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인공지능 음성 스피커 성장의 핵심 기술 ‘MEMS 마이크로폰’

입력 : 2018.05.02 10:53

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[첨단 헬로티]


‘음성인식 비서 서비스’ 기술 성장과 더불어 정확한 음성 인식을 돕는 필수 반도체인  ‘MEMS(Micro Electro Mechanical System) 마이크로폰’이 주목받고 있다. MEMS 마이크로폰은 2002년에 미국의 놀스(Knowles)가 처음으로 선보였으며, 애플이 2012년 아이폰5에 ‘시리’ 서비스를 제공하기 위해 처음으로 놀스의 MEMS 마이크로폰을 채택하면서 시장이 급부상했다. 



이후 스마트폰의 음성인식 비서 서비스 기능의 중요도가 커지면서, 보다 정확한 음성인식 기능을 제공하기 위해 아이폰의 MEMS 마이크로폰의 탑재 수가 점차 증가하고 있는 추세다. 아이폰6에 3개가 탑재됐던 MEMS 마이크로폰은 아이폰6S 시리즈부터 4개로 증가했다. 삼성전자, 샤오미, 화웨이, LG전자 등도 아이폰에 영향을 받아 스마트폰에 4개의 MEMS 마이크로폰을 탑재하기 시작했다. 또 태블릿과 스마트워치에서도 1~2개의 MEMS 마이크로폰을 탑재하고 있으며, 최근 가정용 인공지능 스피커가 급부상 함으로써 MEMS 마이크로폰의 수요가 빠르게 증가하고 있다. 더 나아가 향후 자율주행차에 인공지능 비서 서비스가 제공되면, MEMS 마이크로폰은 8개를 초과할 수 있을 것이라는 전망이다. 


이처럼 MEMS 마이크로폰의 성장 가능성은 무궁무진하다. 시장조사기관 욜(Yole)이 발표한 보고서에 따르면 MEMS 마이크로폰과 더불어 기존에 각광 받았던 전자콘덴서마이크(Electret Condenser Microphone, ECM), 오디오 IC 시장은 2016년 150억 달러 이상을 기록했고, 2022년까지 연평균 6% 성장할 것으로 전망했다. 그 중 MEMS 마이크로폰은 2016년 9억 3300만 달러 시장을 기록했고, 2017년에는 10 억 달러 이상 시장을 형성하며, 약 50억 개 이상의 디바이스에 탑재될 것으로 발표했다. 또 MEMS 마이크로폰은 2017년부터 2022년까지 연평균 11.3% 성장하며 가장 높은 성장폭을 기록할 것으로 전망된다. 그 밖에 코덱, DSP, 증폭기를 포함하는 오디오 IC 시장은 2016 년 43 억 달러 시장 규모를 형성했다.


▲ MEMS마이크로폰 시장 전망 (자료: Yole)


MEMS 마이크로폰이란?


MEMS는 반도체 제조 공정을 응용해 마이크로미터(㎛, 100만분의 1미터) 크기의 초미세 기계부품과 전자회로를 동시 집적하는 기술이다. 즉, 기존에 흔히 사용됐던 일렉트릿 마이크로폰의 핵심부품인 다이아프램의 크기가 약 10배 정도 작아서 소형화가 가능하다는 것이 장점이다. 내열성에 약한 폴리머 재질의 다이아프램을 사용하는 일렉트릿 마이크로폰과 달리 MEMS는 리플로 솔더링(Reflow soldering) 온도(약 260℃)에 견딜 수 있는 세라믹과 금속으로 구성된 강건한 다이아프램을 사용하기 때문에 표면실장기술(SMT) 기반의 패키징 적용이 가능해  대량생산에 유리하다. 또 온도, 습도, 진동에 따른 감도 열화가 거의 나타나지 않기 때문에 제조 시, 오디오 튜닝 비용을 절감할 수 있다는 장점이 따른다. 이런 이유로 MEMS 공정으로 생산된 마이크 칩은 기존 전자콘덴서마이크(Electret Condenser Microphone, ECM) 대비 크기와 전력 소모량이 작아 스마트폰, 태블릿, 이어마이크 등 하이엔드 모바일 기기로의 채용이 늘고 있는 추세다. 


MEMS 마이크로폰 핵심기술은 ▲MEMS 음향센서 칩 ▲CMOS ROIC(Read-Out Integrated Circuit) 칩 ▲음향 패키지가 포함된 마이크로폰 모듈로 구성된다. MEMS 마이크로폰 모듈은 센서인 MEMS 마이크로폰 칩과 신호처리회로인 주문형반도체(ASIC) 칩 2개로 구성돼 있다. ASCI 칩에는 마이크로폰 칩에 바이어스를 인가하기 위한 차징 펌프(Charge pump)와 마이크로폰 칩의 출력신호, 즉 정전용량 변화를 검출하기 위한 검출회로, 그리고 검출된 신호를 증폭하는 증폭기 등 3종류의 회로로 구성된다. 최근 MEMS 마이크로폰은 초소형화, 디지털 출력, ANC와 같은 지능형 신호처리를 위해  MEMS 센서와 CMOS 기반 ASIC이 동일 칩 상에서 일체화된 iMEMS형으로 발전하고 있는 추세다. 


