MEMS 압력센서의 기술 및 산업동향

가. MEMS 압력센서

MEMS 압력센서는 단순한 제작 방법, 구조, 감지 원리 등의 이점으로 인해서 가장 먼저 상용화가 된 대표적인 MEMS 센서이다. 일반적으로 MEMS 압력센서는 사용하는 압력범위의 용도에 따라 구조적으로 다양한 형태로 개발되고 있다. (그림 1)은 반도체 기판의 후면 관통 식각을 통하여 제작되는 MEMS 압력센서들의 대표적인 구조들로써 5~50kPa 범위의 게이지 압력센서, 밀폐된 공동(cavity)구조를 가지는 100~200kPa 범위의 절대압을 측정하는 맴브레인 압력센서, 700kPa 범위의 압력차이를 측정하는 차압센서의 대표적 단면구조를 나타낸다.

(그림 1)

압력 범위에 따른 압력센서 구조

반도체 산업기술의 발전과 함께 발전해 온 MEMS 압력센서는 90년대부터 실용화된 압력센서로서 히스테리시스(hysteresis) 현상이 없고 감도 선형성이 우수하며, 소형경량으로 진동에도 매우 강한 것이 특징이다. 또한, 기계식보다 고감도, 고신뢰성이며 양산성이 좋다. 이것은 외부압력을 응력으로 변환하는 다이어프램과 다이어프램에서 발생하는 응력을 전기신호로 변환하는 두 부분으로 구성되어 있다. 일반적으로 다이어프램은 단결정 실리콘을 화학적으로 에칭(etching, 식각)하여 형성하며, 다이어프램에서 발생하는 응력을 전기적 신호로 변환하는 방법으로 진동자의 고유진동수 변화와 표면 탄성파를 이용하는 것도 있으나 주로 압저항형과 정전용량형의 두 종류가 가장 많이 사용되고 있다.

이중 압저항형 압력센서[ (그림 2) 참조]는 저항확산형 또는 확산형 압력센서라고도 하며, 저항소자를 형성시킬 때에 반도체의 불순물 확산 공정이 이용되기 때문이다. 압저항형 압력센서는 반도체 공정으로 얇은 박막을 형성하고 박막과 기판의 경계에 실리콘 압저항체를 형성하여 압력에 의해 박막이 변형되면 압저항체의 저항이 달라지는 것을 감지하여 압력을 측정한다. 압저항형 반도체 압력센서는 온도 특성이 나쁘고 회로 호환성이 떨어지지만 구조와 공정이 단순하고 회로가 간단하여 현재 산업 전 분야에 범용으로 많이 쓰이고 있다.

(그림 2)

압저항형 MEMS 압력센서

<출처>: http://www.radiolocman.com/review/article.html?di= 148185

정전용량형 MEMS 압력센서[ (그림 3) 참조]는 서로 마주 보고 있는 전극판의 간격을 외부로부터의 응력에 의하여 변화되어 전극 간의 정전용량이 변화한다. 이 정전용량 변화를 전기신호로 변환시키면 응력이 검출된다. 정전용량형은 매우 정밀하게 제작할 수 있고 미세한 변화도 회로에서 감지할 수 있어 고감도이나 전극의 형성, 외부 회로와의 연결이 복잡한 구조로 되어 있고 응답성이 나빠 수요는 적다. 그러나 온도특성이 우수하고 소형이며 고감도인 관계로 생체 등 특정 압력의 영역에서 일부 사용되고 있다.

(그림 3)

정전용량형 MEMS 압력센서

<출처>:https://www.omron.com/ecb/products/sensor/special/mems/tec02.html

(그림 4)에서 보이는 바와 같이 압저항형 압력센서는 저압(0.1기압)에서 중압(10기압)까지의 압력감지 범위를 가져 일반적으로 대부분의 압력 측정에 사용할 수 있다. 반면 정전용량형 압력센서의 경우 높은 감도를 보이므로 초저압(0.001 기압)까지 정밀하게 측정할 수 있지만 구조상 상대적으로 높은 압력은 측정이 어려워 저압(1기압)까지 감지할 수 있어 정밀한 압력을 측정하는 분야에 적합하다[1].

