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미래형 스마트폰 기술개발 및 정책적 이슈

박세환|Ph.D. 한국과학기술정보연구원 ReSEAT프로그램 전문연구위원 김혜진 기자l승인2016.10.05 08:40:16l수정2016.10.05 08:58

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차세대 스마트폰 기술은 사물인터넷, 신종 보안 위협, 스마트 홈 가전, 웨어러블 디바이스, 반도체, 모바일 결제 플랫폼, 중국 ICT 기업의 추격형 도약, 5G 이동통신, 콘텐츠 확보 경쟁과 함께 2015년 ICT 산업 10대 이슈로 선정된바 있다.

2011년 출시 당시 스마트폰 시장은 수량 기준 성장률(63.8%) 보다 매출액 기준 성장률(67.6%)이 높아 프리미엄 효과를 지속했으나 그 이후 수량 기준 성장률을 밑돌고 있을 뿐만 아니라 두 지표 간 차이는 더욱 확대되고 있다.

또 스마트폰 경쟁 원천이 HW에서 SW로 이동하면서 HW 성능으로는 차별적 우위를 지속하기 어려워지고 중국 스마트폰 업체들의 등장 등으로 인해 진입장벽은 더욱 낮아져 초기 프리미엄 효과를 누렸던 기업들의 점유율도 낮아지고 있는 상황이다. 이는 스마트폰 제조업체 간 경쟁을 더욱 심화시키는 한편 수익성에도 악영향을 끼쳐 기술개발(투자) 등 지속적인 기술혁신의 위협요인이 될 가능성이 있다.

스마트폰 핵심기술의 라이프 사이클을 [그림 1]에 나타낸다. MEMS/플렉시블 디스플레이 등이 기술촉발 상태에 있으며, 센서융합 및 무선충전기술은 이미 기대치 정점기에 이르렀음을 알 수 있다.

▲ [그림 1] 스마트폰 핵심기술의 라이프 사이클(자료 : 정보통신기술진흥센터 2014. 12)

이 연구에서는 100Gbps급의 실감형 3D/4D/홀로그램 콘텐츠를 실시간 양방향으로 전송할 수 있는 CPU 및 모바일 DRAM-무선충전-디스플레이-저전력 기술 중심의 기술개발 동향, 차세대 스마트폰 산업 SWOT 분석 결과를 설명한다. 이를 토대로 기술개발방향 전망과 기술개발 요구사항 및 정책적 이슈 중심의 기술개발전략에 대해 설명한다.

기술개발 동향

CPU 및 메모리 설계기술 : CPU 설계기술 = 차세대 스마트폰은 100Gbps급의 전송률로 실감형 3D/4D/홀로그램 콘텐츠를 실시간 양방향으로 전송하고, 다양한 융합기술을 통해 언제 어디서든 주변 다바이스와 연결 가능한 기술구현을 목표로 하고 있는 5G 이동통신 시스템의 요구를 수용할 수 있어야 한다.

특히 차세대 스마트폰은 PC와 달리 다양한 OS가 경쟁하고, 초절전 대용량 배터리의 적용이 중요한 바 INTEL의 x86 CPU보다 전력효율이 높은 256 코어 64비트 CPU 코어가 필요하다. 차세대 스마트폰에 적용될 CPU는 v7에서 Out-of-order 수퍼 스칼라 기능과 v8에서 64비트를 지원할 수 있는 고성능화와 아울러 에너지 효율성이 높은 구조가 필요하다.

이는 데스크톱 PC급의 데이터처리 성능과 맞먹는 획기적인 기능으로서 모바일 CPU 기반 Application Processor(AP) 시장의 동반성장을 기대하고 있다.

AP 시장규모는 2011년 82억 달러에서 2015년 362억 달러로 PC용 CPU 시장을 넘어설 것으로 예상하고 있다. 향후 2~3년 동안은 스마트폰과 태블릿PC 제품군 중심으로 성장하다가 디지털가전, 자동차 등 IT 전 분야로 확산될 것으로 전망된다.