MEMS 마이크로폰은 크게 정전용량형(Capacitive-type)과 압전형(Piezoelectric-type) 방식으로 구분되며, 업체마다 지향하는 기술이 다르다. 정전용량형을 생산하는 기업으로 놀스(Knowles, 미국), 압전형은 베스퍼(Vesper, 미국)가 대표적이다. 


정전 용량형 MEMS 마이크로폰은 크게 외부 음압에 반응해 물리적 신호를 전기적 신호로 변환 해주는 센서 부분과 음향 센서에서 발생되는 높은 출력 임피던스 신호를 처리하는 판독 집적회로(ROIC: Readout integrated circuits) 부분으로 구성된다. 각각의 모듈은 패키징 공정을 통해 일체화가 되며 이러한 공정은 고온에서 열을 가해주는 와이어 본딩과 다양한 접착 단계를 수반하게 된다. 


신기술인 압전형 MEMS 마이크로폰은 기존 정전용량방식 MEMS 마이크로폰보다 더 얇은 제품을 만들 수 있고, 5~10마이크로초(㎲) 이내로 응답 성능을 개선할 수 있다. 무엇보다 진동판 대신 압전 물질을 사용하기 때문에 별도 패키징 없이도 방수•방진 기능을 갖춘다. 반면, 압전 물질은 음성신호의 압력에 따른 전기적인 신호의 변화는 있지만 낮은 대역과 음성대역 주파수 특성이 불균일해 상용제품의 응용이 극히 제한적이다.


MEMS 마이크로폰은 지속적인 단가 하락에 따른 사업성 악화를 극복하기 위해 높은 신호잡음비(SNR: Signal-to-Noise Ratio)와 디지털 성능의 고부가가치 제품 개발이 중요해 졌다. 이와 관련해 업계에서는 “MEMS 마이크로폰은 현재 연구개발 중인 압전형이 기존의 생산되고 있는 정전용량형 대비 성능과 가격 경쟁력을 확보할 수 있는지가 새로운 기술과 시장 변화의 핵심 관전 포인트다”고 말한다.


인공지능 스피커 시장을 잡아라! 

MEMS 마이크로칩 시장 ‘지각변동’


MEMS 마이크로폰 모듈 시장 선두주자는 미국의 놀스가 압도적인 시장 점유율로 1위를 차지하고 있다. 놀스의 출하량은 2위인 중국의 고어텍(Goertek) 보다 2배 이상 차이가 난다. 연이어 3위 중국의 ACC, 4위 프랑스와 이탈리아 합작 기업 ST마이크로일렉트로닉스(STMicroelectronics), 5위 국내 기업인 BSE 등이 시장에서 독보적이다. 


▲ 놀스의 MEMS 마이크로폰 패턴과 매핑


MEMS 마이크로폰의 핵심 기술인 MEMS 음향센서 칩 시장 기준에서는 놀스, 인피니언(독일), 옴론(일본), NJRC(일본) 순으로 높은 시장 점유율을 차지하고 있다. 놀스의 MEMS 센서 칩은 자체생산, ROIC 칩은 ams(오스트리아)에 ODM 생산해 핵심 칩을 모두 자체 조달하고 있기 때문에 마이크로폰 센서 칩 시장에서도 높은 점유율을 차지하고 있는 이유다. 2위인 인피니언은 MEMS 마이크로폰 시장 규모가 확대되면서 크게 이득을 보고 있는 업체로 손꼽힌다. ECM에 기술 기반을 두고 있는 AAC, 고어텍, BSE, 호시덴 등은 인피니언으로부터 센서와 ROIC 칩을 공급받고 있기 때문이다. ST는 ROIC 칩은 자체 생산하지만, MEMS 센서 칩은 옴론으로부터 공급받고 있다.


그러나 최근 음성 칩 시장에서 신기술을 강점으로 내세운 스타트업의 활약과 업체간 협력으로 시장이 다각화 되고 있다. 2009년 설립된 미국 업체 베스퍼(Vesper)는 2016년 중국의 ACC와 스마트폰 압전형 MEMS 마이크로폰 상용화를 위한 협약을 체결했다. ACC는 아마존의 알렉사 펀드의 공급업체이기도 하다. 따라서 베스퍼는 MEMS 다이와 ASIC 칩을 제공하고 AAC이 마이크로폰 완제품을 만들게 됐다. 또 국내 기업인 미래나노텍도 2016년 10월 베스퍼와 합작사 ‘미래베스퍼’ 설립에 합의했다. 