(그림 4)

압력센서 종류별 압력감지 범위 분포[1]

<출처>:https://www.omron.com/ecb/products/sensor/special/mems/tec02.html

이 외에도 MEMS 압력센서로 광학식, 공진방식, 전자기 유도 방식 등 다양한 방식이 오랫동안 연구되었으나 구조 및 공정이 복잡하여 용도가 제한적이고 비용이 많이 들어 상용화되지는 못하였다.

나. MEMS 압력센서 제작방식

MEMS 압력센서의 제작방식에 따른 분류를 보면 기판을 가공하여 센서 구조로 사용하는지에 따라서 벌크형과 표면형으로 나누어 볼 수 있다.

벌크형 압력센서는 실리콘 기판의 전면에 감지 회로를 구성하고 난 후에 기판을 후면에서 관통 가공하여 기판의 상부를 감지 박막으로 사용하는 방식으로 제작되는 압력센서[ (그림 5) 참조]이다. 후면 관통 가공을 위한 별도의 공정과 비용이 들고, 압력 캐비티를 형성하기 위해서 이종 기판 접합을 해야 한다는 번거로움이 있으나, 오랜 기간에 걸쳐 공정이 잘 개발되어 있고 생산 단가가 낮아 현재 대부분의 멤스 압력센서는 벌크형으로 제작된다.

(그림 5)

벌크가공형 MEMS 압력센서 제작방식

표면형 압력센서는 기판을 직접 가공하지 않고 기판의 표면에 반도체 공정으로 감지 박막과 압력 캐비티를 형성하는 방법으로 제작되는 압력센서[ (그림 6) 참조]이다. 기판을 가공하지 않으므로 반도체 공정으로 쉽게 제작할 수 있지만 박막의 두께와 압력 캐비티의 크기 등에 제약이 따르므로 감지 범위가 좁고, 감도가 낮아 거의 사용되지 않고 있다. 하지만 최근에는 ST Microelec-tronics사에서 공정이 개선된 표면형 멤스 압력센서가 개발되어 고감도 압력센서를 생산하고 있다.

(그림 6)

표면가공형 MEMS 압력센서 제작방식

가. 압력센서 응용 분야

압력센서는 다양한 산업군에서 널리 사용되고 있으며, 멤스 압력센서가 개발되면서 더욱 많은 분야에 적용되고 있다. 대표적인 응용 분야를 <표 1>에서 정리하여 보았다. 가장 많이 사용되고 있는 분야인 자동차에는 현재 약 10여 종, 20개 이상의 압력센서가 장착되고 있으며, 전기자동자, 연료전지 자동차, 지능형 자동차, 무인 자동차 등 새로운 형태의 자동차가 개발되면서 요구되는 센서가 증가하고 있으며 압력센서도 마찬가지로 더 많이 장착될 것으로 보인다. 전통적으로 오랫동안 사용됐던 산업 분야에서도 기존에 조립형태로 만든 모듈형태의 압력센서를 MEMS 압력센서를 활용한 소형 고감도 압력센서로 대체될 것으로 보인다.

<표 1>

MEMS 압력센서 응용 분야

또한, 지금까지의 압력센서는 자동차 및 산업용으로 주로 사용돼 왔으나, IoT 및 모바일 기술의 발달과 함께 앞으로는 모바일 및 웨어러블 기기, 의료 및 헬스케어, 가전제품과 같은 일상생활 전반에 걸쳐 그 응용 분야가 확대되면서 더 많은 종류의 압력센서가 개발될 것으로 보인다.

나. 압력센서 주요 업체 동향

MEMS 압력센서는 대표적인 MEMS 센서로써 전 세계적으로 수십 개의 센서업체가 제품을 개발하여 판매하고 있다. 이 중 Bosch, Denso, Sensata, GE Sensing, Freescale 등 자동차용 센서 중심의 회사들이 시장의 50% 이상을 점유하고 있으며, 나머지 업체들이 다양한 분야에서 압력센서를 제작하고 있다.

