‘음성로봇’ 시대! 떠오르는 기술 ‘MEMS 마이크로폰’ (1)

mems 마이크로폰 시장 성장 무궁구진, 국내서도 뒤늦게 개발 나서

“내일 날씨 어때?” “그 다음 스케줄 알려줘” “요즘 인기 있는 영화가 뭐야?” 스마트폰의 버튼 하나 누르지 않고 음성으로만 작동시키는 음성제어 기술이 처음으로 2011년 아이폰4S를 통해 선보여졌을 때 IT 업계는 기능과 편리함에 놀라움을 일으켰다.

그 이후 아이폰의 음성인식 비서 서비스인 시리(Siri)는 새로운 버전의 iOS(애플 운영체제)를 발표할 때마다 지속적인 진화를 거듭하고 있고 삼성전자 갤럭시도 S보이스를 선보이면서 음성제어 기술은 하이엔드 스마트폰의 주요 기능으로 자리 잡았다. 최근에는 인공지능(AI)이 탑재된 가정용 ‘스마트 스피커’까지 시중에 등장하면서 음성제어는 사물인터넷(IoT)을 위한 필수 기술로 여겨지며 개발 경쟁이 심화되고 있다.

‘음성인식 비서 서비스’ 혹은 ‘음성로봇’이라고 불리는 기술을 구현하기 위해서는 인공지능 기술과 더불어 정확한 음성 인식을 돕는 ‘MEMS(Micro Electro Mechanical System) 마이크로폰’이 필수적이다.

음성인식 비서 서비스의 수요는 스마트폰, 웨어러블, 스마트홈, 자율주행차 등 다양한 분야에서 지속적으로 증가지고 있기 때문에 MEMS 마이크로폰의 기술을 확보하는 것은 반도체 업계에서 더욱 중요해지고 있다.

본 글에서는 IT 업계의 대세로 떠오른 음성인식 비서 서비스 시장에 대한 전망과 ‘MEMS 마이크로폰’의 시장 현황 및 기술에 대해 1, 2회에 걸쳐 소개하겠다.

◇ ‘음성로봇’의 최종 목표는 자율주행차

스마트폰에 장착된 마이크는 음성전화를 걸 때 상대방에게 깨끗한 통화음을 전달하는 기능 정도였다. 그러나 스마트폰은 2011년 애플의 아이폰의 음성인식 비서 서비스 ‘시리(Siri)’를 시작으로 음성만으로 디바이스를 작동시키고 음악을 틀고 원하는 정보를 얻고 실행시키는 수준으로 발전했다.

스마트폰의 초창기 음성인식 기술은 음성 인식률이 낮고 지시내릴 수 있는 범위가 한정적이어서 사용자의 이용률이 낮았으나 다양한 언어 지원과 함께 더 복잡한 지시를 내릴 수 있도록 기술이 진화되면서 이용 빈도수는 점차 증가하고 있는 추세다.

IT 시장조사기관 가트너(Gartner)에 따르면 2019년에는 스마트폰과 사용자간의 상호 작용중 20%가 가상개인비서(Virtual Personal Assistants, 이하 VPA)를 통해 이뤄지고 오는 2020년까지 20억대의 기기 및 사물인터넷 장비가 누르지 않고 제어할 수 있는 제로터치(zero-touch) UI 기반으로 작동할 것으로 전망했다.

가트너가 지난해 4분기에 미국, 영국, 중국의 소비자 3021명을 대상으로 모바일 앱 설문 조사를 실시한 결과 미국 응답자의 42%와 영국 응답자의 32%가 최근 3개월간 스마트폰으로 VPA를 사용한 적이 있다고 답했다. 이처럼 음성인식 제어 서비스는 스마트폰의 중요 기능으로 자리매김 되고 있다.

아네트 짐머맨 가트너 부사장은 “사람과 기기의 상호 작용 과정에서 터치스크린은 자취를 감추기 시작할 것이고 사람의 음성이나 주변 환경 인식 기술, 바이오메트릭스, 동작, 제스처를 사용하는 비중이 늘어날 것”이라며 IT 디바이스 시장의 변화를 예고했다.

더 나아가 음성인식 비서 서비스는 스마트폰 뿐 아니라 웨어러블, 스마트워치, 스마트홈 등으로 확대되면서 ICT업계에서는 음성로봇 기술을 개발하기 위한 경쟁이 전보다 심화됐다.

일례로 선두주자인 애플의 ‘시리(Siri)’를 비롯해 구글의 ‘어시스턴트(기존 명칭: 나우)’, 마이크로소프트의 ‘코타나(Cotana)’, 아마존의 ‘알렉사(Alexa)’, 페이스북의 ‘M’ 등이 가장 대표적이다.

애플의 시리는 스마트폰 뿐 아니라 애플워치, 애플TV, 애플카플레이 등으로 영역을 확대하고 있으며 주요 21개 언어를 서비스하고 있다. 구글의 어시스턴트는 2012년 안드로이드 OS4.1부터 적용되고 있으며, 안드로이드 기반 스마트폰과 웨어러블 기기에 탑재되고 있다.

