반도체 MEMS 시장 성장, 자동차 업계가 큰 손

자동차가 쾌적한 실내 환경 제공, 안전성 증대 등을 만족하기 위해 점차 고기능화, 지능화되면서 MEMS(Micro-Electro Mechanical System)는 자동차 전장화의 핵심 기술로 자리매김 했다. MEMS는 하나의 칩 안에 여러 기능을 집적화시킨 센서로 가볍고 작지만 기능은 뛰어나다.

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. 

이 글에서는 자동차용 MEMS 시장 현황과 향후 새롭게 사용될 MEMS 기술에 대해 살펴보겠다. 

자동차의 핵심 부품으로 부상한 ‘MEMS’

초소형 고성능의 각종 센서는 운전자의 안전 운행에 크게 기여하고 있다. 중급 승용차에는 약 50여개의 센서가 장착되고 있으며 최근 최고급 승용차에는 80여개가 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 올해는 이보다 4.3% 성장한 28억달러에 이를 것으로 전망된다.

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.

가속도 센서는 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.

각속도 센서 = 각속도 센서의 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.

압력 센서 = 자동차에서 압력센싱은 연료압

력, 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.

유량 센서 = 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.

고부가가치 산업에 투자…자동차 선두국 중심 MEMS 개발 적극

MEMS 기술을 이용한 자동차용 센서가 고부가가치 품목으로 여겨지면서 미국, 일본 및 유럽에서는 MEMS 기술 개발에 국가적인 차원에서 집중적인 지원을 하고 있다.

미국은 NSF(National Science Foundation)의 자금지원으로 매년 가속도 센서에 대한 연구비를 지원하고 있다. 미국의 GM, 포드, 다임러크라이슬러 등의 빅3 자동차 회사도 적극적인 연구개발에 나서서 엔진 제어장치에 필요한 압력 센서를 자체적으로 해결하고 있으며 연간 천만 달러 이상의 에어백용 가속도 센서를 생산하고 있다.

일본의 경우는 재단법인 마이크로머신 센터를 설립해 마이크로 나노 분야(Micromachine 및 MEMS)의 산·학·관 협력 체제를 결집시켜 1991~2000년까지 10년간 정부·NEDO 주관 하에 마이크로머신 기술 연구개발 프로젝트를 수행했으며 2004년 이후부터는 MEMS용 설계·해석 지원 시스템 등의 새로운 신기술 기반을 확립해 나가고 있다. 일본의 대표적인 기업으로는 덴소, 파나소닉, MELCO 등이 있다. 

유럽의 경우는 공동개발 형태로 추진하고 있다. 독일의 지멘스, VDO, 보쉬, 인피니언 스위스의 CSEM, 프랑스의 사젬(Sagem) 등은 자동차용 가속도 센서 및 각속도 센서의 연구 개발을 활발히 추진하고 있다.

한국의 경우는 외국 기업들의 활발한 제품 개발과는 달리 관련 기술의 연구 개발 및 원천기술의 확보가 활발히 이뤄지고 있지 않은 실정이어서 아직까지도 수입 의존도가 높다. 만도, 케피코 등에서 1980년대 중반부터 연구 개발은 시작됐으나 아직까지 기술력에 있어서 해외 기업과 많은 차이를 보이고 있다.

자동차용 MEMS 공급 상위 10개 기업…시장 공략 가속

자동차 시장에서 MEMS의 수요가 높아지고 다양해지면서 반도체 기업들이 수혜를 얻고 있으며 기술 개발에 적극적인 움직임을 보이고 있다. IHS에 따르면 2015년 기준으로 자동차용 MEMS를 공급하는 상위 10개 반도체 기업들은 전체 공급량의 78%를 차지한 것으로 조사됐다.

2015년 자동차용 MEMS 시장에서 매출 순위는 보쉬(Bosch), 센사타(Sensata), NXP(프리스케일, 덴소(Denso), 아나로그디바이스(Analog Devices), 파나소닉(panasonic), 인피니언(Infineon), 무라타(Murata), 델피(Delphi), ST마이크로일렉트로닉스(ST Microelectronics) 순으로 나타났다.