1) Bosch Sensortec

보쉬는 센서 산업 분야에서 기술적으로나 사업적으로나 선두에 서 있는 기업이다. 특히 자동차용 센서 분야에서 거의 독보적인 지위를 유지하고 있다. MEMS 분야에서 축적된 기술을 바탕으로 1995년 이후로 1억대 이상의 MEMS 압력센서를 생산하고 있는 세계 시장 점유율 1위 업체이며, 자동차용 및 모바일용 압력센서를 타깃으로 하는 전통적인 이종 접합형 압저항식 압력센서[ (그림 7) 참조]를 생산하고 있다.

(그림 7)

Bosch 이종접합형 MEMS 압력센서

<출처>:https://www.ifixit.com/Teardown/Samsung+Galaxy+ Nexus+Teardown/7182

2) GE Sensing

GE Sensing은 기존의 산업용 및 가전용 압력센서뿐만 아니라 의료 애플리케이션용의 압력센서[ (그림 8) 참조]도 개발하여 의료기용 압력센서 시장에서 높은 점유율을 갖고 있다. 의료용 압력센서는 일반적인 MEMS 압력센서들이 외부 유체(비부식성 기체)와 직접 접촉하여 압력을 측정하는 데 비해서 gel을 패키지 내부에 충진하여 액체 및 다양한 종류의 가스의 압력도 직접 측정할 수 있다.

(그림 8)

GE Sensing 의료용 압력센서

<출처>:http://www.amphenol-sensors.com/en/products/pressure-mems

3) ST microelectronics

ST microelectronics는 전 세계적으로 800여 개 이상의 MEMS 관련 특허 및 특허 애플리케이션을 보유하고 있으며, 하루 생산 가능 수량이 400만개 이상으로 현재까지 30억 개 이상의 MEMS 디바이스를 출하해온 세계 1위 MEMS 센서 제조사이다. 최근에 고도 측정을 위한 고정밀 MEMS 압력센서 시리즈를 출시하고 시장 점유율을 높여가고 있다.

다. 압력센서 최신 연구동향

1) ST microelectronics

기존의 센서 업체들과 달리 ST는 독자적인 공정 기술을 이용하여 표면가공형 방식으로 단일 기판형 세계 최소형 압력센서 칩을 만들고 이를 회로칩과 적층 패키지[ (그림 9) 참조]하여 폼팩터를 줄이고, 특허 패키지 기술을 이용해서 방진 방수가 되는 Land Grid Array(LGA) 타입으로 패키지하여 세계 최소형의 고정밀 압력센서제품을 내놓고 기술적으로 선도하고 있다.

(그림 9)

ST microelectronics 압력센서 내부 구조[2]

ST가 특허(US 8,334,148)를 가진 표면가공형 압력센서 제작방식은 (그림 10)과 같다[2]. 우선 기판에 트렌치를 파고 에피층(Epitaxial layer)을 길러서 트렌치 상부가 막혀 공동들이 생성되게 한 뒤에, 열처리를 통해서 트렌치 실리콘들이 이동하여 공동들이 합쳐지면서 하나의 밀폐된 캐비티를 형성하도록 한다. 그 후에 기판을 선택적으로 도핑(doping)하여 압저항부를 형성하여 압력센서를 제작한다. 이렇게 제작된 센서는 단일 기판이므로 이종 접합형에 비해서 두께가 매우 얇아 적층 형식으로 패키지가 가능해진다. 또한, 박막의 두께를 벌크형보다 줄일 수 있어 더 작은 크기로 센서 제작이 가능해진다. ST는 이 공정을 통해서 더 작고 저렴하면서 더 높은 성능을 갖는 센서칩을 제작하고 있다.

(그림 10)

ST microelectronics 압력센서 제작방식[2]

2) 한국전자통신연구원(ETRI)

한국전자통신연구원(ETRI)에서는 외국 선도사의 선행특허 회피는 물론 원천특허가 확보된 독자적인 표면가공형 MEMS 압력센서를 개발하고 있다. 이를 통해 시장 경쟁력을 확보하고, 압력센서의 국산 양산화를 추진하고 있다.

ST와 동일하게 단일기판을 사용하면서도 캐비티 형성 방법에서 원천특허[3]를 확보한 압력센서의 제작 공정[ (그림 11) 참조]은 다음과 같다.

