[논문]기술현황분석 - 초소형 MEMS 마이크로폰 기술의 연구 및 특허 동향

정영도; 이영화; 허신

문제 정의

MEMS 마이크로폰은 동작원리에 따라 크게 정전용량방식, 압전 혹은 압저항방식, 광방식 등으로 분류할 수 있으며, 본고에서는 정전용량방식, 압전방식 MEMS 마이크로폰에 관해 고찰하고자한다.
또한 공통적으로 음향홀을 사용하여 음파영역에서 마이크로폰의 감도를 증가시키고자 하였다. 정전용량방식 MEMS 마이크로폰의 핵심 기술은, 최적의 음향홀, 최적의 진동막과 후면전극간의 거리, 최적의 직류전압 등으로 정리된다.
이 글에서는 초소형 청각소자에 대한 기술동향, 세부적으로는 MEMS 마이크로폰의 기술에 대해 알아보고, MEMS 마이크로폰의 특허동향에 대해서도 소개하고자 한다.

제안 방법

이승섭 교수팀은 둥근 형태와 사각형 형태의 1/zm 두께의 저응력 질화막 진동판 위에 0.3如의 ZnO 박막을 결합시킨 압전방식 MEMS 마이크로폰을 제작하였다";. 제작된 MEMS 마이크로폰의 감도는 400Hz와 10kHz의 범위에서 둥근 형태의 진동판을 가지는 경우는 약 4(加V/Pa, 사각형태의 진동판을 가지는 경우는 20“V/Pa 로 측정되었다.
MEMS 마이크로폰의 특허 동향 분석을 위해서, 출원 공개된 한국, 일본, 미국 및 유럽의 공개 및 등록특허에 대해서 분석이 이루어졌으며 MEMS CMOS 마이크로폰, MEMS 마이크로폰용 CMOS 소자, MEMS 마이크로폰 기반응용제품, MEMS 압전방식 마이크로폰 등으로 기술 소분류가 행해졌다.
MEMS 마이크로폰의 진동막은 CMOS 회로가 제작 완료된 이후에 최상층에서 만들어졌다. 그리고 걸려 있는 형태의 진동막을 만들기 위해서 구불구불한금속 및 실리콘 산화막 패턴을 만들어 주었다 [그림 2.5].
있어서 감쇠 또한 적어야 한다. 이를 위해서 Deh& 그룹에서는 유한요소해석과 집중소자모델을 통해 감쇠의 최적화가 이루어지도록 하였다. 특히 진동막에 물결 주름의 유무, 혹은 진동막과 기판 연결부위의 모양 [그림 2.
기술력이 높은 독보적인 회사로 판단된다. 이에 추가로 MEMS 마이크로폰 기술의 특허 주요 출원인인 Knowles electronics LLC의 중요 특허들을 선정하여 각 기술이 흐름에 따라 어떻게 발전흐}고 있는지를 분석하였다. Knowles electronic LLC 사는 1993년 소형 콘덴서 마이크로폰에 관련된 특허를 주로 출원하였고 2000년 이후 실리콘을 기반으로 한 마이크로폰에 속한 특허가 많은 것으로 나타났다.
정 전용량방식 MEMS 마이크로폰은 공통적으로 동일한 자극에 대하여 진동막의 변위를 증가시 키고자 하였으며, 그러한 방법으로 진동막의 강성을 감소시키거나 직류전압을 이용하여 전기적으로 마이크로폰의 감도를 증가시켰다. 또한 공통적으로 음향홀을 사용하여 음파영역에서 마이크로폰의 감도를 증가시키고자 하였다.
후면전극은 5/m 두께의 폴리실리콘으로 만들어졌으며, bulk micromachining 공정을 이용하여 back chamber 및 음향홀을 갖도록 하였다. 후면전극에 대응되는 진동막/전극 또한 400nm의 폴리 실리콘 막으로 만들어 졌으며 , surface micromachining을 통해서 후면전극과 진동막/전극의 간격 이 2/zm 가 되도록 하였다.
개발하였다. 후면전극은 5/m 두께의 폴리실리콘으로 만들어졌으며, bulk micromachining 공정을 이용하여 back chamber 및 음향홀을 갖도록 하였다. 후면전극에 대응되는 진동막/전극 또한 400nm의 폴리 실리콘 막으로 만들어 졌으며 , surface micromachining을 통해서 후면전극과 진동막/전극의 간격 이 2/zm 가 되도록 하였다.

