전자소재 생산기업들은 보다 가볍고 작고 짧고 얇은 경소단박(輕小短薄)을 실현하기 위한 기술 개발에 주력하고 있다.
일본은 과거 초정밀 전자산업을 중심으로 경소단박 주의를 추구하며 미국기업과 경쟁력 격차를 벌려놓는데 성공했으며 최근에는 첨단센서, 스마트 웨어러블(Wearable), 로봇 융·복합, 지능형 기기 등 등장을 바탕으로 다시 기술 개발을 강화하고 있다.
LiB 소형화, 쾌적함·연비개선 기여
일본 JINS가 개발한 안경형 웨어러블 디바이스는 센서를 통해 눈 깜빡임과 시선 이동을 포착함으로써 사용자의 피로도 등을 체크할 수 있어 졸음운전 등을 방지하는데 도움이 되는 것으로 알려졌다.
일반 안경에 비해 테 부분이 크고 두껍기 때문에 널리 보급되지 못하고 있으나 앞으로 2-3년 안에 일반 안경과 동일한 사이즈로 줄일 계획이다.
이를 위해 안경형 웨어러블 디바이스에 탑재되는 LiB (Lithium-ion Battery)를 원하는 안경테 두께에 맞추기 위해 더욱 소형화할 방침이다.
LiB의 소형화는 다양한 방향에서 진행되고 있다.
전극에 사용되는 분리막과 금속박을 박막화함으로써 활물질을 증가시키는 방법이 대표적으로 LiB 자체는 소형화되지만 에너지 밀도는 기존제품과 유사한 수준을 유지할 수 있어 주목된다.
Hitachi Maxell은 전극 소재를 바꾸는 방법으로 웨어러블 생산기업들의 니즈에 적극 대응하고 있다.
나노실리콘-탄소섬유 복합소재를 부극재에 채용함으로써 에너지 밀도가 기존제품에 비해 2배 높은 LiB를 개발하는데 성공했다.
해당 LiB는 구동시간이 연장됐을 뿐만 아니라 설계자유도 향상에도 일조하고 있는 것으로 평가되고 있다.
우선 웨어러블 생산기업을 중심으로 채용을 제안하고 장기적으로는 중대형 산업기기 용도도 개척할 계획이다.
전기자동차(EV) 시장에서도 LiB 사이즈를 줄이기 위한 움직임이 가속화되고 있다.
Tesla의 모델S에는 파나소닉(Panasonic)의 18mm×65mm 사이즈 원통형 18650이 약 700개 투입되지만 21mm×70mm 사이즈의 고용량 타입 21700으로 교체하면 LiB 투입량을 줄일 수 있어 경량화가 가능하고 연비개선, 쾌적한 내부공간 구성에도 도움이 될 것으로 기대하고 있다.
일반 가솔린 자동차에 LiB를 적용하는 시도 역시 확산되고 있다.
자동차 시동용 납배터리를 내부저항이 낮고 충·방전 성능이 우수한 LiB로 교체하면 안정된 전기환경을 구축할 수 있을 뿐만 아니라 납배터리에 비해 3분의 1 수준으로 경량화가 가능할 것으로 예상되고 있다.
GS Yuasa와 중국 Lexel Battery가 개발을 추진하고 있으며, Eliiy Power는 이륜차 시동용 신제품을 2016년 시장에 투입할 예정이다.
Toshiba는 24/48볼트계 자동차 시동용제품을 2017년 상업화할 계획이다.
LiB는 앞으로 자동차, 산업기기에서 더 나아가 일반주택으로 보급이 확산될 것으로 기대되고 있다.
일본 태양전지 시장은 태양전지를 사용한 발전 전력이 기존 전력 코스트보다 낮아지는 그리드패리티가 조만간 실현될 것으로 예상되고 있어 집에서 발전한 에너지를 자가소비하고자 하는 수요가 신장하면서 태양전지와 LiB를 함께 탑재한 축전시스템의 세트 판매가 활성화되고 있다.
LiB를 탑재한 축전지 시장은 현재 거치형 타입이 주류를 이루고 있으나 앞으로 저가격화, 설치공간의 절약 등의 니즈에 대응해야 할 것으로 요구되고 있다.
Sekisui Chemical이 개발한 고용량 필름형 LiB는 내벽에 부착할 수 있어 자동차 경량화에 일조할 것으로 기대된다.
IoT·VR 보급 타고 시장규모 성장
경소단박 부품 시장은 IoT, AR(확장현실), VR(가상현실), 자동운전 동 산업계를 둘러싼 키워드를 중심으로 성장하고 있다.
Citizen과 Seiko Epson은 손목시계 제조 등에서 축적한 정밀가공기술을 활용해 경소단박 정밀부품, 디스플레이를 개발하고 있으며 스마트폰, 웨어러블 분야에서 채용 실적을 축적하고 있다.
Citizen Fine Device는 소재기술에 초정밀가공, 박막, 접합, 조합 등의 기술을 융합시킴으로써 경소단박형 액정기기 및 센싱기기를 생산하고 있다.
최근에는 0.24인치의 초소형 액정패널을 라인업에 추가한 것으로 알려졌다.
반사형 액정소자를 사용한 「FLCOS」 액정패널은 기존의 TFT(박막트랜지스터) 액정에 비해 응답성이 높아 고해상도, 고정밀, 고휘도 표시가 가능한 것으로 평가되고 있다.