구글은 2016년 구글홈(Google Home)을 발표하면서 스마트홈 허브 시장에도 진출했다. 마이크로소프트의 코타나는 2014년 윈도폰 탑재를 시작으로 윈도OS를 기반으로 한 데스크탑, 노트북 등에 적용되고 있다. 마이크로소프트는 지난해 12월 음향 기기제조사인 하만카돈과 함께

AI 홈스피커를 공개하기도 했다. 아마존의 알렉사의 경우에는 2014년 음성로봇 스마트 스피커 ‘알렉사 에코’에 탑재되며 북미지역에서 선두주자로 음성인식 비서 시장을 형성했다. 알렉사는 필립스휴, 삼성의 스마트띵(AmartThings), 인스테온(Insteon) 등과 협력으로 스마트홈 가전에 주력하고 있다.

국내 기업인 삼성전자도 지난해 11월 애플 시리 개발자들이 모여 설립한 인공지능 솔루션 기업 비브랩스를 인수하면서 뒤늦게 인공지능 및 음성로봇 시장에 뛰어 들었다. 삼성은 앞으로 이 기술을 스마트폰과 IoT 전자제품에 적용시킨다는 계획이다. 또 SK텔레콤은 음성로봇 스마트 스피커 ‘누구’를 지난해 선보였다.

현재 음성인식 비서 서비스는 스마트폰과 알렉사 에코와 같은 스마트 스피커에서 알람과 스케줄을 설정하거나 배달음식 주문, 인터넷 정보 검색 등 단순한 업무에만 사용되고 있는 수준이다. 그러나 머지않아 스마트홈, 스마트빌딩, 더 나아가 자율주행차까지 활용도가 높아질 것으로 기대되고 있다.

◇ 음성로봇과 함께 떠오르는 대세 기술 ‘MEMS 마이크로폰’

‘음성인식 비서 서비스’ 혹은 ‘음성로봇’이라고 불리는 기술을 구현하기 위해서는 인공지능 기술과 더불어 정확한 음성 인식을 돕는 ‘MEMS(Micro Electro Mechanical System) 마이크로폰’이 필수적이다. MEMS 마이크로폰은 2002년에 미국의 놀스(Knowles)가 처음으로 선보였으며 애플이 2012년 아이폰5에 ‘시리’ 서비스를 제공하기 위해 처음으로 놀스의 MEMS 마이크로폰을 채택하면서 시장이 급부상했다.

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 가능하며 이로 인해 대량생산에 유리하다. 또 온도, 습도 및 진동에 따른 감도 열화가 거의 나타나지 않기 때문에 제조시 오디오 튜닝 비용을 절감할 수 있다는 장점이 따른다.

따라서 MEMS 공정으로 생산된 마이크 칩은 기존 전자콘덴서마이크(electret condenser microphone, ECM) 대비 크기 및 전력 소모량이 작아 스마트폰, 태블릿, 이어마이크 등 하이엔드 모바일 기기로의 채용이 늘고 있다.

MEMS 마이크로폰 핵심기술은 ▲MEMS 음향센서 칩 ▲CMOS ROIC(Read-Out Integrated Circuit) 칩 및 음향 패키지 포함한 마이크로폰 모듈로 구성된다.

MEMS 마이크로폰 칩은 소리에 의해 진동하는 액티브(active) 멤브레인과 이로부터 일정한 공간을 두고 형성된 고정전극(back-plate)로 구분된다. 소리가 들어오는 공기 압력의 변화는 둘 사이의 공간 두께 변화를 가져오게 되고 이로부터 줄 사이의 정전용량 변화로 관측된다.

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 및 ANC와 같은 지능형 신호처리를 위해 MEMS 센서와 CMOS 기반 ASIC이 동일 칩 상에서 일체화된 iMEMS형으로 발전하고 있는 추세다. 일례로 미국 기업 어쿠스티카에서는 증폭기(amplifier)와 ADC가 일체화된 제품을 이미 출시했다.

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. 한국전자통신연구원(ETRI)의 경우에는 정전용량형을 개발하고 있는 것으로 알려졌다.

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 본딩 및 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.

베스퍼는 지난해 상반기 중국 AAC와 압전형 MEMS 마이크로폰 상용화를 위한 업무 협약을 체결했다. 이는 베스퍼가 MEMS 다이와 ASIC 칩을 제공하고 AAC이 마이크로폰 완제품을 만드는 구조다. 또 국내 기업인 미래나노텍도 지난해 10월 베스퍼와 합작사 ‘미래베스퍼’ 설립에 합의했으며 2017년 MEMS 마이크로폰 양산화를 추진하고 있다. 이 협약 또한 ACC와 마찬가지로 미래나노텍이 베스퍼의 칩을 활용해 마이크로폰 완제품을 만들어 낸다는 방식이다.