▲ [그림 2] 애플리케이션 프로세서의 구조(자료 : 한태희, 이유상 2012. 7)

차세대 스마트폰 CPU는 OS 및 미들웨어, 어플리케이션 SW를 실행하는 중앙처리 프로세서 기능이 요구된다.

이에 따라 오픈VG, 오픈GL ES와 같은 그래픽 언어 및 라이브러리를 지원할 수 있어야 한다. 

아울러 H.264, MPEG2, DivX, Xvid와 같은 다중 멀티미디어 코덱(CODEC)을 지원할 수 있는 전용 하드웨어 IP, 제어모듈, 프로세서가 요구된다. 애플리케이션 프로세서(Application Processor)의 구조를 [그림 2]에 나타낸다.

CPU 및 메모리 설계기술 : 모바일 DRAM 기술 = 차세대 스마트폰에 탑재될 DRAM은 미세공정 기술을 바탕으로 글로벌 기업 간 차별화가 예상된다. 국내 메모리 반도체 제조기술력은 20㎚급 공정기술을 보유하고 있어 국제경쟁력은 충분한 것으로 판단된다.

20㎚급 미세공정 적용이 본격화되기 시작한 2013년부터 국내업체와 후발 업체와의 격차가 더욱 커지고 있다. 삼성전자는 독자 설계기술과 20㎚급 공정기술을 적용해 세계 최초로 최고 용량과 속도를 동시에 구현한 12Gb급 초고속 모바일 DRAM 양산에 성공했다.

이는 2014년 12월 양산을 시작한 2세대(20㎚) 8Gb DRAM보다 용량을 50% 향상시키면서도 속도는 30% 이상 높인 4,266Mbps를 구현한 것으로, 1세대(20㎚급) 8Gb DRAM보다 생산성을 50% 이상 높여 차세대 스마트폰 및 태블릿PC 등에 충분히 적용할 수 있는 것으로 평가받고 있다.

무선충전 기술 : 개요 = 무선충전 기술의 핵심 이슈는 대 전력을 먼 거리에 인체에 무해하게 전송함으로써 충전효율을 높이는 것이다.

최근 충전 베이스 스테이션과 충전기기 간에 자기장 공진을 일으켜 충전하는 기술개발이 진행되고 있다. 현재는 1m 거리에서 5W의 전력 충전 시 70%의 충전효율을 나타내고 있어 아직 다양한 모바일기기에 적용하기에 어려운 상황이다. 모바일기기 수준의 충전기 휴대용이성에 대한 수요니즈를 수용하면서 동시에 높은 충전효율을 구현할 수 있는 기술개발이 필요하다. 

무선충전 기술은 모바일기기뿐 아니라 스마트 홈 지향의 정보가전과 차세대 무공해 자동차로 부각되고 있는 전기자동차 등의 분야에 에너지 효율화를 위한 경쟁력의 핵심으로 인식되고 있다. 아울러 의료 분야의 생체조직에 이식된 보조기기 및 생체인식 시스템의 무선 전력공급을 위한 새로운 대안이 될 수도 있다.

무선충전 기술 : 국내 기술개발 추이 = 국내 무선충전 기술력은 시장진입 단계에 있으며, 주요 사례를 요약하면 다음과 같다.

- 한국전자통신연구원은 2008년부터 IT융합을 위한 무선충전 기술개발에 착수였으며, LS전선은 2009년 말 자기공명 무선충전 기술사업화 계획을 밝힌바 있다.

- 전자부품연구원은 삼성전자/LG전자/LG텔레콤/팬택/KT/SK텔레콤/인텔/퀄컴 등과 ‘무선충전 스페셜 인터레스트 그룹’을 형성하고 공동연구를 통해 2009년 10월 국내 최초로 박막/소형의 무선 충전기를 이용하여 50㎝ 떨어진 전자기기에 0.6W의 전력을 전송하는데 성공했다. 이는 공진자기유도 기술에 기반을 두고 있으며, 송/수신 안테나가 서로 공진을 일으키게 함으로써 에너지 손실이 거의 없는 고효율의 전력 전송을 가능하다는 평가를 받고 있다.

