속도, 압력, 자이로센서)부문에서 118%의 성장률을 기록하고 있고 로버트 보쉬, ST마이크로, 프리스케일 등 다른 업체도 관련 사업을 크게 강화하는 추세다. WSJ는 이들 외에도 주로 실리콘밸리를 근거지로 게스추어테크, 소스오디오, 엑스센스와 같은 새내기 업체가 모션센서 시장을 노크하고 있다.
모션센서 기술동향 : 해외
-엠텍비젼
엠텍비젼은 설립초기부터 축적된 카메라 관련 기술을 바탕으로 기존 일본 제품의 기본 구조를 탈피하여 혁신적 구조의 CCP(Camera Control Processor)를 국내 최초로 개발하였는데, 그것은 기존 제품 대비 뛰어난 성능을 가지고 있어서 국내 카메라 폰 CCP 시장을 석권하고 업계의 표준으로 자리 잡았으며, 응용 MEMS 센서 기술과 접목하여 지속적으로 적용될 예정이다. MV9331은 조도의 외부 환경에서 급격한 변화에도 최적화된 영상을 만들 수 있도록 제어하는 칩으로서 컴퓨터에서 영상데이터를 대형 프레임메모리에 저장하고 후처리를 함으로써 화질 향상작업을 하는 사례는 있었으나, 이런 기능을 프레임메모리 조차도 사용하지 않으면서 후처리가 아닌 전처리 방식으로 정지영상뿐만 아니라 동영상의 화질까지도, 실시간으로 최적영상을 만들어 내는 획기적인 제품을 개발했다. 이외에도 손떨림 보정 기술을 적용하여 정지/동영상에서 보다 선명한 이미지를 구현할 수 있으며, 그동안 고화소 카메라 모듈의 문제점으로 지적되어 온 불량화소, 렌즈왜곡 현상, 픽셀 간의 불균일성 등을 개선하는 기능을 한 차원 진일보시켰고, 500만 화소 해상도를 지원하며 화질을 획기적으로 개선하였으며, 유사기능의 경쟁 제품 대비 최소 사이즈로 신패키지 기술을 적용하여 세계에서 가장 얇은 패키지 두께를 실현하였다. 2005년 7월부터 본격적으로 카메라 내장 휴대폰에 공급하여, 이미 그 기술력을 인정받았고, CCP(카메라 컨트롤 프로세서), MMP(모바일 멀티미디어 플랫폼)와 더불어 주력 제품군으로 성장하였다. MV9331이 출시되기 전부터 고객사로부터 제품개발 모델이 확정이 되었고, MV9331의 개발과 관련하여 현재 10여 개의 특허를 출원 중에 있으며, 화질 개선 및 인터페이스 구현과 관련된 중요기술을 확보하고 있다.
-코아로직
코아로직의 기술력은 Mobile 분야의 CAP(Camera Application Processor) 제품군 및 ISP(Image Signal Processor)를 개발하였고, Mobile 멀티미디어 기술의 총화라고 할 수 있는 MAP(Multimedia Application Processor) 제품도 개발하였으며, 각종 Audio/Video Decoder의 자체 개발을 통하여 세계적인 위상을 구축하였다. 코아로직은 카메라 폰의 핵심부품인 카메라 애플리케이션 프로세서(CAP) 제품군, 첨단 멀티미디어 폰용 멀티미디어 애플리케이션 프로세서(MAP) 제품군, 메가픽셀급 이상 고화소 카메라 폰에 사용되는 이미지 시그널 프로세서(ISP) 제품군 등을 공급하고 있는데, 지난 2002년 8월 메가픽셀급 화질을 지원할 수 있는 CAP를 개발하여 세계 시장에 출시하면서 현재와 같은 고속성장의 기틀을 마련했다. 코아로직의 R&D 연구소는 축적된 반도체 설계기술과 Digital Imaging Technology 분야에서 오랜 경험을 쌓은 국내 정상의 연구 인력으로 구성되어 있는데, 이 회사는 설립 이후부터 Mobile용 Application Processor 분야에 꾸준한 기술개발 노력을 아끼지 않고 있고, 지문 인식용 CMOS Image Sensor 및 DSP, 디지털 바코드 인식 솔루션, PC Camera 등의 제품과 칩 솔루션을 개발하여 판매 중이다. 스마트폰 시장이 급성장해서 2010년에는 전체 휴대폰 출하량의 1/3 이상을 차지할 것으로 보고, 스마트폰에서 단순 MAP나 베이스밴드 원칩 만으로는 전체 기능을 제어하기 어렵다는 판단에 따라 더욱 강력한 성능의 혁신적 애플리케이션 프로세서(AP)를 준비 중이며, 스마트폰용 칩 시장을 선점함으로써 성장세를 지속하고 칩이 여러 디지털가전에도 적용될 수 있게 할 계획이다.