대상 데이터

고상춘 박사팀은 ZnO 박막을 이용한 압전 MEMS 마이크로폰을 제작하였다. 개발된 마이크로폰은 그림 2.
제작된 MEMS 마이크로폰은 30Hz에서 20kHz 범위에서 균일한 주파수특성을 보여주며, 1kHz에서의 감도는 -52dBV/Pa, 노이즈 레벨은 47dBA, 공진주파수는 27kHz로 측정되 었다[그림 2.9].
한국표준연구원에서는 기판 접합기술을 이용하여 2X2 mm?크기의 진동막과 150彻의 두께의 백플레이트를 갖는 MEMS 마이크로폰을 제작하였다. 제작된 MEMS 마이크로폰은 바이 어스전압 28V에서 약 -88dB의 감도(@ 1 kHz)를 가지며, 20Hz에서 5kHz 영역에서 균일한 성능을 보여줌을 확인할 수 있다 [그림 2.

성능/효과

그 결과그림 2.6(b) 그래프에서와 같이 평평한 형태의 지닌 진동막의 경우에 비해, 스프링 연결형식은 2배, 8개의 주름고리가 있는 형태의 경우 약 6배의 감도차이가 발생함을 알 수 있었다®;.
MEMS Microphone 기술 분야의 첫 출원은 77년에 출원된 미국특허이며, 그 이후 출원된 미국 특허 건수가 187 건으로 전체의 53%를 차지하여 가장높은 점유율을 나타내며, 유럽특허 18%(64건), 일본특허 16%(55건), 한국특허 13%(46건)으로확인되었다[그림 3.1]
각국의 MEMS 마이크로폰 분야에서 출원된 특허를 5년 단위로 나누어 구간별 출원 수를 분석해 보았을 때 미국 특허의 경우 뚜렷한 증가세와 함께, 2003~2007년 구간에서 급격한 출원의 증가세를, 유럽 특허의 경우 1988-1992^ 구간을 시작으로 최근까지 꾸준한 증가세를, 일본과 한국 특허의 경우 2003~2007년 구간에서 특허 출원 건수가 급격히 증가하는 추세를 나타냄을 알 수 있었다 [그림 3.2], 이를 미루어 볼 때, MEMS microphone 관련 분야가 최근 연구 활동이 활발한 기술 분야임을 알 수가 있다.
알 수 있고, 미국국적 출원인의 타국 출원건수와 출원점유율의 비중이 높은 것을 알 수 있다. 그 중 Knowles Electronics LLC가 모든 국가에서 점유율 1위를 차지하며 MEMS 마이크로폰 관련 기술력 이 높은 독보적인 회사로 판단되며, Knowles Electronics Cq는 영국 회사로 미국과 유럽에서 출원인 2위로 다수의 특허를 보유함을 확인할 수 있었다.
마지막으로 유럽특허는 MEMS 마이크로폰 기반 응용제품 분야가 연구개발이 지속적으로 이루어지고 있는 분야로 나타났으며, MEMS 마이크로폰용 CMOS 소자 분야, MEMS 압전방식 마이크로폰 분야가 초창기 도입기술 분야로 나타났으며, MEeMS CMOS 마이크로폰 분야는 최근 특허 출원이 감소하는 기술 분야로 나타났다.
미국특허는 MEMS 마이크로폰 기반 응용제품 분야가 연구개발이 지속적으로 이루어지고 있는 분야로 나타났으며, MEMS 압전방식 마이크로폰 분야가 최근 특허 출원이 활발하며, MEMS 마이크로폰용 CMOS 소자 분야가 초창기 도입기술 분야로 나타났으며, MEMS CMOS 마이크로폰 분야는 최근 특허 출원이 감소하는 기술 분야로 확인되었다.
