CIS‧조명기술, 생산성 향상에 기여
일본은 저출산 고령화의 영향으로 공장 디지털화가 가속화됨에 따라 로봇의 눈이 되는 CMOS(상보형 금속산화) 이미지센서(CIS), 미세한 흠집까지 관찰할 수 있는 특수한 조명 시스템 수요가 증가하고 있다.
다양한 국가에서 공통적으로 나타나는 흐름이지만, 특히 일본은 원자재부터 디바이스, 로봇, 검사장치에 이르기까지 종합적으로 공급할 수 있는 강점이 부각되고 있다.
소니(Sony)는 산업용 CIS 분야에서 기술력을 뽐내고 있다.
3.5마이크로미터에 불과한 포토다이오드 위에 4방향 360도를 커버하는 편광소자를 증착함으로써 사람의 눈으로는 발견할 수 없는 도장흠집, 미세한 왜곡을 감지해 컬러로 표시할 수 있고, 편향필터를 이용하면 투명튜브 및 유리 품질검사에도 사용할 수 있으며, 고속으로 작동하는 로봇팔의 끝부분에 장착했을 때 충격으로 떨어지지 않도록 볼트를 이용해 70G의 내진성을 확보한 것으로 알려졌다.
CIS로 취득한 데이터를 처리해 최대 6.4미터 앞에 있는 피사체와의 거리를 5센티미터 단위로 컬러를 달리해 표시하는 장치도 개발해 드론(무인항공기) 장착을 제안하고 있다.
조명기술도 발전하고 있다.
자동차 공장 등은 금속을 가공하는 공정이 많으나 반사광에 따라 금속표면 요철을 파악하기 어려운 문제점이 있어 Michine Vision Lighting(MVL)이 동심원의 특수한 LED(Light Emitting Diode) 광을 하프미러(Half Mirror)로 반사시켜 조사하는 기술을 개발했다.
동심원 중심에서 바깥쪽으로 청색, 녹색, 황색, 오렌지색 등이 디스플레이에 표시되는 방식으로 평면일 때는 청색을 나타내나 금속표면에 경사가 있으면 반사광이 청색에서 녹색 또는 황색으로 변환되며 변형 정도가 심하면 검정색을 띠는 것으로 파악되고 있다.
키엔스(Keyence)도 금속표면 거칠기 검사에 독자적으로 보유하고 있는 조명기술을 활용하고 있다.
키엔스는 백색 LED의 위상을 바꾸어 만든 줄무늬 모양 피사체에 세로 4회, 가로 4회로 총 8회 조사한 후 이미지를 합성함으로써 표면에 있는 오염 및 요철을 감지하는 장치를 개발하고 있으며 용도에 따라 파라미터를 변경함으로써 특정크기의 요철만을 감지하는 기능으로 사용할 수 있는 것으로 알려졌다.
삼성전자 추격에 SK하이닉스도 참여
삼성전자는 이미지센서 시장에서 글로벌 1위 소니를 맹추격하고 있다.
시장조사기업 옴디아에 따르면, 2020년 들어 소니와 삼성전자의 CIS 시장점유율 격차가 크게 좁혀진 것으로 나타났다.
소니는 2019년 3분기 시장점유율이 56.2%에 달했으나 2020년 2분기 42.5%로 13.7%포인트 하락한 반면, 삼성전자는 16.7%에서 21.7%로 5%포인트 상승한 것으로 추정된다. 소니와 삼성전자의 점유율 격차가 2019년 40%포인트에서 20%포인트 수준까지 좁혀진 것이다.
CMOS 이미지센서는 카메라 렌즈로 들어온 빛을 디지털 신호로 전환해 이미지를 생성하는 반도체로 주로 스마트폰에 투입되고 있으며 자율주행 자동차, 스마트공장 등으로 적용범위가 확대되고 있다.
삼성전자는 2002년 이미지센서 양산을 시작한 후 메모리 반도체 사업 노하우를 설계‧생산에 적용함으로써 품질을 획기적으로 높인 것으로 평가되고 있다.