모션센서 관련 주요부품·소재 생산업체
국산 모션센서 기술의 경우, 대부분 중소 센서 업체들로 구성되어 주로 장치감지 및 제어 등의 용도로 센서를 개발하고 있어서 크기, 전력소모, 감도와 같이 센서노드에 적용하기에는 한계가 있고, 센서 관련 무선 통신 소자기술은 한국과학기술원(KAIST)의 미세정보시스템(MICROS) 프로젝트에서 오백 원 크기의 칩을 개발한 바 있고, 삼성종합기술원과 함께 IEEE802.15.4의 표준에 준하는 통신모듈을 개발 중 NEMS 응용소자(각종 센서, 액추에이터, 바이오 툴 등), 메모리(광디스크, DRAM 등), 디스플레이(FED, 램프, 백라이트 유닛 등) 분야에서 나노 소재를 이용한 대면적 조립 및 패터닝 기술은 세계적으로 기술적인 우위를 차지할 수 있는 분야다. 국내 산업체의 경우, 중소(벤처)기업이나 대기업이 MEMS 센서의 다품종 소량생산, 시장의 미성숙에 기인하여 장기적으로 연구 개발 및 대규모 시설 투자가 저조하나 오토닉스, 한영전자, 카스와 같은 국내 업체들이 꾸준한 연구개발로 근접 센서, 온도 센서, 압력 센서와 같은 종류에서 국산화가 진행되었고, MEMS형 물리 센서도 상용 수준까지 개발되었다. 최근 국내에서는 MEMS 기술이 접목된 휴대폰이 출시되고 있는데, MEMS 기술의 관성 센서(Inertial Sensor)는 운동의 관성력을 검출한 뒤 측정 대상이 되는 움직이는 물체의 가속도, 속도, 방향, 거리와 같은 다양한 항법 관련 정보를 제공하는 것이 특징이기 때문에 직접 손으로 움직여 번호와 문자의 입력을 인식하는 6축 동작인식 기술은 휴대폰의 사용자 접속을 변화시킬 수 있는 분야로 각광받고 있다.
모션센서 기술보유 현황
그동안 국내의 대학, 연구소, 기업체 등에서 가속도 및 각속도 센서 등 모션센서에 대한 연구는 있었으나 상품화로 이어지지 못했다. 따라서 에스엠엘전자의 모션센서 제품 개발 및 양산화 성공은 센서 전체가 국내 기술로 설계, 제작됐다는 의미뿐만 아니라 대학에서 시작한 반도체 부품산업의 기초기술을 한 단계 더 발전시켜서 양산화까지 성공한 결과로 산학 협력의 좋은 예다. SML전자는 본격적인 가속도 센서 제품을 출하, 판매하기 시작해 모바일 기기, 자동차, 로봇 시장에서 2010년까지 내수 600억원 수출 300억원을 목표로 하고 있으며 MEMS 모션센서는 국내에 취약한 반도체 부품산업을 이끌어 갈 원동력 중 하나가 될 것이며, 전자기기의 핵심부품의 국산화로 국내 전자 및 기계 산업의 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다. 그동안 국내에는 모션센서 생산업체가 없어 STMicro, Freescale, Bosch, Analog Device사 등 해외 유수 업체들의 제품을 전량 수입하였는데, 이들 외국대기업들과 경쟁하기 위해서 SML전자는 STMicro사에 이어 세계 두 번째로 센서 생산에 8인치 웨이퍼 반도체 IC 공정을 이용하여 가격 경쟁력을 확보했다. 국내 반도체 생산관련 기업들과의 협력을 통하여 안정적으로 대량 생산이 가능한 생산인프라를 구축한 SML전자는 다수의 원천 특허 기술로 MEMS 기반 고성능 센싱코어(Sensing Core) 기술 및 CMOS 공정을 이용한 아날로그, 디지털 혼성모드 모션신호처리 반도체 기술에 높은 기술 경쟁력을 확보하고 있다. 이렇게 가격과 성능에 경쟁력을 갖춘 2축 가속도센서(모델 SMA2420L)와 3축 가속도센서 (모델 SMA3920L)를 2007년도와 2008년도에 각각 양산개발에 성공했다. 한국전자거래진흥원 부설 RFID/USN센터와 8인치 기반의 MEMS 가속도 센서 양산에 대한 파트너십을 체결하고 MEMS팹(FAB)에서 양산된 가속도센서가 처음으로 선보일 예정이다. 이 가속도 센서는 세계적으로 드문 8인치 MEMS 팹에서 생산될 예정이서 더욱 주목된다. 최근까지 국내에서는 가속도 센서를 양산할 수 있는 곳이 전무했는데 이번 양산공정 기술을 활용 본격적인 양산 시대를 열게 됐다.
