이미지 센서(Image Sensor)는 빛을 받아서 전기 신호로 전환하는 소자로서 동작과 제작 방법에 따라 다시 CCD(Charge Coupled Device)센서와 CMOS(Comple-mentary Metal Oxide Semi-conductor)로 분류 된다.
CCD센서는 일반적으로 같은 화소수의 CMOS보다 질 좋은 화질을 구현할 수 있다는 장점을 지니고 있는데, 그에 반해 가격이 비싸고 전력의 소모량이 커서 실제 카메라 모듈에서의 비중은 크게 높지 않다.
CMOS는 각각의 픽셀에서 실시간으로 전기신호를 전환하여 회로의 집적도가 높으며 주변 IC와 통합이 용이하며 양산성이 우수해서 가격이 저렴한 장점이 있지만 상대적으로 화질이 떨어지고 노이즈가 발생하는 문제, 센서의 사이즈가 크다는 단점이 있다.
렌즈 모듈(Lens Module)은 유리와 같은 투명한 재질을 구면이나 비 구면으로 만들어서 사물에서 오는 빛을 모으거나 발산시키면서 광학적인 상을 맺게 하는 것을 의미하며, 일반적으로 플라스틱과 유리 렌즈를 사용하고 S/W 렌즈나 액체 렌즈 등도 존재한다.
IR-Filter는 올바른 색의 재현을 위하여 가시광선 이외의 빛을 걸러내는 기능을 하고 Package는 반도체 및 각종 전자기기 등을 최종 제품화 시키는 공정에 사용하며 COB, COF, CSP 등의 방식이 있다.
카메라 모듈의 기술적인 트렌드에 있어 다양한 어플리케이션에의 적용이 이슈화가 되고 있다.
카메라 모듈이 채용되고 있는 다양한 어플리케이션 가운데 로봇용 인공눈의 경우 지금까지는 41만 화소 급의 낮은 화소로 수요가 제한적이었으나 1.3메가 이상의 고화소 카메라 모듈을 채용한 제품이 나올 것으로 전망되며, 인공눈의 특성상 단순히 보는 것을 넘어 이미지의 정보를 처리하고 물체를 인식하며 3차원의 물리적 정보를 실시간으로 제공할 수 있는 것과 같은 뛰어난 기술의 수준이 요구되고 있는데 이러한 기술을 갖추기 위해서는 이미지 센서와 신호를 처리하는 ISP 및 DSP의 기능이 향상되어야 한다. 또한 이에 따라 AF 및 줌용 엑츄에이터의 동작 속도도 더욱 개선되어야 할 것이다.
자동차 관련 카메라 모듈은 휴대폰에 이어 새로운 시장으로 주목받고 있다. 초기에는 고급 차량을 대상으로 후방 감시 카메라용으로 일부 보급되던 형태에서 운전이 미숙하거나 위험을 대비한 중소형 차량에서의 전/후방 감시 카메라를 채용하는 형태로 카메라 모듈 시장이 확장되었다. 이에 따라 기존에 일부 고급 차량에 1대만 채용되던 카메라 모듈이 중소형 차량까지 각 2대의 카메라 모듈이 필요해짐에 따라서 자동차 카메라 모듈 시장의 확대가 전망된다.
자동차의 안전과 관련된 카메라 모듈이기 때문에 기존의 카메라 모듈에 비해 기술 진입 장벽이 높으며 영상을 인식하는 분야까지 아우르는 넓은 적용범위를 갖춰야 하며 차량에 대한 감시뿐만 아니라 주행 중 장애물의 인식, 운전 경로의 파악 등 다양한 분야로의 적용이 가능하며 기술적인 바탕 역시 갖추어야 된다.
현재는 카메라 모듈의 소형화와 가격의 경쟁력이 확보되면서 ATM Hidden 카메라와 같은 일반 영상 촬영용을 비롯한 광센서, 가스/전기 무인 검침 센서, 지문 인식 센서 등의 영상 관련 센서로까지 범위가 더욱 다양해지고 있다.
CMOS 이미지센서의 경우 정보통신 네트워크의 정비가 급속하게 진전되고, 특히 휴대폰의 보급과 함께 개인 단위로 문자, 음성의 상호통신이 일상화된 상황이다. 즉 현재의 통신 인프라에서는 휴대전화에 의한 정지화의 송수신이 중심을 이루고 있는데 점차 차세대 휴대폰의 동화상의 Real Time통신이 일상화되는 것이 기술적으로 필요하게 되었다. 또한 휴대용 단말기 대부분의 기기가 배터리 구동형으로 저소비 전력화 역시 필수적으로 갖추어야 될 기술이 되었다. 이러한 상황에서 현 카메라 모듈 이미지 센서 시장은 CMOS 이미지 센서가 각광을 받고 있으며 같은 차원에서 관련 기술 연구가 진행되어 오고 있다.
