[첨단 헬로티]

지난해부터 CMOS 이미지센서 사업을 본격적으로 확대하고 있는 삼성전자는 올해도 상반기부터 신기술을 출시하면서 업계 1위인 소니를 맹추격하고 있다. 삼성과 소니가 CMOS 이미지센서 사업에 집중하고 있는 이유는 자율주행차의 핵심 기술인 '첨단운전자지원시스템(ADAS, Advanced Driver Assistance Systems)'을 지원함으로써 신규 비즈니스를 창출하기 위함이다.

이미지센서는 카메라 렌즈를 통해 들어온 빛(영상 정보)을 전기적 디지털 신호로 변환해 디스플레이 장치로 촬영한 사진을 볼 수 있도록 하는 반도체다. 그 중 CMOS(Complementary Metal-Oxide semiconductor) 이미지센서는 A/D 컨버터와 이미지 센서의 전체 컨트롤 기능이 하나의 칩에 통합됨으로써 저렴한 제조비용으로 대량생산과 소형화가 가능해 각광받고 있다. 또 배터리 사용 시간을 늘릴 수 있는 저전력 기술 구현에 부합하기 때문에 7~8년 전부터 스마트폰 보급과 함께 시장이 성장했다.

▲ CMOS 이미지센서는 자율주행차의 핵심 기술인 '첨단운전자지원시스템(ADAS)’을 지원한다. 

최근 CMOS 이미지센서는 자율주행차, 의료, 머신비전, 보안, 가상현실, 증강현실 등 여러 산업 분야에서 사용될 것으로 전망되면서 제 2의 전성기를 맞이하고 있다. 시장조사기관 IC인사이츠의 보고서에 따르면 전세계 CMOS 이미지센서 매출은 2017년 115억 달러 수준이었고, 2020년에는 152억 달러를 기록할 것으로 전망된다.

현재 CMOS 이미지센서가 사용되는 산업은 스마트폰이 60% 이상으로 압도적이지만 다양한 애플리케이션에 활용될 것으로 기대됨에 따라 2020년에는 1위 스마트폰(48%) 다음으로 자동차(14%)가 연평균 48% 성장률로 빠른 성장을 하며 2위가 예상된다. 이런 시장변화는 여러 업체들이 오토모티브용 CMOS 이미지센서에 주목하는 이유다.

 
그 밖에 CMOS 이미지센서가 사용되는 애플리케이션은 태블릿 및 PC(6%), 보안(6%), 메디컬(6%), 인더스트리얼(6%), 디지털 카메라(4%), 비디오게임(2%) 등도 소폭 성장할 것으로 기대된다.

 
현재 CMOS 이미지센서 시장은 오랫동안 카메라 기술을 개발해온 소니가 절반 가량을 차지하며 주도하고 있다. 2017년 기준으로 소니의 매출 점유율은 45%로 1위이며, 2위 삼성전자(16%), 3위 중국의 옴니버전(14%), 4위 온세미컨덕터(7%) 순으로 시장을 차지하고 있다. 또 SK하이닉스, ST마이크로일렉트로닉스, 인피니언 등도 뒤따른다.

 
그러나 자동차용 CMOS 이미지센서 시장의 경우에는 소니와 삼성이 비교적 약세다. 온세미컨덕터가 2014년에 앱티나(Aptina)를 인수한 이후 규모가 커져 2016년 시장점유율 50%로 선두를 달리고 있고, 2위 옴니비전(Omnivision)이 16%, 3위 소니가 14%, 4위 도시바(Toshiba)가 12%, 5위 멜렉시스(Melexis)가 3%를 차지하고 있다.

▲ 2020년애플리케이션별 CMOS 이미지센서 매출 점유율 전망 (자료: IC인사이츠) 

소니, 이미지센서 사업 다각화 위해 대대적인 인수와 ToF 기술 투자 

지난 몇 년간 가전제품에서 주춤했었던 소니의 부활은 이미지센서로 인한 결과라고 말해도 과언이 아니다. 소니는 2015년 CIS 설비투자에 4000억 원을 투자했고, 같은 해 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 인수하고, 2015년 10월 이미지 센서의 주요기술인 ToF(Time of Flight) 기술을 보유한 벨기에의 소프트키네틱 시스템즈(Softkinetic Systems, SA)를 인수하며 경쟁력 강화와 기술 혁신에 매진했다. 그 결과 소니의 반도체 사업부의 실정은 이미지센서로 인해 2017년 8800억 엔으로 전년대비 13.8% 성장했고, 영업이익은 1500억 엔으로 흑자로 돌아섰다. 소니는 감지 솔루션을 보다 전문으로 개발하기 위해 2017년 12월 18일자로 인수한 SA를 소니 뎁스센싱 솔루션 홀딩(Sony Depthsensing Solutions Holding SA)으로 사명을 바꿨다. 