기술경쟁력 분석
-핵심 기술별 분석
많은 모션센서 제조사들은 MEMS 센서형태의 칩을 제조하고 있으며 모션센서수요가 큰 폭으로 성장함에 따라 이를 포함하는 MEMS 센서 시장도 크게 성장하고 있다. 모션센서는 단순 모션만을 감지하는 단일 기능에서 가속도, 압력 등 다양한 물리적 개념을 모두 포함함으로써 MEMS 센서로 통합되어 살펴보는 것이 합리적인 것으로 평가받고 있다. 이러한 관점에서 MEMS센서의 국내 RF Chip 업체들은 0.1㎛ 공정과 같이 미세 반도체 설계 및 공정개발이 가능해지자 5GHz 정도의 고주파 대역까지 개발하고 있고, RF와 베이스밴드의 단일 Chip을 활발히 연구개발하고 있는데, RF Chip용 반도체 소자는 주로 화합물 반도체(GsAs)와 실리콘반도체(Si)가 사용되므로 화합물 소자는 차단 주파수가 높아 주로 5GHz 이상의 RF Chip 구현에 사용된다. 국내 MEMS센서가 미래 성장을 위하여 SiP/SOP 형태나 MCP(Multi Chip Package) 형태로 신제품들을 출시할 것으로 전망되는 가운데, 웨이퍼 아래 구현이라는 공통점으로 인해 RF MEMS 기술이나 RF 나노 기술과도 접목될 것으로 예상되고, 국내 RF Chip 업체 및 학계를 중심으로 CDMA 및 GSM(Global System for Mobile communication) 방식 단말기의 Base Band부가 CMOS 칩으로 RF MEMS 칩으로 단일화를 추구했다. 국내 모션센서는 이를 포함한 개념인 MEMS 센서로 대체될 수 있으며 국내 산학연의 총체적인 기술 수준을 일본이나 미국을 100으로 놓고 비교할 때, 국내 모션센서 및 MEMS 센서의 기술 수준은 약 90% 가까운 수준으로 파악된다.
-기술경쟁력 종합 평가
국산 MEMS센서 기술들의 경쟁력을 향상시키기 위해서 VLSI/ ULSI(Ultra Large Scaled IC), 다중 센서 칩 자체, SiP와 SOP 수준의 칩/모듈 패키지, A/D 신호처리기, 시스템운영체제, 그리고 임베디드 소프트웨어가 개발되어야 하고, 다양한 응용에 사용될 수 있도록 콘텐츠와 응용 프로그램들이 개발되어야 하며, 정부의 기술개발 정책과 MEMS 산업 육성 정책이 필요하다. 차세대 핵심 개발인 MEMS 센서와 센서IT융합반도체 칩에 관련한 국내외 칩 시장 규모와 나노관련 국내 기술개발 동향과 제품 시장 동향을 보더라도 일본, 미국, 유럽의 선진국들이 추진하고 있는 나노 기술, 바이오 기술, 정보통신 기술의 융/복합 방식을 통하여 미래 신 성장산업을 육성하고 있는 점을 감안할 때, 차세대 MEMS 또는 NEMS 센서들이 전통적인 단품 센서와 달리 다양한 종류들을 하나의 패키지로 수용하는 노력과 소프트웨어를 탑재하는 노력들이 요구되고 있다. 향후, 세계 시장에 출현하게 되는 MEMS 센서들은 에너지절약, 자원절약, 공해방지, 생산부문의 고효율화, 정밀화, 주택, 사무실의 각종 기기의 고성능화, 교통통제의 고도화, 재해방지 시스템의 효율화와 같은 사회 각 부문의 요구를 충족시키기 위해 정보처리 시스템과 그 정보를 얻기 위한 각종 기기에서 하나의 핵심 부품으로서 그 역할이 매우 크고, 유비쿼터스 환경에서 다중 복합 MEMS 센서가 상황 정보를 검출하는 수단이다.
