포 / 커 / 스 휴대전자기기의가속도센서기술 박현식 * 가속도센서는단위시간당속도의변화를검출하는소자로최근 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술적용으로소형화및저소비전력화되고있으며다축센서로개발되고있다. 특히최근발표된 iphone 및 Wii 등의휴대전자기기에가속도센서가적용되면서, 이들기술분야가크게주목받고있다. 본고에서는휴대전자기기용가속도센서의피에조저항방식 (piezoresistive resistance accelerometer) 과정전용량방식 (capacitive accelerometer) 의특징과가속도센서의시장동향및최근기술동향이검토되었다. 가속도센서의충격검지와동작센서로서의특성으로 HDD, 게임기및휴대전화등의휴대전자기기로의응용범위및시장확대가전망되었으며또한다기능센서와도연계가예상되고있다. 이에국산화기술개발및응용기술의확대가요구되고있다. 목 차 I. 서론 I. 서론 II. 가속도센서원리및구조 III. 가속도센서의시장동향 IV. 최근제조업체동향 V. 검토및결언 * 국립한경대학교전자공학과 / 교수 가속도 (acceleration) 센서는자동차의에어백으로사용되어자동차가충돌과같은큰충격이발생할경우순간적으로충격을검지하는기능을지니고있어충격검출용으로사용되어오고있다. 에어백에탑재되는가속도센서는일반적으로전후방의 1 차원적으로검출기능을지니고있어다른방향의충격을검지하기위해서는여러개의가속도센서가채용되어왔다. 그런데최근 2 차원이나 3 차원가속도센서가개발되어휴대전화및정보기기에가속도센서등이사용되고있는추세에있다. 최근발표된 Apple 사의휴대전화 iphone 은휴대전화에 ipod 기능을융합하여 ( 그림 1) 과같이디스플레이가 3.5 인치로확대되었고, 디스플레이에는터치센서가탑재되어터치스크린기능의디스플레 - 1 -
주간기술동향통권 1288 호 2007. 3. 21. < 자료 >: H S Park http://www.apple.com/iphone/ ( 그림 1) iphone 가속도센서적용 [3] 이로소위 multi touch 조작이가능하다. 또한카메라및 Bluetooth 2.0, 802.11b/g 무선 LAN 등을포함하고있다. 특히본체에가속도센서를탐재하고있어단말기가세로방향인지가로방향인지를검출하여자동적으로사진과영상을회전시키는기능을갖추고있다 [1],[2]. 닌테도의 Wii 게임기용컨트롤로러인 Wii 리모콘은 ( 그림 2) 와같이 3 차원동작센서가내장되어있는것을특징으로하고있다. 즉리모콘을움직이는동작으로게임기의조작을위하여 3 < 자료 >: http://www.nintendo.co.jp/wii/controllers/ ( 그림 2) Wii 컨트롤러가속도센서적용 [4] - 2 -
차원가속도센서가채용되어전후, 좌우및상하 3 방향에대하여가속도변화를감지할수있다. II. 가속도센서원리및구조 가속도센서는단위시간당속도의변화를검출하기위한소자로서, 종래에는기계식의센서가이용되었으나현재에는반도체식을이용한제품이주류를이루고있다. 반도체식의장점은소형으로정밀한검출이가능하여예를들어휴대전화에내장되어후에언급하게될경사도를측정하여화면표시를보정하는기능과이동시에흔들리는상태로부터만보계등으로이용되고있다. ( 그림 3) 은가속도센서의원리로서기계식의경우는 (a) 와같이기본적으로 proof mass, 스피링및 damper 로구성된다. 가속도에따라서 proof mass 의위치변화로부터아래식에따라서가속도가구해지는방법이다. 그런데기계식가속도센서는적은가속도범위만을요구하며소형박형의형상을요구하는휴대전자기기에는적절하지못하여 (b) 와같이 proof mass 를구성한반도체식가속도센서가주목을받고있다. (a) 기계식 (b) proof mass 활용반도체식 (cantilevered beam 구조 ) ( 그림 3) 가속도센서의구조원리 실용화되고있는가속도센서는물체에가해지는가속도의크기를출력하는것으로, 축, 2 축, 3 축등축수에의해서타입이나뉘어지며, 검지될수있는범위가 3 축방향인 3 축가속도센 서는 x, y, z 축의 3 축방향의 3 차원공간에서가속도를측정할수있다. 즉중력가속도를기 - 3 -