독일 기업 보쉬는 2015년 디바이스 판매 규모가 7억9000만달러(약 8700억원)에 달하며 2위 센사타(Sensata)에 비해 3배에 달하는 디바이스를 시장에 공급하며 자동차용 MEMS 시장에서 압도적인 점유율을 기록했다.

보쉬는 1995년부터 자동차 애플리케이션에 압력센서를 공급한 이후 현재 압력, 유량, 가속도계, 자이로스코프 등 다양한 MEMS 제품군을 갖췄다. 주행안정성제어장치(ESC), 전복감지 분야 시장에서 빠르게 성장했으며 매니폴드절대압력센서(MAP), 진공 브레이크 부스터 압력 감지 등 엔진을 측정하는 핵심 분야는 보쉬의 강점이다.

예컨대 보쉬의 판매율이 높은 센서는 커브 구간 등에서 차량의 미끄럼 방지를 위한 시스템인 가속도 센서 ‘SMI700’과 조용한 엔진 작동을 위한 센서로 엔진의 연료 소비를 감소시키고 깨끗한 배기가스를 제공해주는 ‘SMP480’이 대표적이다.

보쉬에 이어 미국 기업 센사타(Sensata)는 지난해 일본 덴소와 미국 프리스케일을 제치고가 2위로 뛰어 올랐다. 센사타는 파워트레인과 압력센서 분야에서 높은 성장을 했는데 이는 지난 2014년 10억달러에 이수한 타이어 압력 모니터 공급업체로 독보적인 슈레더(Schrader)의 혜택을 톡톡히 봤다는 업계의 분석이다.

NXP는 차량용 MEMS 센서 시장에서 3위로 등극했다. 이는 에어백 센서와 TPMS용 압력 센서, 가속도계 센서에서 강점을 갖고 있던 프리스케일을 인수한 덕이다. 그동안 NXP는 차량용 자기 센서에서만 알려져 있었다.

일례로 NXP의 대표적인 각속도 센서 ‘KMA215’는 EMC 성능을 제공하는 동시에 자동차 관리 제어 장치 내 표준 인터페이스인 SENT 프로토콜을 준수한다.

NXP측에 따르면 NXP는 현재 차세대 에어백, ESC, 전자식 주차 브레이크 틸트 앵글 측정 솔루션에 활용하기 위한 가속도 센서에 주력하고 있다고 밝혔다.

이 외에도 NXP는 엔진 오일과 냉각수, 에어컨 과열방지를 위한 온도센서, 높은 정밀도의 자동 센싱 솔루션, 전자 나침반 기능을 제공하고 가속도 센서와 결합해 방위 정확도를 향상 시키는 자력계 등을 선보이며 제품군을 확대해 나갈 예정이다.

지난해 덴소는 엔화 약세 영향으로 2013년보다 두 단계 하락한 4위를 기록했다. 덴소는 MAP, 기압 측정, ESC 압력 측정, 가속도계를 비롯해 연속 가변 트랜스미션 시스템을 위한 압력 센서, 에어컨 센서에서 좋은 평가를 받고 있으며 배기압력 센서는 유럽의 주요 기업에 주문자상표부착생산(OEM)으로 공급한다. 덴소는 절반 이상을 일본 자동차 메이커 도요타에 공급하고 있으며 현재 파트너사 확장에 노력하고 있다.

아나로그디바이스(이하, ADI)는 안전 센싱을 위한 중력 가속도계와 자이로스코프, 에어백 센서 등에서 좋은 입지를 갖고 있다. ADI는 175도(℃)의 온도를 견디도록 설계된 자이로스코프를 업계에서 선두로 출시한 바 있으며 차량에서 갑작스러운 고강도의 힘을 받는 애플리케이션과 뇌진탕 감지 시스템을 구현하는 3축 MEMS 가속도계 ‘ADXL375’도 주력제품으로 내세우고 있다.
아나로그디바이스-ADXL375Z.jpg    ADI 가속도계 ADXL375

파나소닉은 2014년 보다 매출 순위가 두 단계 올라갔다. 파나소닉은 인-대시 내비게이션 자이로스코프에서 선두기업으로 ESC용 세이프티 애플리케이션에서의 자이로스코프에서 보쉬와 비슷한 매출을 올리고 있으며 대부분의 매출을 일본 자동차 메이커의 차량용 자이로스코프에서 올리고 있다.

