MEMS는 마이크로 전기 기계 시스템(Micro Electro Mechanical System)의 약자로, 기능적 요구사항에 따라 마이크로 회로와 마이크로 기계를 칩 상에 집적한 시스템입니다. MEMS는 포토리소그래피, 식각 등의 전통적인 반도체 기술을 기반으로 초정밀 가공 기술을 접목하고, 역학, 화학, 광학 등 다양한 분야의 지식과 기술적 토대를 결합하여 밀리미터 또는 마이크론 수준의 정밀하고 완벽한 기계적, 화학적, 광학적 특성을 지닌 구조를 구현합니다. MEMS 제품은 크게 MEMS 센서와 MEMS 액추에이터로 나눌 수 있습니다. 센서는 물리적, 화학적, 생물학적 현상 및 신호를 감지하는 장치이며, 액추에이터는 기계적 움직임, 힘, 토크 등의 동작을 구현하는 장치입니다.  
      그림 1. MEMS 센서 및 국소 현미경 확대 이미지            출처: 베스퍼       그림 2. MEMS 센서의 작동 원리            출처: 첸잔산업연구소      

그림 3 MEMS 센서 분류

출처: CCID 컨설팅

MEMS 센서는 마이크로 전자공학 및 미세 기계 기술을 이용하여 제조되는 초소형 센서입니다. 다양한 종류가 있으며, MEMS 제품 중 가장 널리 사용되는 제품입니다. 입력 신호는 마이크로 감지 소자와 전송 장치를 통해 다른 모니터링 가능한 신호로 변환되어 출력됩니다. 기존 공정으로 제조된 센서와 비교했을 때, MEMS 센서는 소형, 경량, 저비용, 저전력 소비, 높은 신뢰성, 대량 생산 적합성, 손쉬운 통합 및 지능화 등의 특징을 가지고 있습니다.  
       MEMS 센서는 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다.  
정보 획득 및 상호 작용 구현의 핵심 장치인 MEMS는 기계 시스템의 소형화를 촉진하는 데 중요한 역할을 합니다. MEMS 센서는 자동차 전자 장치, 가전 제품, 항공 우주, 바이오 의학, 산업 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 현재 가전 제품과 자동차는 MEMS의 주요 응용 분야입니다. 2019년 세계 MEMS 시장 구조를 보면 가전 제품이 약 60%로 가장 큰 비중을 차지하며, 자동차가 약 19%로 두 번째로 큰 응용 분야입니다. 2019년 중국 MEMS 시장 구조를 보면 네트워크 및 통신, 컴퓨터, 가전 제품이 50%, 자동차 분야가 29%를 차지했습니다. 신에너지 자동차 보급률 증가와 사물인터넷(IoT), 네트워크 및 통신, 자동차 전자 장치의 발달로 2019년 MEMS 시장 응용 분야의 절반 이상이 해당 분야에 집중되었습니다. 5G 및 지능형 네트워크 연결의 도입으로 MEMS 보급률은 더욱 증가할 것으로 예상되며, 위 분야의 시장 규모는 더욱 확대될 전망입니다.  
      그림 4. 2019년 글로벌 MEMS 시장 구조            출처: Yole Development, Guotai Junan Securities Research       그림 5. 2019년 중국 MEMS 시장 구조            출처: Yole Development, Guotai Junan Securities Research  
  MEMS 센서 개발 역사  
첫 번째 단계는 1990년부터 2000년까지였습니다. 자동차 전자 장비 및 응용 분야의 점진적인 증가는 에어백, 브레이크 압력, 타이어 공기압 모니터링 시스템 등과 같은 MEMS 센서 응용 분야의 구현을 촉진했습니다. 이러한 수요 증가로 인해 유럽, 일본, 미국의 기업들은 자동차에 사용되는 MEMS 센서 제품의 개발 및 양산에 착수했습니다.
두 번째 단계는 2000년부터 2010년까지로, 소비자 가전의 급속한 발전이 주도했습니다. 휴대폰, 태블릿, 노트북 등과 같은 소비자 가전 제품에는 더 작고 에너지 소비가 적은 MEMS 센서 제품이 요구되었습니다.
 
세 번째 단계는 2010년부터 2020년까지입니다. 사물인터넷 산업의 급속한 발전은 MEMS 센서 산업에 엄청난 성장 잠재력을 제공했습니다. 스마트폰, 태블릿과 같은 소비자 전자제품 외에도 MEMS 센서는 AR/VR, 스마트워치, 스마트 드라이빙, 스마트 물류, 스마트 의료 등 다양한 분야에서 널리 활용될 것입니다.
 