주간기술동향통권 1288 호 2007. 3. 21. 준으로물체의기울어진각도와각방향의가속도로부터물체의움직임을검출할수있다. 휴대전화의경사도를검출하는것에는 3 축센서가이용되며, 그밖에가속도센서는승용차의에어백, 로봇의보행자세제어및엘리베이터의지진검지기능에도가속도센서가이용되고있다. 중력가속도를기준으로물체의기울어진각도는지구중력은수직방향으로중력가속도 1G 이고, 수형으로있던가속도센서가기울어지면서중력에반응하여 90 도, 즉수직을이루었을때 1G 가검출된다. 따라서중력가속도는 sin( 기울어진각도 ) 의관계로 ( 그림 4) 와같이나타낼수있고, 예를들어 0.5G 의중력가속도가측정되면기울어진각도는 30 도로환산될수있다. ( 그림 4) 가속도검출원리 즉 x 축방향이 0G, y 축방향이 1G 의가속도가검지되면센서가 y 축방향으로서있는것이고반대의경우는 x 축방향으로누워있는상태를지시한다. x 축방향으로 45 도의경사를갖게되면 1Gx Sin 45 로 0.707G 가검지된다. 따라서자신이기울어져있는상태및지면방향을감지할수있게된다. 가속도센서의검출감도 [V/g] 는가속도당전압변화에의한가속도검출의감도를나타내는것으로클수록우수한가속도센서를의미한다. 대용전자기기에채용되기위해서는소형박형화와더불어우수한검출감도, 내충격성 (shock endurance) 등이요구되고있다. 이들가속도센서는가속도검출방식에따라서피에조저항식, 정전용량식, 열분포검출식, 자기센서방식등으로분류될수있으며, 휴대용전자기기에는낮은중력가속도의검지가필요함으로 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술로제작되는피에조저항식과정전용량식이주목받고있다. 1. 피에조저항식 피에조저항식가속도센서는소자중앙에설치된피에조저항 (piezoresistive resistance) 의 변동을브릿지회로로검출하게된다. 열분포검지식은칩의발열부분에의한가열된기체의 - 4 -
움직임을온도센서로검출하는방식을채용하고있으며, 정전용량식은전극사이의거리변화를정전용량으로검지하는방식이다. 피에조저항식가속도센서는 1 개의소자에 3 축을탑재할수있는장점을지니고있고정전용량식은 CMOS 회로와집적화에유리한장점을지니고있다. 단점으로는피에조저항식의경우소비전류와정전용량식의경우 3 축센서를구성하게되면사이즈가커지는문제점등이있다. 피에조저항식가속도센서는 ( 그림 5) 와같이구성되며가속도검출에반도체피에조저항효과를이용하고있다. 피에조저항효과는결정에기계적외력이가해지면결정격다의변형을발생하고반도체중에캐리어수와이동도의변화를가져와저항변화를가져오게되는원리를이용하고있다. Y X Piezoresistive ( 그림 5) 피에조저항식가속도센서 피에조저항소자는브릿지에가장높은응력집중위치에 1 축당 4 개의소자, 3 축으로모 두 12 개의소자로구성된다. 가속도에비례한신호는각축과 4 소자로휘스톤브릿지회로를구성하여응력에의한저항 R1 R2 Vin Vout R4 R3 ( 그림 6) 브릿지회로 - 5 -
주간기술동향통권 1288 호 2007. 3. 21. 변화를전압변화로검출한다. ( 그림 6) 은 x 축및 y 축방향의브릿지모델과전압검출회로이다. 가속도센서에가속도가가해지면 ( 그림 7) 과같은 proof mass 변화가발생된다. 즉 x 축및 y 축방향의가속도에대하여브릿지의피에조소자 R1, R3 에는인장응력으로저항은증가하고 R2, R4 에는압축응력으로저항이감소한다. 서로상반된저항변화가발생된다. Z 축방향으로변형의경우는추가상하방향으로이동하여 R1, R4 와 R2, R3 가상반된저항변화가발생하게된다. 이들저항값의변화는 ( 그림 ) 의브릿지회로를통하여아래식의전압변화로읽게된다. 피에조저항방식은구조는간단하게제조될수있으나, 온도의존성이크기때문에온도보상회로가필요하다. Vout = [ R4/( R1+R4)- R3/( R2+R3) ]Vin Vout = [ R3/( R1+R3)- R4/( R2+R4) ]Vin 이와같이브릿지를구성함으로 x 축및 y 축방향의가속도에대하여 z 축방향의브릿지회로에는전압변화가발생하지않으며, 또한 z 축방향가속도에대해서는 x 축및 y 축브릿지회로에는전압변화가발생하지않는다. R1 R2 R3 R4 R1 R2 R3 R4 Ax, Ay Az ( 그림 7) proof mass 의가속도에따른이동과저항변화 2. 정전용량식정전용량식 (capacitive accelerometer) 는 proof mass 가전극들사이중앙에위치하고있고, 가속도가없으면 proof mass 는중앙에위치하고있다가만일가속도가가해지면중앙의위치에서반대편의전극으로이동하게되어정전용량의차이를발생하게된다. 정전용량식의민감도는정전용량의변화를가져오게되는면적에의존함으로부품의소형화에장애가될수있다. 온도특성낮은노이즈특성의장점을지니고있다. 상기의 proof mass 를 ( 그림 8) 과같이구성하여가속도가가해짐에따라서전극사이거리변화로정전용량의변화로부터가속도를검지한다. 일반적으로정전용량방식의경우 SOI 기판 - 6 -