- 듀라셀은 2009년 8월 모바일기기를 좀 더 오래, 좀 더 간편하게 충전할 수 있는 솔루션을 포함한 스마트 파워 제품(myGrid)을 개발했다. 이는 기기를 크래들(cradle)에 올려놓기만 하면 자동으로 충전이 되는 제품이다.

디스플레이 기술

플렉시블 디스플레이는 평면형 스마트폰 스크린의 획기적인 변화를 주도하고 있다. 국내 플렉시블 디스플레이 기술은 이제 시장진입 단계이지만 빠른 시일 내에 모바일기기와 더불어 안정성이 중요시되는 자동차의 내부 디스플레이 등으로 확대될 것으로 예상된다. 플렉시블 디스플레이 스크린을 장착한 스마트폰의 출시는 향후 디스플레이 시장에 획기적인 파급효과가 예상된다.

지난 수년간 정체상태에 머물러 있던 디스플레이 시장에 새로운 비즈니스 모델로 자라 집을 수 있을 것으로 전망하고 있다. 플랙시블 디스플레이 소재의 후방위 기술인 유연성(flexibility), 풀 컬러(full color) 및 빠른 응답속도(switching speed) 등의 장점을 가진 e-페이퍼(전자종이) 소재가 디스플레이기기에 점차 확산될 것으로 예상된다. 전기영동방식과 전기습윤방식을 이용하여 선명도가 개선된 컬러 전자종이 단말기 출시를 앞두고 관련 기업들의 경쟁이 가속화되고 있다.

전자종이 소재 관련 업체동향을 간단히 요약하면 다음과 같다.

- 미국의 MIT 미디어 랩(Media Lab.)에서 분사한 E-Ink사는 1997년 전기영동방식의 전자종이 소재를 마이크로 캡슐 기술을 이용하여 e-페이퍼(e-paper) 디스플레이로 응용해 개발했다.

- 일본의 마쓰시타는 1960년대에 전기영동방식 전기영동 디스플레이의 원리는 유전 유체에 지름 1~5㎛ 크기의 백색 TiO2 입자를 분산시켜 투명전극 사이에 주입한 후 양(+)전압을 인가하면 음(-)전위를 갖는 미립자가 표면에 색상을 표시하는 것으로 이를 이용해 컬러 디스프레이 소재에 응용되고 있다.

- 대만의 PVI사는 2010년 현재 전 세계적으로 60여개의 전자책 단말기 제작사에 전기영동방식의 디스플레이 이미지 필름을 판매하여 1억 달러 이상의 매출을 달성하고 있다.

소비전력 절감 기술 : 스마트폰의 대기전력 저감기술 = 차세대 스마트폰은 웨어러블 디바이스 및 IoT기기와 접목되면서 초고해상도 및 다양한 센서 장착(실시간 상황인지 기능) 등에 따라 많은 전력소비가 예상된다. 아울러 전원이 항상 켜져 있어야하기 때문에 대기전력 문제는 항상 잠재하고 있다. 스마트폰 제조사들은 다음과 같은 소비전력 절감방안을 모색하고 있다.

- 소비전력이 큰 요인을 찾아 소비전력 자체를 줄이는 방안을 모색하고 있다. 예를 들면, 페블 스마트워치는 하드웨어 스펙은 낮지만 흑백 e-paper를 적용하여 1회 충전으로 5~7일 이용 가능한 제품을 개발했다. 샤오미는 전력소모를 최소화할 수 있도록 주기적인 업그레이드 기능을 제공하고 있다.

- 스마트폰의 단순 기능(문자메시지, 일정확인, 부재중 전화 확인 등)을 스마트워치로 이동시켜 확인할 수 있는 스마트워치-스마트폰 간, 스마트폰-스마트폰 간 전력공유 시스템을 개발해 서브-디바이스(sub-device)와의 공생방안을 모색하고 있다.