또 2014년에 설립된 오스트리아 업체 유사운드(USound GmbH)는 MEMS 마이크로폰 스피커 제조용 압전 MEMS 플랫폼을 개발했다. 유사운드는 2017년 1월 1200만 유로의 투자액을 유치해 주목 받았으며, 투자자로는 반도체 설계 지적재산권(IP) 기업인 Arm의 설립자 헤르만 하우저(Hermann Hauser)가 참여한 것으로 알려졌다. 연이어 2017년 2월 유사운드는 ST마이크로일렉트로닉스와 소형 압전 MEMS 액추에이터의 산업화와 생산 관련 협력 체결을 발표했다. 이를 통해 유사운드는 자사의 특허 마이크로-스피커 기술을 소형 피에조(Piezo) MEMS 액추에이터가 탑재된 핸드셋에서 널리 쓰이는 BA(Balanced-Armature)와 일렉트로다이내믹 수신기(Electrodynamic receiver)를 대체하는 것을 목표로 한다고 밝혔다. 반면, ST는 박막 압전(TFP; Thin-Film Piezo-Electric) 기술을 적용해 생산된 액추에이터로 청취용 기기나 스마트폰의 방열, 전력소모를 오디오 품질의 저하 없이 낮추고 비용 개선을 목표로 한다. 


이처럼 업체별 기술 동향 변화에 따라 아이폰에 MEMS 마이크로폰을 공급하는 업체 기술에도 변화가 있었다. 예로, 아이폰7과 7플러스를 살펴보면, MEMS 마이크로폰 공급업체에 변화가 있었다. 아이폰7과 플러스7에는 각각 4개의 MEMS 마이크로폰이 탑재됐는데, 앞면의 마주보고 있는 두 개의 하단 마이크는 놀스와 고어텍스의 제품이었다. 공정 측면에서는 ST마이크로일렉트로닉스가 더 이상 옴론에 의존하지 않고 최초로 자체 제조 기술을 선보이기 시작했고, 인피니언으로부터 ROIC칩을 공급받는 고어텍은 인피니언의 듀얼 백플레이트 MEMS 기술을 적용시켰다. 


신기술 MEMS 마이크로폰 ‘주목’ 


인피니언은 2017년 8월 고성능 저잡음 MEMS 마이크로폰에 대한 요구에 대응하기 위해 패키지화된 실리콘 마이크로폰 시장에 진출을 알리며 신제품을 공개했다. 인피니언의 듀얼 백플레이트 MEMS 기술을 적용한 아날로그, 디지털 마이크로폰은 차별화된 70dB의 신호대 잡음비(SNR)를 제공하고, 135dB 음압 레벨(SPL)일 때 10%로서 왜곡이 극히 낮아 고음질 음향 레코딩과 원거리 음성 포착 등의 애플리케이션에 적합하다. 이와 관련해 인피니언 전력 관리 및 멀티마켓 사업부의 센서 부문 책임자인 로널드 헬음(Roland Helm) 박사는 “패키징 파트너사들과 협력하여 대량 베어 다이(Bare die) MEMS, ASIC 사업 모델을 확장할 수 있게 됐다. 인피니언은 계속해서 베어 다이 비지니스에 주력할 뿐만 아니라, 이제 2개의 패키지화된 마이크로폰으로 저잡음 하이엔드 제품에 대한 요구를 충족할 수 있게 됐다”고 말했다. 


▲ 인피니언의 듀얼 백플레이트 MEMS 기술


앞서 언급한 유사운드와 ST의 기술 협약에 따라 양사는 2018년 1월 기술 협력의 첫 번째 결과물로 실리콘 기반의 초소형 마이크로 스피커를 발표했고, 스페인 바르셀로나에서 개최된  MWC 2018에서 첫 공개했다. 이 스피커는 실리콘칩 기반 고성능 MEMS 모션 센서, 압력 센서, 마이크는 정황 인지, 내비게이션, 트래킹 등이 탑재돼 인공지능 비서 스피커 외에도 모바일, 오디오 액세서리, 웨어러블, IoT 디바이스 다양한 오디오 음향 가전에 사용될 수 있다.  