(그림 11)

ETRI 표면가공형 압력센서 제작방식

기판에 트렌치를 파고 열산화막을 성장시켜 트렌치가 산화되면서 하나로 합쳐지도록 한다. 그 후에 감지 박막을 증착하고 기판 내의 산화막을 식각하여 캐비티를 형성하고 박막의 식각홀을 막아 캐비티를 밀폐하고 그 위에 감지부를 형성하여 압력센서[ (그림 12) 참조]를 제작한다.

(그림 12)

ETRI 표면가공형 압력센서

ETRI의 압력센서는 ST와 달리 폴리실리콘을 압저항으로 사용하여 감도는 낮지만, 회로와 공정 호환성이 높고 온도 특성과 선형성이 높은 장점이 있다. 또한, 박막을 증착으로 형성하기 때문에 더 얇고 정밀하게 제작할 수 있어서 더 작은 센서의 제작이 가능하다.

압력의 힘을 기계식 플돔관 등으로 측정하여 기계적 표시장치에서 나타내는 아날로그 방식에서 현재의 압력센서는 반도체 기술과 MEMS기술의 발전에 힘입어 초소형화 디지털화 저전력화로 개발이 계속 진행되고 있고, 힘의 크기를 전기적 신호의 정량적인 값으로 변환시키는 회로소자가 탑재된 일체형의 단일칩 형태로 출시되고 있다. 또한, 최근에는 온도에 따른 압력 보정을 위하여 온도 보상 회로 및 제어 프로그램까지 집적된 고정밀, 고기능 센서로 기술적 발전[ (그림 13) 참조]을 거듭하고 있다.

(그림 13)

압력센서 개발동향

<출처>:지경부, “첨단센서 육성사업 기획보고서,ȍ 2012.

1960년대 반도체 기술을 이용해 개발되던 센서 중 압력센서는 1970년대 상용화를 가장 먼저 한 센서로 현재까지 고성능 센서개발이 지속해서 진행되고 있는 센서이다. 수요가 크고 활용도가 매우 다양한 센서로써 회로집적화 소형화를 통하여 휴대형 장치인 고도계, 혈압계 및 인지장치 등 서비스 분야에 새로운 시장을 열어가고 있다. (그림 14)는 MEMS 기술을 이용한 각종 MEMS 제품 중 세계시장에서 MEMS 압력센서 시장규모를 상대적으로 비교한 것으로 압력센서는 2015년 칩 시장규모가 약 21억불에 달하며, 매년 7.7%의 성장률(Compound Annual Growth Rate: CAGR)을 나타내고 있다.

(그림 14)

MEMS 시장규모

<출처>:E. Mounier, “Future of MEMS: A Market and Technologies Perspective,ȍ Yole Developpment, MEMS Tech Seminar, 2014.

MEMS 압력센서는 (그림 15)와 같이 가장 먼저 상용화에 성공한 제품으로 1980년대 이후 단가조정기를 지난 후 반도체 일괄생산라인 체계를 통하여 더욱 정확하고 다양한 기능을 가지는 신뢰성 있는 제품으로 상용화가 지속해서 이루어지고 있다. 특히 고압, 고열분야의 특정용도의 압력센서는 최근 Silicon Carbide(SiC)와 반도체 재료 및 가공기술의 발전으로 미국, 일본, 유럽 등의 선진국에선 고부가가치를 지니는 특정용도의 전자식 압력센서 개발에 박차를 가하는 반면 국내 압력센서 시장은 수입의존도가 매우 높은 분야로 대부분 국내센서 산업체에서는 핵심 센서칩을 수입하여 패키징 및 하우징을 통한 제품을 출시하고 있다.

(그림 15)

센서개발 및 상용화 단계

<출처>:E. Mounier, “Future of MEMS: A Market and Technologies Perspective,ȍ Yole Developpment, MEMS Tech Seminar, 2014.

(그림 16)과 (그림 17)은 각각 압력센서의 사용분야별 시장규모와 수요를 나타낸 것으로 아직은 자동차 분야에서의 수요가 가장 크다[4]. 그러나 2011년부터는 모바일 기기를 포함하는 가전 쪽 분야에서 수요가 큰 폭으로 증가하는 것을 보이는데, 이는 스마트폰 및 태블릿 등에서 부가 서비스 기능으로 날씨, 고도탐색 등 부가환경 정보 서비스 분야에서 많은 수요가 일어나 2016년까지 스마트폰은 ~50%, 태블릿용 기기에는 ~2% 정도의 수요 신장률을 가져올 것으로 전망된다.