- 에너지 하베스팅(Energy harvesting) 기술 등 차세대 초절전 에너지기술을 적용해 소비전력을 절감할 수 있는 방안을 모색하고 있다. 에너지 하베스팅 기술은 열, 진동 등 자연으로부터 얻을 수 있는 미세한 에너지를 모아 전기에너지로 변환해 사용하는 기술로서 2013년에 167건의 국내특허가 출원됐다.

소비전력 절감 기술 : 초절전 에너지기술 = IT 제품군에서 가장 많은 전력을 소비하는 디스플레이 소재를 OLED, 마이크로 LED, LTPS(저온 폴리실리콘) 등으로 대체하는 것도 에너지 절감방안이 될 수 있다. 또 에너지 하베스팅 기술 등 차세대 초절전 에너지기술을 적용하는 것도 소비전력을 절감할 수 있는 방안이 될 수 있다. 

이처럼 향후 스마트폰의 소비전력은 제품의 경쟁력을 결정짓는 주요이슈로 작용할 것으로 예상된다. 저전력형 스마트폰을 제조하기 위해서는 초절전형 하드웨어 설계기술, 대기점력 절감기술, 대용량의 전력충전 기술, 무선충전 기술 등에 대한 기반이 필요하다. 이러한 인프라를 효과적으로 구축하기 위해서는 스마트폰 제조사뿐만 아니라 이동통신사의 기지국 전력이나 단말기 송수신 전력 저감 등의 공동 노력이 뒷받침돼야 할 것이다.

차세대 스마트폰 산업 SWOT 분석

차세대 스마트폰 산업에 대한 정성적, 정량적 분석을 통해 경쟁력 결정요인을 종합적으로 진단 및 분석해 글로벌 경쟁력을 향상시킬 수 있는 전략을 도출할 필요가 있다.

국내 차세대 스마트폰 산업의 경쟁력을 진단하여 취약점을 극복할 수 있는 정책과 전략과제를 도출하고 아울러 차세대 스마트폰 관련 글로벌 기술시장을 선점할 수 있는 전후방 기술개발 동향 및 산업 환경 등에 대한 미래전략을 도출할 필요가 있다.

이는 새로운 정책 수립 및 전략적 추진과제 도출을 위한 논리적 및 실질적 연결고리로 활용할 수 있을 것이다.

차세대 스마트폰 시장은 기회와 위협, 강점과 약점 요인을 모두 가지고 있다. 기회요인으로는 세계 최고 수준의 ICT 인프라와 기술력을 보유하고 있어 대외 경쟁력이 높고 국가적으로 전략적 기술개발에 적극적이며, 2020년 상용서비스 예정인 5G 이동통신 산업에 대비하여 투자확대 등을 들 수 있다.

반면 차세대 스마트폰 산업은 차세대 모바일 산업과 직결돼있어 예상치 못한 약점요인도 존재한다.

차세대 스마트폰 기술은 차세대 모바일 기술의 최후방위 수요시장으로서 CPND(Contents/Platform/Network/Device) 기술력 중심의 5G 이동통신 산업 활성화를 좌우할 수 있는 매우 중요한 지표이다. 분석해보면 강점 및 기회요인들이 많지만 약점 및 위협요인들도 있는 만큼 이를 극복할 수 있는 해결책이 필요하다. 국내 차세대 스마트폰 산업에 대한 SWOT 분석 결과를 <표 1>에 나타낸다.

▲ <표 1> 국내 차세대 스마트폰 산업 SWOT 분석(자료 : 차세대 스마트폰 산업 관련 자료를 종합해 재구성)

기술개발 전망

밀리미터파 기술 = 3GPP에서는 NTT DoCoMo/후지쓰/삼성전자 등과 공동으로 릴리즈(Release) 12 규격을 발표하면서 밀리미터파(mmWave) 기술을 차세대 스마트폰에 활용할 수 있는 방안들을 제시한바 있다. 여러 국제연구단체에서 수행하고 있는 밀리미터파 기술 적용성 연구사례를 요약하면 다음과 같다.