2019년 11월에는 1억800만화소의 아이소셀 브라이트 HMX를 세계 최초로 출시했고 샤오미(Xiaomi), 오포(Oppo), 비보(Vivo) 등 중국 스마트폰 생산기업과 중국 레노버(Lenovo)가 인수한 모토로라(Motorola) 등 프리미엄 스마트폰에 투입되고 있다. 소니는 최고가 6400만화소에 불과한 것으로 나타나고 있다.
TSR은 CMOS 이미지센서 시장이 2020년 197억달러(약 22조6600억원)에서 2024년 270억달러(약 32조2000억원)로 확대될 것으로 예상하고 있다. 스마트폰 1대에 들어가는 카메라 수가 3-4개로 증가했고, 자율주행 자동차와 스마트공장에서도 이미지센서 수요가 증가하고 있기 때문이다.
SK하이닉스는 2019년 이미지센서 블랙펄 브랜드를 공개하고 800만-2000만화소대를 공략하고 있으며 점유율도 2019년 2%대에서 2020년 2분기 3.4%까지 상승한 것으로 파악되고 있다.
소니도 2021년 완공을 목표로 1000억엔(약 1조1267억원)을 투입해 나가사키현(Nagaski)에서 생산라인을 증설하고 있다. 월 생산량(웨이퍼 투입량 기준)을 10만9000장에서 13만8000장으로 확대해 2025년까지 점유율을 60%로 끌어올릴 방침이다.
삼성전자, 5000만화소 아이소셀 GNI 양산
삼성전자는 DSLR(렌즈교환식 카메라) 수준의 초고속 자동초점 기능을 지원하는 1.2마이크로미터(100만분의 1미터) 기반의 5000만화소 모바일 이미지센서 신제품 아이소셀 GN1 양산을 시작했다.
삼성전자는 0.7-0.8마이크로미터, 1억화소 이상의 초고화소 센서로 소니와의 차별화를 시도한 가운데 자동초점 기능을 한층 강화한 비교적 큰 픽셀제품으로 포트폴리오를 다변화하고 있다.
섬세한 이미지냐와 자동초점 강화를 놓고 일종의 트레이드오프(한 가지를 얻으면 다른 것을 희생해야 하는 구조) 관계에서 삼성전자가 스마트폰에서 어떠한 이미지센서를 장착할 것인지 관심이 쏠리고 있다.
삼성전자가 개발한 아이소셀 GN1는 하나의 화소(Pixel)에 2개 포토 다이오드를 배치하는 듀얼 픽셀(Dual Pixel)과 4개 인접 픽셀을 하나로 묶는 테트라셀(Tetracell) 기술을 동시에 적용했다. 2가지 기술은 삼성전자가 원래 적용하던 기술이지만 한꺼번에 모두 취하기는 처음이다.
이에 따라 DSLR 수준의 최고 위상검출자동초점(Phase Detection Auto-Focus: PDAF) 성능을 제공할 방침이다. 사람이 양쪽 눈을 통해 피사체에 초점을 맞추는 것처럼 개별 화소 좌우로 위치한 2개의 포토 다이오드에서 검출된 이미지의 위상차를 계산해 피사체에 정확하고 빠르게 초점을 맞추는 것으로 축구·야구 등 스포츠의 역동적인 장면을 찍을 때도 선명한 이미지 촬영이 가능하다.
개별 화소에 2개의 포토 다이오드가 있어 5000만화소는 1억개의 포토 다이오드가 받아들이는 빛을 이용해 1억화소 수준의 이미지를 출력할 수 있는 것도 특징이다.
1.2마이크로미터의 비교적 큰 픽셀 면적으로 빛을 더 많이 받아들일 수 있다는 장점도 부각되고 있으며, 어두운 환경에서 4개 픽셀을 하나로 결합하는 테트라셀 기술이 시너지를 내면서 감도를 4배 높여 1250만화소의 밝고 선명한 이미지 촬영이 가능한 것으로 알려졌다.
