일본 소니(Sony)와 삼성전자가 이미지센서 시장을 놓고 경쟁하고 있다.
이미지 센서는 카메라 렌즈를 통해 들어온 빛을 디지털 신호로 변환해 이미지로 만들어주는 반도체로 스마트폰 시장이 급성장하면서 수요가 급증하고 있다. 프리미엄 스마트폰 후면에는 카메라가 3개 들어가는 것이 대세로 굳어가고 있다.
스마트폰 메이저인 삼성전자와 화웨이(Huawei)는 40메가픽셀 이상의 고해상도 광학 카메라를 탑재하며 화질 경쟁을 나섰고 애플(Apple)도 아이폰11 프로에 카메라 3개를 장착했다.
소니 수성에 삼성전자 맹추격
소니가 공장을 풀가동하고 있음에도 주문량을 맞추지 못하고 있는 것은 스마트폰 생산기업들이 카메라 탑재를 확대하고 있기 때문으로 파악된다.
소니는 일본 나가사키(Nagasaki)에 2021년 상반기 완공을 목표로 이미지센서 생산라인을 증설하고 있다. 증설이 끝나면 생산능력이 월 10만9000개에서 13만8000개로 확대된다.
소니는 글로벌 이미지센서(CMOS 기준) 시장 점유율을 2019년 52%에서 2025년 60%로 끌어올릴 방침이다.
이미지센서 시장 2위로 소니를 추격하고 있는 삼성전자는 2030년까지 소니를 잡고 1위를 탈환하겠다는 목표를 설정하고 있다.
삼성전자는 12인치 파운드리(반도체 위탁생산) 라인 중 20% 이상을 이미지센서 생산에 배정한 것으로 알려지고 있다.
삼성전자는 최초로 1억화소 벽을 깬 1억800만화소의 모바일 이미지센서 아이소셀 브라이트 HMX를 개발해 2019년 하반기에 상용화하는 등 기술을 선도하고 있다.
이미지센서는 디스플레이의 극대화, 테두리 최소화 트렌드에 맞추어 카메라 역시 슬림화하는 가운데 작으면서도 고화질을 구현할 수 있는 방식으로 기술 진화를 거듭하고 있다.
소니, 글로벌 시장 점유율 60%로 확대
소니는 이미지센서 사업을 대폭 강화하고 있다.
스마트폰에 탑재되는 카메라 렌즈 수가 늘어나고 있을 뿐만 아니라 자동차 탑재용과 센싱 수요가 증가하고 있기 때문이다.
ITOF(Indirect Time-of-Flight) 기술, 편광 등 센서를 융합하거나 자동차 탑재용으로 센서 퓨전을 실시함으로써 혹독한 환경에서도 대응이 가능하게 하는 등 고기능화에 박차를 가하고 있다.
2025년 시장점유율 60%를 목표로 센서 융합제품 비중을 30%로 확대할 예정이며 AI(인공지능) 도입을 통해 소프트웨어를 강화함으로써 사업을 확장해나갈 방침이다.
최근 카메라 자체는 수요 증가율이 둔화되고 있는 반면 이미지센서 수요는 계속 증가하고 있기 때문이다.
소니는 글로벌 이미지센서 시장 점유율이 51%에 달하는 최대 메이저로 스마트폰의 진화에 맞추어 다양한 용도를 개척함으로써 점유율을 계속 확대해나갈 계획이다.
특히, 센서 융합제품 공급에 관심을 나타내고 있다.
ITOF를 활용한 심도 센싱 기술이 2018년 말부터 스마트폰에 도입되기 시작했고 AR(증강현실) 등에 사용하는 모션센서 등에서도 좋은 평가를 받고 있는 것으로 알려졌다.
자동차용 센서 역시 자율주행 센서 퓨전 등으로 융합이 가능할 것으로 기대하고 있다.
편광센서는 머신비전용 공급을 시작했으며 의료, 감시카메라 용도를 개척해나갈 방침이다.
스마트폰·자동차용 융합에 AI 도입 적극화
스마트폰용은 고화질화와 렌즈 탑재 수 증가에 대응이 가능한 모션센서 투입에 주력하고 있다.
고화질화 분야에서 사진 뿐만 아니라 동영상의 하이스피드 대응에 나서고 있으며, 렌즈 탑재 수 증가에 대응하기 위해 이미지센서 면적을 15% 정도에서 20%로 확대하는 것을 목표로 하고 있다.