모션센서 산업육성 정책제언
현재 세계적으로 50여개의 MEMS 제조연구센터를 포함하여 다수의 MEMS 설계연구센터가 운영되고 있는데, 이들 센터들을 중심으로 미국과 유럽의 경우, 수백 개의 벤처회사들이 설립되어 제품을 개발하고 상용화하고 있는 실정이다. 이미 MEMS의 산업적 기반이 형성된 상황인데, 국내에서도 한국전자, 네패스, 세주엔지니어링, 플래닛82, 에스와이하이테크 등을 포함하여 약 60여개 업체들의 기술 개발을 위해 정부의 과제 지원이 요구되고 있다. 대한민국도 MEMS센서 분야에서 일본, 미국에 이어 세계 3위의 기술력을 갖고 있고, 반도체 소재, 공정, 회로설계 기술들을 기반으로 하기 때문에 다른 어느 나라와의 경쟁에서 충분히 선도해 나갈 수 있고, 해당 MEMS 센서가 가지게 되는 소재, 칩, 공정, 회로, 모듈, 소프트웨어, 응용서비스, 콘텐츠 그리고 시스템마다 개별적으로 또는 집합적으로 해당되는 국제기술표준화를 선도할 수 있는 장기적인 정책과 기술표준화의 지원이 요구된다. 국산 기술의 경쟁력을 증폭하거나 혁신하기 위해서는 모바일 단말기, 홈 네트워크 단말기, 스마트 케이가전 단말기와 같이 미래 소비자 시장에서 성장 동력으로 부상하고 있는 세부 기술들과 결합할 수 있는 소프트웨어 기술, 미들웨어 기술, 콘텐츠 기술과 병행해서 MEMS센서 또는 NEMS센서 그 자체 기술들과 하드웨어 기술에 속하는 모듈/부품기술들도 동시에 개발되어야 하기 때문에 국책 과제의 활성화를 지속적으로 유지해야 한다. 또한, MEMS센서와 NEMS센서에서 국산화를 높이기 위해서는 소재 기술의 개발을 산학연을 통해서 지속적으로 펼쳐 나아가고, 공정기술과 설계기술도 대학과 대학원의 인력양성 프로그램과 병행해서 지속적으로 유지해야 한다.
모션센서 기술경쟁력 강화 방안
융합신산업의 한 부류이자 기초산업이 되는 MEMS 센서 산업의 성장을 가속화하기 위해서 세계 또는 국내 기술표준화를 통해서 라이브러리를 구축하여 MEMS 제품을 설계할 수 있도록 지원하고, 대전 KAIST내에 위치한 나노종합팹센터와 같은 팹(Fab.)설비의 국비 투자에 의한 확보와 운영을 통하여 기업의 개발, 제조 출시에 대한 분업화를 이룩하고 양산에 대비하여 한-중의 생산설비 구축과 생산기술의 혁신을 동시에 추진한다. MEMS센서의 다양한 종류들 중에서 최첨단 제품이나 기술로서 국내 최초, 세계최초의 기록을 남기는 과제의 결과물에 대한 국내외 시범(실증실험) 시장이나 사용자 그룹의 구성이 전제되어야 임상실험을 마치게 되는 제품 출시 과정을 보아 지자체나 정부나 대덕특구본부는 개발된 기술 시작품의 기능, 성능, 인터페이스, 케이스 외에도 신뢰성, 안정성, 충실성을 평가할 수 있는 테스트 베드(Test-bed) 구축 지원 사업이 요구된다. ST마이크로, 디세라, 보쉬센서텍, 사이타임 등의 반도체 및 정밀기계 업체는 MEMS 오실레이터(주파수 발진기), MEMS 공명기와 같은 MEMS 응용제품을 개발하고 상용화에 나섰다. 현재는 MEMS의 설계, 제작, 공정, 조립의 기술들이 발전하여 NEMS의 분야로 진출하고 있다. 휴대폰을 비롯해 대다수 전자제품에 들어가는 수정진동자를 MEMS가 대체할 것이라는 전망도 나오고 있고, 독일의 뮌헨에 소재한 컨설팅업체 WTC는 MEMS가 휴대폰에 도입되는 시기는 이르면 2008년께로서 MEMS는 최첨단 멀티모드 휴대폰 부품 구성을 완전히 바꾸게 될 것이라고 분석한 것으로 보아 차세대 반도체 부분에서 MEMS센서와 나노 반도체 공정 기술의 개발이 급선무이기 때문에 이와 같은 국내외 기술과 산업의 정세를 감안하여, 정부는 MES산업의 육성이 성과를 막대하게 창출할 수 있도록 관련 소관 부처들이 서로 힘을 합하여 국가 경쟁력 강화의 전략 산업으로서 종합적이고 지속적인 정책의 시행이 요구된다.
KETI 기술정책실