소니는 스마트폰 선두기업인 애플의 아이폰6, 아이폰7에 이어 최신 제품인 아이폰8 시리즈에 CMOS 이미지센서 ‘Exmor RS’를 공급하고 있다. 또 소니는 빛을 더 많이 포착해 선명한 이미지를 생성할 수 있는 센서를 개발했으며, 업계 최초로 BSI(Backside illumination) 기술을 적용해 이미지센서 분야에서 높은 기술력을 선보이고 있다. BSI는 이미지 센서 디자인 중 하나로 이미징 소자들의 배열을 이용해 빛을 더 많이 받아들여 어두운 환경에서도 감도 높은 사진을 제공하는 기술이다. 

소니는 2015년부터 자동차용 CMOS 이미지센서 개발을 시작해 2017년부터 사업을 본격적으로 확대하고 있다. 2017년 4월 소니는 1/2.7 타입의 새로운 245만 유효화소 자동차 카메라용 IMX390CQV CMOS 이미지 센서를 상용화했고, 같은 해 10월 ADAS용 전방 감지 카메라를 위한 742만 화소 IMX324를 출시했다. 또 지난 1월 라스베가스에서 개최된 ‘CES 2018’에서는 자동차용 1/2 형식, VGA 해상도의 후면 조명을 채택하고 ToF 센서를 강조한 IMX456QL CMOS 이미지센서 데모를 첫 공개했으며, 이 제품은 올해 11월 양산될 예정이다. 

신제품 IMX456QL은 정확한 거리 측정 성능을 갖춘 10μm 정사각형 픽셀을 채택해 반사광을 보다 정확하게 감지하기 때문에 약 30센티미터에서 1미터의 가까운 거리에서 VGA 해상도로 고정밀도 지도를 캡처할 수 있다. 따라서 자동차 뿐 아니라 드론, 로봇, 증강현실, 혼합현실 등에서도 활용될 수 있다는 것이 회사 측의 설명이다. 

   ▲소니는 'CES 2018'에서 자동차용 CMOS 이미지 센서를 활용한 자율주행차 데모를 선보였다. 

삼성전자, D램 메모리 공장을 이미지센서 제조공장으로 변경 

삼성전자는 이미지 센서를 구성하는 화소에 모이는 빛을 최대한 활용할 수 있도록 센서구조를 변화시킨 ‘아이소셀(ISOCELL)’ 기술을 2013년 최초로 개발하면서 2위였던 옴니버전을 뛰어 넘었다. 그 이후 삼성전자는 성장이 기대되는 자동차용 이미지센서 개발에 속도를 내기 위해 시스템LSI사업부의 CMOS이미지센서팀의 인력을 늘리고, 반도체연구소에도 이미지센서 전담 연구조직을 신설했다. 또 2017년 6월 산업별로 아이소셀(ISODELL)을 4가지 제품으로 세분화해 출시하면서 이미지센서 시장에서 경쟁력을 강화한다는 전략이다. 

더 나아가 삼성전자는 D램 메모리 공장 일부를 이미지센서 전용 공장으로 전환하는 시설 투자를 2017년부터 진행하고 있다. 기존에는 기흥 공장에서만 이미지센서를 생산했지만, D램을 생산했던 화성의 10, 12, 13 라인을 LSI사업부의 이미지센서 전용으로 전환해 올해부터 가동을 목표로 하고 있다. 

삼성전자는 2016년 인수한 자동차 인포테인먼트 선두 업체 하만의 네트워크를 바탕으로 자동차용 메모리반도체와 이미지센서 등의 공급을 모색 중인 것으로 알려졌다. 아직까지 삼성전자는 자동차용 이미지센서를 공식적으로 출시하지 않은 상태이나 모바일용으로는 기술면에서 앞서나가고 있다. 

삼성전자가 올해 2월에 출시한 'ISOCELL Fast 2L3'은 이미지센서 내부에 2Gb(기가비트) D램(LPDDR4)을 3단으로 적층해 초고속 촬영 기능을 대폭 강화한 점이 특징이다. 이에 따라 초당 960 프레임의 슈퍼 슬로우 모션 녹화와 120분의 1초 고속 촬영을 지원한다. 

'ISOCELL Fast 2L3'은 삼성전자의 스마트폰 신제품인 갤럭시 S9과 S9 플러스에 탑재됐다. 최근 소니도 모바일용 CMOS 이미지센서에 D램을 통합함으로써 향후 양사는 중국의 스마트폰 제조사를 대상으로 경쟁할 것으로 보여진다. 참고로 현재 샤오미를 제외한 중국 스마트폰 제조사들은 아직 스마트폰 카메라에 슬로우 모션 기능을 지원하지 않고 있기 때문에 D램을 탑재한 이미지센서의 비즈니스 가능성은 매우 높다.

▲삼성전자 'ISOCELL Fast 2L3' CMOS 이미지센서