7위를 기록한 인피니언은 주로 엔진제어에 필요한 BAP, MAP 압력센서, TPMS 그리고 에어백 시스템에 적용되는 사이드 에어백 센서에 주력하고 있다.

인피니언측은 “자동차용 MEMS는 자동차 기능안전(Functional Safety)을 위한 ISO26262 규격을 만족하는 센서로 진화하고 있다”며 “신규분야로는 자동차에서도 MEMS 마이크로폰(Microphone) 적용이 확산되고 있다”고 설명했다.

이 외에 무라타는 ESC 가속도센서 및 콤보센서 분야에서 강세이며 델피는 에어백 센싱 분야에서 높은 매출을 보이고 있다.

자동차 ‘환경·안전’ 기능 강화로 MEMS 개발 다각화

향후 차량용 MEMS 센서는 어떠한 방향으로 발전될까? 최근 자동차는 내비게이션, 경사 또는 기울기 측정, 텔레매틱스, 자동차 키 모듈, 자동차 알람의 eCall 시스템과 같은 차량 편의 기능을 비롯해 과거에는 없던 보행자보호 시스템을 중요시하면서 MEMS 종류는 훨씬 더 다양해지고 있다.

또 MEMS 센서는 차량의 지능화를 위해 센싱, 네트워킹, 컴퓨팅 및 엑츄에이팅 기능이 융복합된 기술이 적용되고 있다. 특히 SoC(System-on-Chip) 기술의 도입과 MCU(Micro Controller Unit)가 센서에 내장되면서 논리제어 및 처리, 메모리, 통신기능을 동시에 가진 차세대 스마트 센서로 발전되고 있는 추세다.

이와 관련 보쉬측은 “새롭게 떠오른 전기자동차와 커넥티드카 등의 애플리케이션에 사용되는 MEMS는 배터리 수명과 비용절감 등을 위해 지속적인 혁신 기술이 개발되고 있다”며 “보쉬를 비롯해 반도체 업체들은 차량 편의 기능에 사용되는 MEMS 센서를 위해 모션감지 등 새로운 개념을 접목시켜 개발해 나가고 있다“고 설명했다.

이 외에도 시장조사기관 IHS는 자동차용 MEMS 시장에서 새롭게 성장 가능성 높은 분야로 운전자에 도움이 될 수 있는 야간 버전 시스템을 위한 마이크로볼로미터와 인포테인먼트 시스템이라 물리는 핸드 프리의 마이크로폰, 공기 흡입 습도 측정, 보행자 탐색 등의 애플리케이션들이 가파르게 성장할 것으로 내다봤다. 센서가 새롭게 적용될 수 있는 분야로는 헤드업 디스플레이에 대한 스캐닝 미러와 어댑티브 LED 헤드라이트가 꼽힌다.

또 세계 자동차 시장은 환경보호를 위해 엄격한 배출 기준과 의무 안전 규제를 적용함에 따라 파워트레인 MEMS 센서 기술의 중요성이 더 높아졌다. 가장 대표적 규제는 유럽연합(EU) 디젤차 배기가스 배출 규제인 ‘유로6’다.

이에 따라 지난해 9월부터 생산되는 모든 디젤 차량은 질소산화물 배출량 80mh/㎞ 이하, 휘발유 차량 60㎎/㎞ 이하를 준수해야 한다.

예컨대 영국 자동차산업 지속가능성 보고서에 따르면 영국 자동차 산업계가 ‘유로6’를 준수하기 위해 클린 디젤 기술을 도입함으로써 관련 부품 시장 경쟁력을 높였다고 발표한 바 있다.

배기가스 규제는 미국, 유럽 등 주요 자동차 시장뿐만 아니라 신흥 성장국인 중국, 브라질, 인도 등으로 확산될 조짐이어서 관련된 자동차용 MEMS 제품은 성장에 탄력을 받을 전망이다.

더불어 실내 환경, 텔레메틱스, 충돌·안전, 조향·현가, 편의성, 친환경을 중심으로 마이크로·나노기술을 이용한 연구 개발이 활발히 진행될 것으로 기대된다.