4단계는 2020년부터 시작됩니다. 자율 주행, 5G, 사물 인터넷의 보급 확대로 MEMS의 발전 가능성이 더욱 커졌습니다. MEMS 센서 제품의 성능 향상을 통해 소형화, 저전력 소비, 고성능에 대한 요구를 충족할 수 있게 되었습니다.  
     

그림 6. MEMS 센서의 개발 단계

출처: Aijiwei, Guotai Junan Securities Research

         

해당 산업은 이제 막 성장 단계에 진입했습니다.

시장 규모 측면에서 Yole의 통계 및 예측에 따르면, 2019년 전 세계 MEMS 시장 규모는 11.5억 달러였습니다. 코로나19 팬데믹으로 인해 2020년에는 시장 성장세가 둔화되었지만, 2021년부터 다시 성장세를 회복하여 2025년에는 약 17.7억 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 2019년부터 2025년까지 연평균 복합 성장률은 7.4%에 달할 것으로 전망됩니다. 중국의 소비자 가전, 자동차 전자 제품 및 산업의 급속한 발전에 힘입어 중국은 지난 5년간 MEMS 시장 규모가 가장 빠르게 성장한 국가이며, 세계 최대 전자 제품 생산국이기도 합니다. 특히 휴대폰과 태블릿은 MEMS 제품에 대한 수요가 매우 높습니다. 중국의 휴대폰 출하량은 세계 1위이며, 휴대폰 산업에 필요한 광센서, 모션 센서 등의 MEMS 센서 공급업체들은 중국을 가장 중요한 시장으로 여기고 있습니다. CCID 싱크탱크의 통계에 따르면, 2019년 중국 MEMS 시장 규모는 약 600억 위안으로 세계 시장의 약 54%를 차지했습니다. 중국 국내 시장은 세계 시장보다 빠르게 성장하고 있으며, 2022년에는 MEMS 시장 규모가 1,000억 위안을 넘어설 것으로 예상됩니다.  
      그림 7. 세계 MEMS 시장 성장세가 가속화되고 있다           출처: Yole Development, CCID Consulting, Guotai Junan Securities Research      그림 8. 중국은 지난 5년간 MEMS 시장 규모가 가장 빠르게 성장한 국가입니다.            출처: CCID 컨설팅, 궈타이쥔안증권리서치      
제품 구조 측면에서 볼 때, 현재 전 세계 MEMS 센서 시장 점유율 상위 5개 부문은 무선 주파수, 압력, 마이크, 가속도계, 자이로스코프이며, 이는 전체 시장의 약 65%를 차지합니다. 중국 시장에서도 무선 주파수, 압력, 마이크, 관성, 가속도계 순으로, 이는 세계 시장과 유사한 추세입니다. Yole의 예측에 따르면, 2024년 시장 규모가 10억 달러를 넘어설 것으로 예상되는 MEMS 센서 부문에는 무선 주파수, 관성 복합 센서, 초음파 지문 인식, 압력, 마이크, 잉크젯 프린팅 등이 있습니다.  
      그림 9. 2019년 글로벌 MEMS 시장 구조(기기 유형별)            출처: Yole Development, Guotai Junan Securities Research       그림 10. 2018년부터 2024년까지 MEMS 산업 시장 규모 및 복합 성장률            출처: Yole Development, Guotai Junan Securities Research      

그림 11. 다양한 분야별 MEMS 시장 규모 및 전망 (미화 100억 달러)

출처: Yole Development, Guotai Junan Securities Research

Yole의 예측에 따르면, 애플리케이션 단말기 관점에서 볼 때 사물인터넷(IoT)과 5G 휴대폰 교체에 힘입어 전 세계 소비자 MEMS 시장은 2019년 68억 7천만 달러에서 2025년 111억 4천만 달러로 성장할 것으로 예상됩니다. 또한 스마트카 보급 확대에 따라 자동차 MEMS 시장은 2019년 21억 8천만 달러에서 2025년 2.6억 달러로 연평균 3% 성장할 것으로 전망됩니다. 이 밖에도 산업, 의료, 통신, 국방, 항공 분야에서도 시장 수요가 증가하고 있습니다.  
기술적 성숙도 측면에서 볼 때, 국내 MEMS 기술 개발은 아직 초기 단계에 머물러 있습니다. 제품 연구 개발 측면에서, 우리나라가 세계 3위의 특허 출원 건수를 기록하고 있기는 하지만, 특허의 질이 낮고 핵심 특허의 비중이 적습니다. 더욱이, 특허 출원 주체는 주로 대학과 연구기관이며, 산업화 정도가 낮아 연구 성과가 상용화될 여지가 부족합니다. 패키징 및 제조 측면에서, 중국은 OEM 경험이 부족합니다. 국내 OEM 업체들이 생산하는 MEMS 센서의 신뢰성과 수율은 대량 생산 요구 사항을 충족하지 못하고 있으며, 시장 적용과의 격차가 여전히 존재합니다. 기업 규모 측면에서, 국내 기업 대부분은 자금력이 부족하고 인재 유치 능력이 떨어지는 중소기업으로, 연구 개발 역량이 미흡하고 대학 및 연구기관과의 협력 채널 구축에 어려움을 겪고 있습니다.
 