X/Y electrode Z electrode ( 그림 8) 정전용량식원리 [5] 을사용하면리소그래피의공정수를피에조방식보다는줄일수있는이점이있다. 닌텐도에채용되고있는센서의경우 1/2,000~1/3,000G 의미세한가속도의검출이가능하다. 정전용량식으로서칩내부에가동부분이있고전기적특성의변화로부터어떤방향에서어떤가속도가가해지는지를검출하게된다. 가속도센서칩이수평상태의경우아래방향으로 1G 의중력이가해지고있고센서가 45 도경사를갖게되면 0.707G 가된다. 이와같이각방향에대하여미세한가속도변화를검출하게된다. III. 가속도센서의시장동향 1 개의소자로 xyz 3 축가속도를측정하는 3 축가속도센서는휴대형음악플레이어, HDD 낙하보호용, 전화기기와게임기의콘트롤러에채용이확대되고저가격화되어가고있다. 2006 년 9 월현재개당 200 엔전후의가격이 150 엔정도낮아져활용확대가예상되고있다 [8]. 2004 년일본北陸전기공업, 미국 kionix 2 개사가양산하고, 2005 년부터는 ST Microelectronics, 히타치금속, 미국의 Freescale Semisonductor 3 사가양산하기시작하고있다. 가격경쟁력이심화되고있고수요분야의확대로시장확대가진행되고있으며, 이외에도 3 축가속도센서양산을검토중인회사가 7~8 개사이상되어가격경쟁이치열하게될전망이다. 민생용가속도센서 2005 년시장규모수량기준전년대비 199.2% 증가하여 3,560 만개, 금액으로 180% 증가된 72 억 3,600 만엔이며, 다축가속도센서는 2 축과 3 축타입 2 가지형태로이제까지는 2 축가속도센서를중심으로시장이형성되었고 2004 년이후부터는 3 축가속도센서의양산화로민생용다축센서의시장은출하수량및금액면에서크게증가하는경향에있다. 주요용도는탑재된제품의경사및외부로부터의충격을가속도센서가검지하고다 - 7 -
주간기술동향통권 1288 호 2007. 3. 21. (a) ADXL differential capacitive sensor[6] Acceleration Differential Capacitive Chanage Vout (b) ST 마이크로일렉트로닉가속도센서 [7] ( 그림 9) 정전용량식가속도센서 양한분야에적용되고있다. 적용분야로는경사및진동에의해서화면스크롤및전원의 on/off 로부터위치정보보정, 충격및낙하검지에의한하드디스크의데이터보호등이다 [9]. 2 축가속도센서의시장규모는 2005 년출하수량전년비 91.4% 증가한 1,580 만개, 금액기준 45.6% 증가한 29 억 7,000 만엔이다. 민생용다축가속도센서가점유하는비율은수량기준 44.4%, 금액기준 41% 에달하고있다. 적용분야는로봇, 게임컨트롤러와같은분야에출하되었으나저가격화로시장이확대되어네비게이션및휴대전화등으로확대되고있다. 2004 년부터채용되고있는 3 축가속도센서는 2005 년에들어서급격하게확대되고있고, 2005 년시장규모는수량기준전년비 829.4% 증가된 1,980 만개금액기준으로 684.2% 증가된 - 8 -
42 억 6,600 만개로민생용다축가속도센서에서차지하는비중은수량기준 55.6% 금액기준 59% 에이른다. 3 축가속도센서의응용분야로휴대전화, 노트북, 디지털카메라, 휴대용음악플레이어등이며휴대전화에서는유저인터페이스와네비게이션기능의 GPS 위치정보보정, 노트북과휴대용음악플레이어에서는낙하검지에의한하드디스크의데이터보호형으로사용되고있다. Yano research institute[9] 에따르면 2007 년 2 축및 3 축센서의전세계시장규모는수량기준 1 억 7,000 만개, 금액기준 230 억엔에달할것으로전망되고있다. ( 만개 ) ( 백만엔 ) 18,000 16,000 14,000 12,000 10,000 8,000 6,000 4,000 2,000 0 25,000 20,000 15,000 10,000 5,000 0 2003 2004 2005 2006 2007 ( 연도 ) 2003 2004 2005 2006 2007 ( 연도 ) (a) 수량 (b) 금액 ( 그림 10) 가속도센서시장 IV. 