- IWPC(The International Wireless Industry Consortium) : 1998년에 설립돼 2012년 현재 150여개의 회원사가 참여하고 있는 무선통신 관련 전문가단체다. IWPC에서는 세계 유수의 기관들이 참여하여 밀리미터파/THz 관련 선도적 연구결과를 교류하면서 5G 이동통신 시스템 기반기술 개발에 주력하고 있다. 삼성전자/인터디지털/브릿지웨이브(BridgeWave)/NSN 등은 공동으로 밀리미터파를 활용한 이동통신 비전을 발표한바 있다.

- METIS(Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society) : 유럽 내 9개국의 단말기 제조사 및 벤더, 이동통신 사업자, 연구기관, 학술기관 등 총 24개 기관이 참여해 5G 시스템 및 차세대 스마트폰 관련 기술연구 단체다. METIS에서는 핵심 회원사인 에릭슨(스웨덴)의 주도의 5G 무선 연구 프로젝트를 추진하고 있다.

- NTT DoCoMo에서는 11GHz의 중심주파수를 사용해 10Gbps의 고속 패킷 송수신 기술을 시연한바 있다.

- 폴리테크닉 인스티튜트 오브 NYU(Polytechnic Institute of NYU)에서는 밀리미터파 기술을 이용해 구축된 무선통신 채널의 여러 파라미터들에 대한 측정결과를 토대로 5G 셀룰라 네트워크에 적용 가능성을 연구하고 있다.

기술적용 가능성 전망

2014년 7월 스웨덴의 에릭슨(ERICSSON), SK텔레콤, 일본의 NTT도코모는 5G 네트워크 기술의 국제표준이 제정되기 이전에 차세대 스마트폰이 수용해야 할 기술을 시연한바 있다. 주요 내용을 간단히 요약하면 다음과 같다.

- 혁신적인 새로운 무선 인터페이스 콘셉트와 진화된 다중 안테나 기술(MIMO) 기술을 이용해 15㎓ 대역 400㎒ 폭에서 최대 5Gbps의 전송속도를 구현했다.

- SK텔레콤, NTT도코모와 긴밀하게 협력해 밀접한 관계가 있는 모바일 네트워크의 코어와 액세스 부분의 공동연구를 추진한다는 것이다.

이러한 연구결과를 기반으로 기하급수적으로 증가하고 있는 모바일 데이터 수요를 충족시키고 차세대 사물지능통신(Machine to Machine, M2M) 시장 활성화에 주력할 것이다. 차세대 스마트폰 플랫폼이 5G 이동통신 요구사항을 효과적으로 수용하기 위해서는 현재보다 획기적으로 개선된 무선기술(wireless technologies)을 개발하는 것이 가장 중요한 이슈다.

기술개발 요구사항 및 정책적 이슈

CPND 요구사항 = 미래창조과학부는 2018년까지 기술개발 완료, 2018년 평창동계올림픽 시범사업 추진, 2020년 12월 상용서비스를 목표로 하고 있는 5G 이동통신 시스템의 CPND 요구사항을 수용할 수 있는 스마트폰 기술개발 및 표준화에 주력하고 있다.

차세대 스마트폰 기술은 세계 최고 수준의 국내 이동통신 인프라를 활용하여 완성시킬 수 있다. 이는 CPND 요구사항을 수용해 스마트폰 단말기뿐만 아니라 5G 이동통신 주변산업을 활성화시키는데 다음과 같은 파급효과를 기대하고 있다.

- 차세대 스마트폰 플랫폼을 통해 UHD?초다시점?홀로그램 서비스를 제공함으로써 3D 입체영상 산업을 가속화시킬 수 있는 계기가 될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

- 웨어러블 디바이스와 사용자 개인기지국을 결합해 실시간 사설 모바일 클라우드 서비스를 통해 지능형 모바일 서비스를 제공할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

스마트폰 플랫폼개발 지원정책

차세대 스마트폰 플랫폼은 4대기술(CPND)을 중심으로 구축돼 가고 있다. 글로벌 추세는 4G-LTE(A) 서비스 완성도가 아직 미흡한 상황이고 아직 시장성숙 단계도 아니지만, 사실상 5G 이동통신기술 관련 연구가 시작되면서 차세대(5G) 스마트폰에 대한 기술개발이 가속화되고 있다. 이에 차세대 스마트폰 플랫폼 개발은 다음과 같은 정책적 지원이 필요하다.