사업 규모와 수익성 측면에서 국내 반도체 기업과 해외 선두 기업 간에는 여전히 뚜렷한 격차가 존재합니다. 세계적인 기업인 브로드컴은 2019년 225억 9,700만 달러의 영업이익을 달성하며 55.2%의 매출총이익률을 기록했습니다. ST마이크로일렉트로닉스는 2019년 154억 1,600만 달러의 영업이익과 38.7%의 매출총이익률을, 텍사스인스트루먼트는 143억 8,300만 달러의 영업이익을 올렸으며, 최근 몇 년간 50% 또는 60% 이상의 매출총이익률을 유지해 왔습니다. 국내 기업을 살펴보면, 국내 1위 기업인 괴텍은 2019년 약 50억 6,800만 달러의 영업이익을 기록했지만 매출총이익률은 15.43%에 불과했습니다. 이처럼 국내 기업과 해외 대기업을 비교해 보면 매출 규모와 수익성 측면에서 여전히 큰 격차가 있음을 알 수 있습니다.   
      그림 12. 상장된 MEMS 기업들의 과거 총이익률(%)            출처: Wind, Guotai Junan Securities Research      
경쟁업체 수를 보면 MEMS 센서의 종류와 제조업체가 매우 다양하다는 것을 알 수 있습니다. 2019년 중국 MEMS 시장은 해외 업체들이 주도했으며, 브로드컴과 보쉬가 치열한 경쟁을 벌였습니다. 그 외 주요 경쟁업체로는 ST마이크로일렉트로닉스, 텍사스 인스트루먼트, 코르보 등이 있습니다. 미국 업체들이 시장 점유율의 절반 이상을 차지했으며, 유럽, 미국, 일본 업체들은 MEMS 칩 및 미세전기기계장치 제조 분야에서 상대적으로 강한 입지를 구축하고 있습니다. 국내 업체들도 좋은 성과를 보였습니다. 괴르텍은 2019년 처음으로 세계 10대 MEMS 제조업체에 진입했고, AAC 테크놀로지는 22위를 기록했습니다. 파운드리 분야에서는 사일렉스의 지주회사인 사일렉스가 1위를 차지했습니다. 전반적으로 해외 경쟁업체들이 분명한 우위를 점하고 있지만, 국내 기업들의 성장세 또한 빠르게 따라잡고 있습니다.  
      그림 13. 국내 MEMS 센서 산업이 성장 단계에 진입했다.            출처: 국태준안증권 리서치센터      
시장 규모, 기술 성숙도, 사업 운영 환경, 경쟁업체 수 등을 분석한 결과, 국내 MEMS 센서 산업의 국산 대체재 도입은 아직 초기 성장 단계에 있으며, 국내 MEMS 기업들이 업계 거물들을 따라잡기 위해 박차를 가하고 있다고 판단됩니다. 사물인터넷, 스마트카, 5G 기술의 발전과 함께 국내 MEMS 센서 산업은 지속적인 성장을 보일 것이며, 국산 대체재 도입 속도 또한 가속화될 것으로 예상됩니다.  
         

국내 MEMS 제조업체들은 발전 가능성이 매우 크다.