연구가 세계각지의 연구소와 기업에서 활발히 이루어져 왔다. 이러한 연구의 결과물로 제작된 MEMS 마이크로폰은 기존의 마이크로폰 특히 일렉트릿 콘덴서 마이크로폰과 비교해서, 열과 습도에 강해서 다른 전자소자들과의 결합 공정과정을 단순화 할 수 있다는 장점과 더불어 충분히 낮은 동작 전압(5V 내외) 에서도 좋은 감도 특성을 보여 주며, 초소형 청각소자를 필요로 하는 휴대폰 테블릿 PC와 같은 개인용 소형 가전제품에서의 시장 점유율을 점점 넓혀가고 있다. 그러나 MEMS 마이크로폰과 관련된 주요한 기술 특허의 대부분을 미국, 유럽의 유수 마이크로폰 회사가 보유하고 있으며, MEMS 마이크로폰 시장 또한 이들 회사들이 차지하고 있는 상황이다.
3如의 ZnO 박막을 결합시킨 압전방식 MEMS 마이크로폰을 제작하였다". 제작된 MEMS 마이크로폰의 감도는 400Hz와 10kHz의 범위에서 둥근 형태의 진동판을 가지는 경우는 약 4(加V/Pa, 사각형태의 진동판을 가지는 경우는 20“V/Pa 로 측정되었다.
가장 많은 특허들이 출원되었다. 출원된 특허 중 미국의 특허가 우세하였으며, 최근에 이르러서야 증가세가 두드러졌던 한국특허는 총 46건으로 전체의 13%를 차지하여 아직까지는 미국이나, 유럽, 일본에 비해 상대적으로 적은 부분을 차지하는 것으로 확인되었다. MEMS 마이크로폰 분야의 특허에 대한 각 중요도의 발전도를 볼 때, 한국특허, 미국특허, 유럽특허, 일본특허 모두가 계속적 인 증가추세를 나타내고 있는 발전기로 판단되며, 전 세계의 국가별 출원인을 건수와 점유율에 따라 볼 때, 미국특허의 출원건수가 우위에 있으며 특히, Knowles Electronics LLC 가 모든 국가에서 점유율 1위를 차지하며 MEMS 마이크로폰 기술 관련하여 주요한 기술을 보유한 회사라고 생각된다.

후속연구

MEMS 마이크로폰 분야의 특허에 대한 각 중요도의 발전도를 볼 때, 한국특허, 미국특허, 유럽특허, 일본특허 모두가 계속적 인 증가추세를 나타내고 있는 발전기로 판단되며, 전 세계의 국가별 출원인을 건수와 점유율에 따라 볼 때, 미국특허의 출원건수가 우위에 있으며 특히, Knowles Electronics LLC 가 모든 국가에서 점유율 1위를 차지하며 MEMS 마이크로폰 기술 관련하여 주요한 기술을 보유한 회사라고 생각된다. 세부기술별 분류에서는 가장 많은 특허출원을 나타낸 미국특허의 경우, MEMS 마이크로폰 기반 응용제품이 78건으로 41%를 차지하였으며 MEMS CMOS 마이크로폰이 34%로 그 뒤를 잇고 있으며 이외 다른 분류들은 (MEMS 압전방식 마이크로폰, MEMS 마이크로폰용 CMOS 소자) 상대적으로 적은 출원을 하고 있지만 최근 들어 그 기술의 출원이 활발함에 따라 앞으로 더 많은 특허를 출원할 수 있을 것으로 예상되며 기술에 대한 향후 발전 및 연구개발에 대한 가능성이 높다고 판단된다.

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