내부 카메라와 외부 카메라를 모두 포함해 렌즈가 7개 탑재되는 기종이 등장하는 등 앞으로도 렌즈 수가 증가할 것으로 예상됨에 따라 양과 질을 모두 강화해나갈 예정이다.
자동차용은 혹독한 조건에서도 대응이 가능한 센서를 공급할 방침이다.
터널 출구 등 명암 차이가 극명한 순간에 대응할 수 있는 다이나믹 레인지 확대와 자동차 램프, 신호등 등에 사용하는 LED(Light Emitting Diode) 점멸 대책도 적극화할 계획이다.
다만, 이미지센서 단독으로는 야간의 비, 안개, 아주 맑은 날의 역광에 완벽한 대응이 어려워 다른 센서와 조합하는 센서 퓨전에 관심을 나타내고 있다.
소프트웨어 강화도 본격화한다.
카메라와 스마트폰 시장에서 심미성을 추구하는 트렌드가 확산됨에 따라 사진이 광 환경에 따라 달라지는 문제 등 알고리즘으로 해결하기 어려웠던 과제를 해결하기 위해 AI 기술을 도입할 예정이다.
센서 이용과 사이즈, 처리 지연 등을 포함해 용도별로 최적화할 예정이며 이미지 센서와 로직 엣지 AI를 융합하는 등 소프트웨어에 대응하는 기기 역시 개발할 계획이다.
수요기업과 연계를 적극화해 기존 용도의 고도화와 신규 용도 개척에도 적극 나설 방침이다.
중국, 2030년 자동차용 시장 22조원으로 성장
중국은 자동차용 센서 시장이 급속도로 확대되고 있다.
야노경제연구소(Yano Research)에 따르면, 중국은 2019년 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS) 및 자율주행용 센서 시장이 2529억4000만엔으로 성장한 가운데 레이더가 680억4000만엔, 카메라가 1561억엔, 초음파 센서가 288억엔을 차지한 것으로 추정되고 있다. 
2025년 이후에는 레벨3 이상의 자율주행 시스템용으로 수요가 증가해 2030년에는 시장이 1조8372억엔으로 성장할 것으로 예측되고 있다.
레이더는 전방용으로 탑재하는 77GHz 장거리 그레이드 뿐만 아니라 후방 측면 좌우에 탑재하는 단거리 그레이드도 수요가 늘어나고 있다.
사각지대 경보장치, 문열림 경보장치 등에 사용되고 있으며 후방에서 이륜차 사고가 많이 발생하는 중국에서는 문열림 경보장치에 대한 니즈가 높은 것으로 파악되고 있다.
카메라는 ADAS에 사용되는 전방인식용 센싱카메라, 리어/서라운드 뷰 카메라 등 탑재량이 늘어나고 있어 중국기업 생산제품도 리어 뷰 카메라를 중심으로 증가하고 있다.
초음파 센서는 충돌경보, 주차지원 시스템용으로 수요가 증가하고 있으며 용도에 따라 자동차에 대당 4-12개가 탑재되고 있다.
2030년에는 레이더가 4843억5000만엔, 카메라가 6154억1000만엔, 초음파 센서가 759억2000만엔, 라이다(LiDAR)는 6615억엔에 달할 것으로 예상되고 있다.
특히, 라이다는 2025년 이후 레벨3 이상의 자율주행 시스템용으로 수요가 급속도로 확대될 것으로 판단되고 있다.
중국 정부는 중국 제조2025에서 ICV(Intelligent Connected Vehicle) 개발을 국가적 전략으로 끌어올릴 방침이다. 2025년 이후 V2X(자동차‧사물통신)에 따른 레벨4 이상의 ICV 실현을 목표로 하고 있다.
ICV 실증지역으로 지정된 베이징(Beijing), 상하이(Shanghai) 등 도시에서는 레벨4 자율주행 시스템 탑재가 활발해짐에 따라 라이다 출하량이 증가할 것으로 예측되고 있다.
자동차 커넥티드화도 정부 주도로 추진하고 있다.
지능형 자동차 개발‧발전 전략을 통해 2020년 중-고 레벨의 ICV를 시판하고 2035년 중국의 표준적인 ICV를 세계시장에서 표준화할 방침이다. ICV 산업 발전 행동계획을 통해서는 V2X에 대한 5G(5세대 이동통신) 채용을 명문화하고 자동차의 V2X 보급을 명문화했다.