- 다수의 보조 네트워크 구축으로 인해 경제성이 없는 외곽지역의 투자가 축소될 우려가 있으므로 보조 네트워크 및 외곽 네트워크에 대한 공동 네트워크를 구축할 수 있도록 정책적 지원이 필요하다. 아울러 단말기에서 이를 수용할 수 있도록 스마트폰 제조사의 협력이 필요하다.

- 모바일 브로드밴드 정보격차(digital divide)를 해소할 수 있는 방안이 필요하다. 특히 광대역 이동통신 네트워크의 경우, 음성서비스와 달리 전국 커버리지를 갖기 보다는 트래픽 및 수요밀집 지역을 우선적으로 네트워크가 구축될 가능성이 높기 때문이다.

- 차세대 스마트폰 가입자들은 음성보다는 데이터 위주의 서비스를 주로 이용할 것으로 예상되는바 경제성이 부족한 지역은 네트워크 구축이 지연될 수 있어 이에 대비한 정책적 지원이 필요하다.

- 스마트폰 제조사와 이동통신 사업자가 공동노력을 통해 5G 시스템의 요구사항 기반의 플랫폼을 개발할 수 있도록 정책적 지원이 필요한 상황이다. 특히 4G에서 5G 시스템으로의 진화과정에서 광역 커버리지를 요구하는 단말 기능을 수용할 수 있도록 이동통신사측에서는 다수의 보조 네트워크를 구축하고, 단말 제조사 측에서는 보조 네트워크의 각 셀 간 핸드오프 시 심레스(seamless)한 연결성이 보장될 수 있는 가용성을 갖춰야 할 것이다.

결언

스마트폰 기술개발 경쟁이 하드웨어에서 소프트웨어 및 플랫폼으로 이동하면서 기존의 하드웨어적 성능으로는 차별적 우위를 지속하기 어려워지고 있다.

특히 후발 국가와 기업들의 도약으로 시장진입 장벽이 더욱 낮아지고 있어 초기 프리미엄 효과를 누렸던 기업들의 시장점유율도 낮아지고 있는 상황이다. 이는 스마트폰 제조업체 간 경쟁을 더욱 심화시켜 수익성에도 악영향을 주어 기술개발(투자)의 위협요인이 될 가능성도 배제할 수 없다.

차세대 스마트폰 시장은 인도 등 후발국들의 성장이 가속화 될 것으로 예상되는바 후발국가의 탈추격형 지속 성장을 추구할 수 있는 기술혁신 기반이 필요한 시점이다. 국내 이동통신 3사의 3밴드 주파수집성(carrier aggregation) 기술 기반의 네트워크 서비스, 구글 안드로이드 OS의 64비트 지원을 통한 모바일 AP의 속도경쟁 등이 가속화되고 있다.

스마트폰의 고성능화에 따른 전력 소모량의 증가로 인해 회기적인 배터리 제조 및 충전기술이 등장할 것으로 예상된다.

아울러 플렉시블 디스플레이 등 스마트폰 혁신과정에 대한 시장반응도 주목할 필요가 있다. 이에 차세대 스마트폰 기술은 5G 이동통신 시스템과 함께 글로벌 시장 선점을 위한 모바일 플랫폼 개발, 새로운 콘텐츠 확보, 신종 보안위협 대응 등 많은 과제를 안고 있다. 이는 스마트폰 시장에서 강력한 생태계를 구축 및 확장이 필요함을 시사하고 있다.

[참고문헌]

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김혜진 기자  hyejin22@cctvnews.co.kr
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