ST 측은 “ST의 박막 피에조 기술인 압전변환기를 포함한 MEMS 디바이스 설계와 공정 영량 덕분에 첨단 스피커를 실리콘 웨이퍼에서 높은 수율을 유지하면서 비용 효율적으로 양산할 수 있게 됐으며, 이를 위해 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 칩 공정을 적용했다”며 “MEMS 마이크로-스피커는 온전히 실리콘만으로 공정이 되어 더욱 간소하고 신뢰할 수 있는, 나아가 양산 시 경제성이 뛰어나다는 특징을 갖는다. 따라서 오디오 서브시스템 설계는 더욱 소형화되고 전력 소모는 줄어들면서 3D 사운드와 같은 혁신적인 기능을 개발할 수 있게 됐다”고 설명했다. 


압전형 MEMS 기술을 보유한 베스퍼는 2017년 11월 스마트 스피커, IoT 등 음성인식 디바이스를 위한 고성능 MEMS 마이크로폰 VM2000을 출시했다. 이 제품은 정확한 음성 캡처와 선명도 향상을 위해 마이크 어레이를 사용한 점이 특징이다. VM2000은 베스퍼 제품 중 최상의 MEMS 마이크로폰으로, 일반적인 66dB 신호 대 잡음비 (SNR)를 달성하고 133dB SPL(Sound Pressure Level)의 AOP(Acoustic Overload Point)를 제공하여 시끄러운 환경에서 명확한 음성 인식을 지원한다. 무엇보다도 압전형 마이크로폰은 재료비를 최대 50% 까지 줄여 용량성 마이크로폰 보다 훨씬 저렴한 비용으로 제작할 수 있다는 것이 회사 측의 설명이다. 


맷 크라울리(Matt Crowley) 베스퍼 CEO는 “장치 당 최대 7개의 MEMS 마이크를 사용하는 음성 기반 스피커 성장으로 인해 MEMS 마이크 어레이에 대한 요구가 높아지고 있다. 그러나 용량성 MEMS 마이크의 문제점은 오염 물질에 노출될 때 시간이 지남에 따라 저하된다. 어레이에 있는 하나의 마이크가 드러워지거나 습기가 많아지면 어레이가 제대로 작동하지 않아 음향 시스템 성능과 원거리 정확도가 제한된다”고 설명했다.  


▲ 베스퍼 MEMS 마이크로폰 VM2000


베스퍼는 아마존의 알렉사 음성 서비스를 지원하고 있는 중국의 음향 전문 기업 링크플레이(Linkplay)의 제품 라인에 추가로 MEMS 마이크로폰 공급을 체결했다고 지난 1월 CES2018에서 발표하고 데모를 선보였다. 이 제품군에는 베스퍼의 VM1000, VM1010과 가장 최신 기술인 VM2000이 공급될 예정이다. 


국내, MEMS 마이크로폰 기술 개발에 나선다 


한국은 스마트폰 매출 1위인 삼성전자와 또 LG전자가 생산하는 스마트폰 물량으로 인해 MEMS 마이크로폰 수요가 높은 편이지만, MEMS 마이크로폰은 대부분 수입에 의존하고 있다. 앞으로 스마트폰 뿐 아니라 홈 스피커, 오토모티브 등 음성인식 기반으로 활용될 산업이 확대되고 있기 때문에 MEMS 마이크로폰 기술 개발에도 관심을 가져야 할 때다. 


국내 기업 중 눈에 띄는 행보로는 ECM 마이크로폰에서 세계시장의 50% 이상을 차지하고 있는 비에스이(BSE)가 ETRI의 기술을 이전 받아서 MEMS 마이크로폰 개발을 시작했다. 비에스이는 2017년 6월 음성 전처리를 내장한 음성인식 모듈 개발에 성공해 하반기에 상용화 했다. 이 음성인식 모듈은 마이크로폰과 음성인식 전처리부와 엔진부를 모두 탑재하고 있어 기존 음성인식 기능이 없는 제품도 음성인식이 가능하도록 구현했다. 또 노이즈 환경과 원거리 음성명령 인식률을 개선시켜, 음성인식 홈 스피커 등의 성능을 개선시킬 수 있다고 밝혔다. 또 ECM 마이크로폰용 임피던스 변환 및 신호증폭 IC 칩에서 50% 이상의 점유율을 보유한 알에프세미(RFsemi)도 자체 개발을 진행하고 있다. 


ETRI는 2016년까지 ETRI 6인치 팹을 이용해 MEMS 센서 칩 연구시제품을 개발해 왔으나, 2016년 상반기 나노종합기술원과 협력을 체결하면서 2017년에는 나노종합기술원 8인치 팹을 이용해 양산시제품을 개발에 들어갔다. ETRI 측에 따르면 이 양산시제품 기술은 2017년 중소기업(B사)에 기술 이전해 2018년부터 양산화를 본격 추진할 계획이라고 밝혔다. 이처럼 국내에서도 MEMS 마이크로폰 기술 개발을 위한 움직임이 조금씩 일기 시작했다. 

/이나리 기자(eled@hellot.net)

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