(그림 16)

압력센서 시장[4]

(그림 17)

압력센서 수요[4]

(그림 18)은 참고로 가전분야에서 압력센서를 포함한 신규센서제품의 급속한 수요를 창출하고 있는 스마트폰 및 태블릿과 같은 모바일 전자기기들에서 소요되는 센서의 시장규모를 나타낸다.

(그림 18)

스마트폰 및 태블릿 센서시장

<출처>:Yole Developpment, “MEMS for Cell phones and Tablets,ȍ 2013.

또한, 최근 MEMS 압력센서는 초소형화 저전력이 요구되는 인체이식형 의료기기 분야에서도 향후 많은 수요가 있을 것으로 전망된다. 의료기기 세계시장은 2009년 2,489억불에서 2014년 3,403억불로 연평균 6.5% 정도로 성장하고 있으며[(그림 19) 참조], 특히 이 분야에서 초소형 MEMS 압력센서의 활용분야는 휴대용 체외형 압력센서 분야와 인체이식형 압력센서 분야로 시장을 형성하고 있다. 주사용 용도는 혈압, 뇌압, 안압 등을 감지하는 소자로 사용될 전망이다.

(그림 19)

의료기기 시장

<출처>:KHIDI, “의료기기산업 분석 보고서,ȍ 2014.

MEMS 압력센서는 반도체 기술 및 MEMS 기술을 이용하는 것으로, 칩 생산구조는 일반적 반도체 제품생산과 같이 설계, 칩 생산 및 패키징의 과정을 거치나 센서의 용도에 따라 유체 내부, 고압, 고열환경 등 다양한 시스템에 탑재되는 형태로 사용하기 때문 구조적 및 기계적으로 모듈 하우징과 같은 전문적 제품완성 기술이 필요하다. 일반적으로 압력센서 칩 메이커에서 설계 및 생산을 담당하고, 모듈 및 하우징 분야 설계제작은 별도의 전문기업에서 생산조립하여 시스템업체에 공급하고 있다.

센서산업은 통상적으로 센서공급 및 수요기업으로 Value Chain을 형성하고 있으며, 일차적으로 칩 제조회사들이 1차 공급자가 되며 칩을 공급받아 패키징 및 하우징을 담당하는 2차 공급자를 통하여 제품으로 출시된다. 수요자는 이를 이용한 센서모듈 및 센서시스템 제조사들이 1차 수요자로 볼 수 있으며, 2차 수요자는 최종 자동차, 가전제품 등 완제품에 사용하는 생산 판매기업으로 볼 수 있다. (그림 20)은 MEMS 압력센서 칩을 전문적으로 생산 공급하는 회사들의 시장 점유율을 보여주는 그래프로써, 거의 미국, 일본, 유럽의 회사들이 세계시장의 70% 이상을 점유하고 있는 상황이다[1].

(그림 20)

압력센서 제조사별 시장 점유율[1]

국내 압력센서 현황은 다른 센서에 비해 수입의존도가 높은 센서품목으로서, 국내 대부분 업체는 기계식 압력센서에 의존하고 있고 일부 자동차용 MEMS 압력센서는 전장용으로 케피코 등에서 자체개발을 통한 생산을 수행하여 자동차 산업에 기여하고 있는 상태이다. 그 외 일부 중소업체인 오토닉스, 맨택, ㈜미코에스앤피 등이 오프칩 형태로 저가형 압력센서를 개발 제작하고 있으나, 상용화는 미미한 수준이고 국내 일부 패키징 및 하우징 전문업체들이 사용하는 상용 압력센서 칩은 대부분 국외 전문생산업체의 칩 수입에 전량 의존하고 있다. 특히 자동차, 원자력발전소, 산업시설 등에 소요되는 특수센서는 고분해능과 고신뢰성을 요구하는 특성으로 전량 수입하여 사용하고 있다.