삼성전자는 2019년 기준 이미지센서 시장점유율이 매출액 기준 17.9%로 소니(49.1%)의 뒤를 쫓고 있다.
바스프, 박형 적외선 센서로 “도전장”
바스프(BASF)도 센서 사업을 적극화하고 있다.
바스프는 독자기술로 박형화한 적외선 센서 Hertzstuck를 중심으로 공세를 강화하고 있다. Hertzstuck은 디바이스 소형화에 내구성을 향상시킬 수 있는 것으로 알려졌다.
Hertzstuck은 황화납(PbS)과 셀렌화납(PbSE)을 광도전소자로 사용하는 적외선 센서를 독자의 박막봉지 기술에 따라 전자 프린트 기판에 표면실장이 가능한 베어칩 상태로 공급할 수 있도록 했으며, 기존의 금속용기 봉지에 비해 대폭 박형화됨에 따라 소형화 등 디바이스 설계 가능성이 확대된 것으로 파악되고 있다.
수분, 산소에 따른 열화도 극한으로 억제했으며 금속용기에 봉지함으로써 신뢰성을 더욱 높일 수 있는 것으로 알려졌다.
센서는 글로벌 화학 메이저인 바스프가 새롭게 시도하는 사업으로 자회사 트라이나믹스(trinamiX)가 담당하고 있다.
트라이나믹스는 2015년 본사에서 분리돼 기동성을 향상시켰으며 화학, 물리, 광학, 클라우드 컴퓨팅, AI, 데이터 관리 등 다양한 분야의 전문가를 포함해 120명이 근무하고 있다.
자금 및 영업은 바스프가 전면적으로 지원하고 있으며 글로벌 시장 개척을 목표로 독일, 이태리에 이어 일본에 진출했고 한국, 미국, 중국에서도 준비를 시작했다.
일본에서는 바스프 현지법인에 추진팀을 설치했고 IR System과 대리점 계약을 체결했다. 기존 판매경로를 활용함과 동시에 적외선 기술 분야의 전문지식과 판매망을 보유한 IR System과 새롭게 협력해 시장 개척에 박차를 가하고 있으며 이미 채용이 결정돼 공급을 시작한 것으로 알려졌다.
센서 활용 해석 솔루션 사업도 병행
솔루션 사업도 중시하고 있다.
센서를 활용해 사용자와 공동으로 눈에 보이지 않는 유용한 정보를 찾아 AI(인공지능)를 활용하는 해석 플랫폼을 서비스로 공급하고 있으며 화학, 식품, 농업, 헬스케어 등 광범위한 분야에서 수요처를 개척하고 있다.
사용자의 전문지식을 토대로 적외선 분광이 포착하는 정보 가운데 유용한 정보를 찾아 해석하는 플랫폼으로 클라우드 컴퓨팅을 이용한 구독형 서비스로 공급하고 있다.
보이지 않는 것을 가시화함으로써 사용자의 정밀한 판단에 기여하며 축적한 데이터를 AI에 학습시킴으로써 더욱 고도화된 의사결정이 가능한 것으로 파악되고 있다.
용도에 따라 분광기도 개량할 방침이다. 유럽에서는 커피 전문가와 공동으로 적외선 분광으로 커피콩 상태를 파악해 재고관리 및 로스팅법을 최적화하는 시스템을 개발했다.
바스프가 보유한 지식을 토대로 개발한 포터블 적외선 분광기를 이용해 플래스틱 조성을 판별하는 서비스도 시작했다.
리사이클 공장 활용을 고려한 것으로, 클라우드 상에서 해석한 결과는 모바일 단말 및 PC에 표시되는 것으로 파악되고 있다.
Hertzstuck은 1-5마이크로미터의 근적외선을 검출할 수 있어 적외선 분광기 뿐만 아니라 가스센싱, 불꽃검출, 화염제어, 의료기기, IoT(사물인터넷) 센서 시스템 등 다양한 산업영역 및 용도에 유용하게 응용될 것으로 기대하고 있다. (강윤화 선임기자: kyh@chemlocus.com)