1. 국가 정책은 MEMS 센서 산업의 발전을 강력하게 지원합니다.  
MEMS 센서는 사물인터넷, 스마트 제조, 스마트 물류 등 현대 기술에서 매우 중요한 역할을 합니다. 중국은 세계 최대 MEMS 센서 시장이며, 규모와 중요성 면에서 주목할 만한 시장입니다. 국가 센서 산업 발전을 위한 정책 환경은 지속적으로 최적화되고 있습니다. '제조업 강국 전략'과 '인터넷+' 실행 계획이 적극적으로 추진됨에 따라 센서 기술과 센서 산업의 중요성은 더욱 커질 것입니다. 센서 기술은 향후 우리나라 과학기술 발전의 최우선 과제가 될 것으로 예상됩니다.  
      표 1. 국가에서 발표한 MEMS 센서 산업 관련 정책 일부            출처: 국무원, 국가발전개혁위원회, 산업정보부, 궈타이쥔안증권연구소  
       2. 하위 시장의 수요는 MEMS 산업 시장의 지속적인 성장을 촉진합니다.  
소비자 가전 분야는 스마트폰, 웨어러블 기기, 스마트홈 시장의 성장세에 힘입어 MEMS의 최대 시장으로 자리매김하고 있습니다. 세계 최대 전자제품 생산 기지인 중국은 전 세계 MEMS 제품 소비량의 거의 절반을 차지하고 있습니다. 스마트폰, 태블릿 등 중국산 MEMS 소비자 가전 제품의 지속적인 판매 증가는 가속도 센서, 마이크로폰 등 MEMS 산업의 성장을 견인해 왔습니다. 또한, 스마트 드라이빙과 신에너지 자동차의 발전과 함께 자동차 전자 분야의 MEMS 시장도 빠르게 성장하여 2019년에는 17.8%의 시장 점유율로 2위를 기록했습니다.  
중국 정부는 5G 분야를 강력하게 지원하고 있으며, 활발한 5G 산업 시장이 형성되었습니다. 투자자들은 5G 시장에 대한 확신과 기대를 갖고 있으며, 5G 보급 및 적용을 위한 넓은 발전 공간을 확보하고 있습니다. 5G는 사물인터넷(IoT)의 기반이며, 사물인터넷의 가속화된 발전을 촉진합니다. 사물인터넷은 모든 산업이 주목하는 차세대 트렌드로 자리 잡았으며, 전 세계 사물인터넷 산업은 빠르게 성장하고 있습니다. 중국 사물인터넷 시장의 성장률은 세계를 선도하며, 세계에서 가장 활발한 사물인터넷 응용 시장으로 부상했습니다. CCID 컨설팅은 중국의 5G 시장이 앞으로도 고속 성장을 지속할 것으로 예측합니다.  
      그림 14. 2020년부터 2025년까지 중국의 5G 투자 전망            출처: CCID 컨설팅, 궈타이쥔안증권리서치      
사물인터넷(IoT) 분야에서 MEMS 센서 시장은 급속한 성장을 주도하고 있습니다. MEMS 센서는 아날로그와 디지털 세계를 연결하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 주변 환경에 대한 인식 및 데이터 수집을 통해 다양한 장치와 시스템의 정상 작동 상태를 객관적이고 종합적으로 파악할 수 있습니다. 세계이동통신시스템협회(GSMA)의 통계에 따르면 전 세계 IoT 기기 수는 2010년 20억 대에서 2019년 120억 대로 증가했습니다. 향후 5G 상용화와 Wi-Fi 6 개발에 힘입어 IoT 시장의 잠재력은 더욱 커질 것으로 예상됩니다. GSMA는 2019년부터 2025년까지 연평균 12.7%의 성장률을 기록하며 전 세계 IoT 기기 수가 24.6억 대에 이를 것으로 전망하고 있습니다.  
      그림 15. IoT 기기 수가 급속히 증가하고 있다(단위: 십억).            출처: GSMA, Guotai Junan Securities Research      
의료 분야에서 코로나19는 전 세계에 엄청난 재앙을 가져왔지만, 동시에 의료용 MEMS 센서 시장의 급격한 성장을 촉진했습니다. 전자 체온계, 진단 장비, 인공호흡기 등 의료 기기에는 MEMS 센서가 필수 불가결하게 사용되면서 관련 시장 규모가 빠르게 성장했습니다. Yole은 2020년 의료용 MEMS 시장이 10.6% 성장할 것으로 예측했습니다. 또한, 팬데믹으로 인해 건강에 대한 관심이 높아지면서 의료 소비자 시장의 발전이 가속화되었습니다. 신체 지표를 상시 모니터링하는 웨어러블 의료 기기 역시 빠르게 발전했습니다. 코로나19 예방 및 통제로 인해 비대면 서비스, 로봇 배송, 로봇 가공 공장에 대한 수요가 급증하면서 MEMS 산업의 성장을 간접적으로 촉진했습니다. 게다가 자동화에 대한 사람들의 선호도가 높아짐에 따라, 팬데믹이 종식된 후에도 사람들은 MEMS 기반의 무인 자동화 서비스에 계속 의존할 것으로 예상됩니다. 따라서 MEMS 산업은 축소되지 않고 지속적으로 성장할 것입니다.  
 
     

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