앞으로 차세대 자동차 관련기술 실용화를 위한 대책이 주목되고 있다.
미국, 피부 부착형 패치형 센서 개발
사람의 피부에 붙일 수 있는 패치형 센서 기술도 진화하고 있다.
작은 스티커 형태의 패치형 센서는 호흡, 맥박 등 생체신호 뿐만 아니라 땀 성분 분석, 움직임 감지, 무선통신 기능까지 갖추고 있으며 이르면 1-2년 후 헬스케어용 상용화가 기대되고 있다.
기존의 패치형 센서는 사람의 피부에 붙이기에 너무 크거나 무거웠고 관절처럼 움직임이 많은 부위에 부착·사용하면 부드럽게 늘어나는 신축성 있는 소재가 필요했으나 채용 소재에 한계가 있어 적극적으로 대처하지 못했다.
미국에서는 실리콘밸리를 중심으로 패치형 센서 기술을 개발하고 있다.
최근 캘리포니아공대 연구진은 땀 분석을 통해 혈액의 대사물질과 영양분 농도를 상시 관찰할 수 있는 패치형 센서를 개발했고 심혈관 질환, 당뇨병, 신장 질환 등 환자를 모니터링하는데 유용할 것으로 기대하고 있다.
스탠퍼드대학 연구팀은 한발 더 나아가 센서에 원격으로 전력을 공급할 수 있는 시스템을 개발하고 있다.
바디넷(BodyNet) 기술은 몸에 부착하는 센서, 센서에 전력을 공급하고 수집한 데이터를 수신하는 수신기, 수신기에서 스마트폰이나 PC 등으로 전송하는 송신기로 구성돼 있다. 바디넷은 작은 스티커에 센서와 안테나가 하나로 결합된 형태로, 연구팀은 착용하기 쉽고 편안하면서도 단단한 회로나 배터리가 없는 센서 개발을 목표로 하고 있다.
걸림돌은 피부처럼 늘어나거나 구부러지는 안테나를 제작하는 것으로 고무 재질의 스티커에 금속잉크를 이용해 안테나를 인쇄하는 방법을 시도하고 있다.
한국, 의료·스포츠용에서 음성인식 센서까지…
국내에서도 과학기술정보통신부 국책 과제로 센서 개발 프로젝트를 진행하거나 이미 성과를 내고 있다.
김선국 성균관대 교수 연구팀과 한국전자부품연구원이 공개한 패치형 센서는 온도, 습도, 동작을 정확하게 측정할 수 있고 피부에 부착해 안정적으로 피부 표면의 온도나 습도, 착용자의 움직임을 잡아낼 수 있는 것으로 알려졌다.
실리콘 접착제로 만들어져 피부에 부착되고 방수 기능까지 갖추고 있어 지속적인 관찰이 필요한 신생아나 노약자, 운동선수 등의 생체신호를 모니터링하면서 응급상황에도 대처할 수 있다.
음성을 인식하는 고성능 진동감지 유연 센서도 패치형으로 개발했다.
포스텍 화학공학과 조길원 교수, 전자전기공학과 정윤영 교수팀은 2019년 목에 붙여 음성을 인식하는 패치형 센서를 공개했고 연구결과는 네이처 커뮤니케이션즈에 게재됐다.
일반적인 소리의 세기 범위(40-70㏈SPL) 안에서 소리의 세기가 성대의 진동 가속도와 비례해 증가한다는 사실을 밝혀내고 진동센서를 제작했다.
마이크로미터(μm) 크기의 미세한 구멍이 새겨진 가교 고분자 진동판으로 구성된 센서는 사람의 목 피부를 통해 전해지는 진동 가속도를 측정해 정량적으로 음성을 인식할 수 있으며 센서는 소음이 있는 환경, 목소리가 거의 들리지 않는 가스마스크를 착용한 상황에서도 왜곡 없이 감지할 수 있는 것으로 알려졌다.
패치형 센서는 기존 센서와 달리 움직임이나 변형에 대한 신호의 영향이 없고, 피부 부착이 가능해 응급상황 모니터링용 시스템으로 적용할 수 있으며 헬스케어 뿐만 아니라 전자, IoT(사물인터넷) 등 애플리케이션으로 연구개발 확대가 기대되고 있다.
