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.

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.

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.