최근제조업체동향 2007 년 1 월독일 Bosch Sensortec GmbH[10] 는휴대전화용 3 축가속도센서인 SMB380 를개발하였다. 소형화와저소비전력형으로 3 3 0.9mm 크기로대기소비전류 1 μa, 동작소 비전류 200 μa이다. 가속도측정범위 ±2G 및 ±4G,±8G 중선택성을갖고있어측정범위를 ( 그림 11) Bosch Sensortec GmbH SMB380[10] - 9 -
주간기술동향통권 1288 호 2007. 3. 21. 선택함으로기기의낙하검지, 경사입력센서에적용될수있다. 北陸電気工業은피에조저항형 3 축가속도센서를양산하고있으며 NIKKEI MICRODEVICES 2006 년 5 월 [11] 에따르면월 100 만개규모의생산을향후 200 만개규모로확대하여저가격에따른수요확대에대응하고있다. 히타치금속은 3 축가속도센서를박형카메라와휴대전화용으로시장확대를전망하고 2005 년평균단가 270 엔, 2006 년 210 엔정도로추정되고생산수량은 2005 년 170 만개 2006 년 950 만개로추정되고있다 [11]. V. 검토및결언 Yano research institute(2006.10.25.,yano.co.jp] 에따르면 2006 년 HDD 출하대수는 4,259 억대이고이중 3.5 인치 2,771 억대, 2.5 인치 1,192 억대, 1.8 인치 296 억대로구성되고 2.5 인치는노트북용으로보급되면서신장률이높게나타나고있다고보고되고있다 ( 전년대비신장률은 3.5 인치 109%, 2.5 인치 145%, 1.8 인치 96% 이다 ). 한편최근 2007 년 1 월삼성전자는세계최초로 1.8 인치 1 매에 60G 바이트용량의 HDD 를개발하였다. 이는수직자기기록방식을채용하고있으며두께 5mm 로박형화되어있어노트북은물론각종이동형정보기기에사용될전망이다. 옵션으로낙하및충격센서를내장하게된다고알려져있다. 따라서휴대전화는물론 HDD 에가속도센서의채용이확대될전망으로여겨지고있다. 가속도센서는휴대전자기기의응용범위로경사및가속도의변화를검출하고본체에충격이가해지면하드디스크의데이터를보호하는역할에이용되고있다. 즉본체가떨어지는경우자유낙하하면서순간적으로무중력상태에진입하고이상태를가속도센서가검지하게된다. 2006 년이후부터하드디스크탑재휴대전화의보급으로유저인터페이스와하드디스크데이터보호기능으로사용될전망이다. 향후의민생용다축가속도센서의전망으로저가격화와소형화에따라서가격및소형화에있어소형화와저가격의요구가요구되는모바일기기로의채용으로발전이예상되고있다. 특히휴대전화에서는대화면의경향으로보턴조작이필요없는유저인터페이스기능은디자인의자유도박형소형화에기여할것으로예상된다. 저소비전력형으로 3 3 0.9mm 범위의소형화추세를이루고현재 MEMS 기술활용으로대량생산이가능하여저가격화되어응용확대가예상된다. 또한 3 축전자나침반에 3 축가속도센서의인터페이스를탑재한 AK8971N 양산에착수하여, 3 축가속도센서를포함한단일패키지제품도개발되고있어 6 축센서로의확장도진행되고있다 [12]. - 10 -
< 참고문헌 > [1] itmedia.co.jp/mobile/articles/0701/10/news009.html, [2] watch.impress.co.jp/av/docs/20070110/apple2.html [3] apple.com/iphone [4] Nintendo.co.jp [5] 일본항공전자기보 2001. [6] ADXL 가속도센서자료 [7] ST.com/MEMS [8] techon.nikkeibp.co.jp/article/honshi/20060904/120747/ [9] yano research institute report[yano.co.jp] [10] nikkeibp.co.jp/article/news/20070127/126997/ [11] NIKKEI MICRODEVICES 2006.5 월호 [12] plusd.itmedia.co.jp/mobile/articles/0504/08/news108.html * 본내용은필자의주관적인의견이며 IITA 의공식적인입장이아님을밝힙니다. - 11 -