또 구동회로를 모두 액정셀 안으로 집어넣어 탑재기기의 소형화에 공헌하고 있다.
디지털 카메라에 다수 채용됐으며 앞으로는 웨어러블, 헤드업 디스플레이(HUD) 등으로 공급이 가능할 것으로 기대되고 있다.
Seiko Epson은 손목시계 사업에서 축적한 기술을 활용해 사업 규모화를 추진하고 있다.
IoT가 발전함에 따라 실제 소비자와 사업자, 사이버공간을 이어주는 연결제품의 중요성이 강화되고 있는 가운데 Seiko Epson은 소비자용, 산업용 HUD에 탑재되는 소형액정 패널, 스포츠 및 헬스케어용 손목시계형 웨어러블 디바이스를 개발해 판매하고 있다.
Pioneer는 광디스크 사업에서 축적한 픽업, 반도체 레이저 기술을 응용해 레이저 혈류계를 개발하는데 성공했다.
신제품은 프로브 부분이 20mm×12mm×3.6mm로 매우 미세하고 광파이버를 사용하지 않는 노이즈레스 구조를 취하고 있어 진동에도 강하다.
스포츠용 웨어러블 기기로 공급이 가능할 것으로 기대하고 있다.
스포츠용 웨어러블 기기는 그동안 맥박만으로 다양한 운동데이터를 얻었으나 혈류데이터를 추가함으로써 측정데이터의 범위가 넓어져 계측 정확성이 높아질 것으로 예상된다.
또 소형·경량화를 도모해 소비자용 웨어러블 디바이스로도 적용이 가능할 것으로 기대된다.
기능성 식품의 효과 검증, 자동차 분야 등 산업분야로 응용하는 방안에 대해서도 고려하고 있다.
혈류데이터를 활용하면 졸음을 감지하는 것이 가능하기 때문에 자동차 안전성능 향상 및 기기 개발에 응용이 가능할 것으로 파악된다.
센서의 소형화는 최종제품 매력과 직결
IoT 산업은 센서를 통해 수집한 데이터를 바탕으로 사물에 인터넷을 연결해 형성되는 것으로 센서 시장규모는 IoT 보급 확대를 타고 1조개 수준으로 급성장했다.
글로벌 센서 시장은 경쟁이 치열한 가운데 소형, 고성능화, 저소비전력 등의 키워드를 중심으로 차별화가 추진되고 있다.
스마트워치, 스마트글래스 등 장치형 디바이스는 사이즈, 중량에 대한 니즈가 고도화되고 있어 센서 등 구성부품의 소형화가 최종제품의 매력과 직결되는 것으로 판단된다.
또 스마트폰은 구성부품의 사이즈가 작아지고 무게가 줄어들수록 배터리를 대형화할 수 있어 가동시간을 연장할 수 있다는 이점이 있다.
센서는 소형화가 급속도로 추진되고 있다.
독일 Bosch Sensortec의 9축 센서는 3mm×2.5mm×0.95mm 사이즈로 최대 소비전력은 1.58mA를 달성했다.
2012년에 개발된 자이로센서와 6축센서보다도 사이즈가 작아 이용 범위가 확대될 것으로 기대되고 있다.
6축센서는 ST Microelectronics의 「LSM6DSM」이 3mm×2.5mm×0.83mm 사이즈에 최대 소비전력 0.6mA를 실현했다.
사이즈, 소비전력 등 선택의 폭이 다양해지면서 용도에 맞추어 센서를 구분해 사용하겠다는 니즈가 전에 비해 확대되고 있다.
수직방향 센서도 주목받고 있다.
일반적인 센서의 높이는 커넥터 등에 맞추어 제약되고 있으나 비교적 높이가 낮은 내장형 센서와 IC 등은 확장 가능성이 높은 것으로 파악되고 있기 때문에다.
후공정기업인 Amkor는 최대 6mm각의 LGA 패키지 하나에 마이크로컨트롤러, 습성센서, 블루투스 등의 통신유닛을 포함시키는 다기능칩을 탑재하는 방안을 제안하고 있다.
스마트폰의 박막화와 직결되는 광센서 등은 높이가 낮아지고 있으며 탑재 부위에 따라 최적화가 추진되고 있다.
센서 제조기술도 혁신되고 있다.
MEMS(Micro Electro Mechanical System)를 활용하는 미세가공이 캔틸레버(Cantilever), 다이어프램(Diaphragm), 스톱퍼(Stopper), 도파관(Waveguide), 피에조(Piezo) 소자, 렌즈 등 다양한 기기를 제조하는데 사용되고 있다.
드론 제어에 사용되는 고정밀도 센서도 소형화되고 있다.
Silicon Sensing System이 2016년 6월 MEMS 기술을 통해 길이 68mm, 무게 300g 수준으로 소형·경량 광파이버 자이로(FOG) 이상의 정밀도를 보유한 6축 자이로를 상업화하는데 성공했다.
완벽하게 새로운 센서도 등장하고 있다.
Ushio는 독자적인 실리콘 수지를 활용한 광학계를 통해 휴대폰 사이즈의 흡광도계를 실용화하는데 성공했으며, Fuji Electric은 다이어그램형 가스센서를 응용해 소형 및 저소비전력의 MEMS 메탄가스 센서를 개발해 가스 감지기의 코드레스화를 실현했다.
환경측정 분야에서도 소형센서 혁신제품들이 위생, 안심, 안전 강화에 공헌하고 있다. <강윤화 기자: kyh@chemlocus.com>
