CMOS 이미지센서 신기술 '각축전', 소니에게 도전하는 삼성

자율주행차, VR, 드론, CCTV로 뜨는 시장. 한-중-일 경쟁구도 형성

[테크월드=이나리 기자] CMOS 이미지센서(CIS)가 스마트폰을 넘어 자동차, 머신 비전, 의료, 보안, 가상현실(VR), 웨어러블, 드론 등 새로운 시장에 활발히 사용되면서 매출 상승세가 이어지고 있다. 이에 힘입어 최근 소니, 삼성전자, 옴니비전, 온세미컨덕터, SK하이닉스 등은 신기술을 연이어 발표하며 CMOS 이미지센서 시장 선두를 목표로 하고 있다.

CMOS 이미지센서, 스마트폰 넘어 자동차, 드론으로 상승세

디지털 카메라, 스마트폰 카메라에서 가장 중요한 역할을 하는 부품은 '이미지센서'다. 이미지센서는 피사체 정보를 읽어 전기적인 영상신호로 변환해주는 장치로, 카메라의 필름과 같은 역할을 한다.

이미지센서는 응용 방식과 제조 공정에 따라 CCD 이미지센서와 CMOS 이미지센서로 나눌 수 있다. CCD 이미지센서는 전자 형태의 신호를 직접 전송하는 아날로그 방식으로, CMOS 이미지센서 대비 노이즈가 적다는 장점을 가지고 있어 디지털카메라에 주로 사용된다.

반면 CMOS 이미지센서는 신호를 전압 형태로 변환해 전송하는 방식으로, A/D 컨버터와 이미지 센서의 전체 컨트롤 기능이 하나의 칩에 통합돼 저렴한 제조비용으로 대량생산과 소형화가 가능하다. 또 CMOS 이미지센서는 배터리 사용 시간을 늘릴 수 있는 저전력 기술 구현에 부합하기 때문에 그동안 스마트폰과 태블릿PC 등에 사용돼 왔다.

7, 8년 전 스마트폰 보급과 동시에 상승했던 CMOS 이미지센서는 그 이후 하락세를 겪다가 최근 자율주행차, 의료, 머신 비전, 보안, 웨어러블, 가상현실, 증강현실 등 여러 산업 분야에서 사용될 것으로 전망되면서 다시 빠른 성장세에 돌입했다.

시장조사기관 IC인사이츠가 6월 27일 발표한 OSD 보고서에 따르면 전세계 CMOS 이미지센서 매출은 올해 9% 상승해 11억 5000만 달러에 달할 것으로 전망했다. 또 2021년까지 연평균 8.7% 성장해 159억 달러를 기록할 것으로 기대된다.

특히 CIS 분야에서 자동차 시스템은 2021년까지 평균 48% 성장해 23억 달러를 기록하며 전체 시장 전체 매출 중 14%를 차지할 것으로 전망되면서 가장 빠르게 성장하는 애플리케이션으로 주목된다.

CIS에 있어서 3D 이미징과 사물간 거리 측정 기술(ToF)은 3차원 감지 기술을 개발하기 위한 핵심 기술로 꼽힌다. ToF는 적외선 레이저 또는 LED에서 빛이 방출 되고, 센서로 다시 반사되는 데 걸리는 시간을 측정해 얼굴, 손 제스처, 기타 다른 것들의 거리를 결정하고 감지하는 기술이다. CIS 기술은 ToF 기능을 소형 칩 모듈로 통합하고 잠재적으로 단일 다이까지 통합할 수 있는 수준까지 발전했다.

소니에게 도전하는 삼성… 한-중-일 경쟁 구도 형성

CIS 시장에서 소니는 압도적으로 높은 시장점유율로 1위다. 소니는 이미지 센서 원천기술력을 바탕으로 다양한 영상 기기에 자사 제품을 탑재하며 경쟁력을 제고한 결과 CIS 시장에서 2016년 기준 45%에 달하는 시장점유율(매출기준)을 기록했고, 애플 아이폰6와 아이폰7에 CMOS 이미지센서 ‘Exmor RS’를 공급해오고 있다.

이 같은 소니의 성과는 스마트폰 시장에서 삼성전자와 애플에 밀리자, 대대적인 구조조정을 단행해 이미지센서 R&D 투자를 확대하고 경쟁력 강화에 매진한 결과다. 소니는 2015년 CIS 설비투자에 4000억 원을 투자했고, 같은해 공모증자와 전환사채 발행을 통해 최대 약 4조 원을 조달한 대부분 자금을 모바일용 이미지 센서 사업에 사용했다. 또 소니는 2015년 당시 순위 5위였던 도시바의 이미지 사업을 인수하는 등 시장 선두를 위해 적극적인 행보를 보이고 있다. 지난 4월 소니는 1/2.7 타입의 새로운 245만 유효 화소 자동차 카메라용 IMX390CQV CMOS 이미지 센서를 상용화했다.

CIS 시장에서 소니 다음으로는 2위 삼성전자(16%), 3위 옴니버전(14%), 4위 온세미컨덕터(7%) 순으로 시장을 차지하고 있고, SK하이닉스, ST마이크로일렉트로닉스, 인피니언 등도 뒤따르고 있다(2016년 기준).

국내 기업인 삼성전자는 이미지 센서를 구성하는 화소에 모이는 빛을 최대한 활용할 수 있도록 센서구조를 변화시킨 ‘아이소셀(ISOCELL)’ 기술을 2013년 최초로 개발하면서 2위였던 옴니버전을 뛰어 넘었다. 삼성전자는 지난 6월 28일 산업별로 아이소셀을 4가지 제품으로 세분화해 출시하면서 CIS 시장에서 경쟁력을 강화한다는 전략이다.

중국 기업인 옴니비전도 포트폴리오 확보에 한창이다. 2016년 11월 옴니비전은 1600만화소 기반으로 zHDR 기능(노출 보정도가 다른 사진 2장을 촬영해 합쳐 결과물의 다이나믹 레인지와 톤 레인지를 넓히는 기술)을 지원하는 모바일용 이미지센서 ‘OV16885’를 개발했다. 참고로, 미국 기업이었던 옴니버전은 2015년 중국 사모펀드 시틱캐피털로부터 19억달러에 인수됐다.

SK하이닉스는 2014년 4월 이미지센서 개발 회사인 실리콘화일을 자회사로 편입한 이후 이미지센서 역량을 강화하면서 고사양부터 중저가형에 이르는 전 제품군을 갖추고 IoT 시대에 대응한다는 계획이다.

SK하이닉스도 3D 낸드플래시에 적용한 ‘버티컬 씬 폴리실리콘 채널(vertical thin poly-Si channel, VTPC) 트랜스퍼 게이트(TG)’를 통해 차세대 CIS를 개발하고 있다. SK하이닉스의 3D 픽셀 구조는 VTPC TG를 CIS에 맞춰 최적화시켰고, 같은 판형에서 더 높은 픽셀 밀도를 얻을 수 있다.

업계에서는 반도체 업체들의 CIS 기술 투자로 볼륨이 성장하게 되면, 덩달아 이미지센서 비용이 감소하게 되면서 이미지를 사용하는 응용 프로그램의 수가 크게 증가할 것으로 내다봤다. 이로 인해 향후 CIS 시장은 고성장 산업이 되면서 경쟁 구도가 달라질 가능성이 높을 것으로 전망된다.

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