현재로서는 장기간에 걸쳐 기술이 축적된 CCD에 비해서 CMOS의 경우 기술적인 과제가 남아있지만 큰 화질과 감도에 관해서는 CCD와의 격차를 좁혀 점차 기술의 차이가 줄어들고 있다. 이러한 이유로 인하여 CMOS를 채택한 어플리케이션이 점차 늘고 있고, 특히 각 어플리케이션마다 각기 다른 특성으로 인하여 CCD의 고화질을 채용했던 디지털 스틸 카메라와 같은 대표적인 단말기도 CMOS의 고 화소화에 맞추어 전환될 것으로 전망된다. 이처럼 CMOS 이미지 센서의 실용이 본격적으로 이루어짐에 따라 이미지 센서는 차후 각 응용기기에 필요한 화상정보를 보내는 화상 입력용 시스템 LSI로 발전할 것으로 사료된다.
현재 카메라 모듈은 다양한 어플리케이션에 적용되고 있으며, 현재 카메라 모듈이 적용된 거의 모든 어플리케이션은 기술적으로 지속적인 발전을 하고 있으며 아래의 그림과 같이 의료 분야, 로봇 분야, 디지털 스틸 카메라 분야, 모바일 단말기 분야는 특히 앞으로도 관련 기술 경쟁이 치열해질 것으로 전망된다.
3대 트렌드 (고 화소화, 슬림화, 스마트화) 관련 기술 동향
본 고에서는 산업 트렌드인 고 화소화, 슬림화, 스마트화 중심의 기술 개발 및 다양한 어플리케이션으로의 융합 기술 개발 사례를 중심으로 주요 기술 및 표준화 동향을 전개코자 한다.
카메라 모듈에는 이미지 센서와 렌즈와 같은 주요 기술이 존재하며 각각의 부품들은 카메라 모듈이라는 전체에서 동일하게 고 화소화, 슬림화, 스마트화와 같은 시장의 요구를 수용하며 발전해 왔다. 이러한 관점에서 주요 기술 및 표준화 동향은 3대 트렌드와 관련된 기술 동향을 전개코자한다. 고 화소화의 경우 카메라 모듈이 처음 등장했을 당시부터 영상통화를 지원해야 하는 현재까지 꾸준히 중요시된 기술이며 슬림화의 경우는 모토로라의 레이져폰 이후 트렌드로서 중시되면서 현재까지 이어져 오고 있다. 시장의 요구가 다양해지고 요구 수준이 높아짐에 따라 최근에는 스마트화 역시 중요시되고 있는데 얼굴 자동인식 기능, 손 떨림 보정 등 디지털 카메라 위주로 적용되던 다양한 기능이 휴대폰용이나 각종 단말기에 채용되고 있는 상황이다.
캐논은 카메라 업체로서는 드물게 카메라 모듈의 이미지 센서까지도 자체 생산하는 시스템을 갖추고 있다. 특히 CMOS 이미지 센서 관련 기술은 세계 최고 수준으로 최근에는 독자적인 반도체 노광 기술을 기반으로 35mm 풀 프레임, APS-H, APS-C의 세가지 타입의 CMOS 센서 개발이 마무리 되었다. 각각의 CMOS 이미지 센서는 모두 고해상도의 성능을 실현 가능하게 지원하는데 35mm 풀 프레임의 경우 최대 2,110만 화소를, APS-H 타입은 최대 1,010만 화소, APS-C 타입은 최대 1,510만 화소를 지원 가능하다.
삼성전기는 2009년 10월 1200만화소 수준의 카메라 모듈에 광학 3배 줌이 촬영 가능한 휴대폰용 CMOS 카메라 모듈을 세계 최초로 개발하였다고 발표하였다. 해당 제품은 광학 3배 줌을 지원하여 가까이 있는 사물뿐만 아니라 멀리 있는 사물도 해상도의 차이 없이 촬영이 가능하며 일반 카메라 모듈과는 달리 줌 구동 중에도 실시간으로 초점을 맞출 수 있으며 동영상 촬영 시에도 고화질 HD급의 동영상을 촬영할 수 있다.
한성엘컴텍은 지난 2009년 2월, HD급 동영상 및 디지털 사진을 지원할 수 있는 800만 화소급 카메라 모듈을 개발하여 상용화하였다. 해당 제품은 원자재의 수급이 상대적으로 용이한 VCM 방식과 카메라 모듈에 있어서 중요한 소모 전력에 있어서 우월한 PIEZO방식의 두 가지로 개발이 진행되었으며 현재는 디지털 스틸 카메라와 휴대폰 등에서 사용되어지고 있다.
소니는 2009년 5월 세계 최소형 HD 카메라 모듈 MCB1172를 개발하였다. MCB1172 모델은 720p 동영상을 초당 30프레임으로 촬영이 가능하며 830만 화소 센서가 들어있고 손떨림 방지 기능, 얼굴 인식 기능, 고 ISO 모드, 120fps 초고속 촬영(슬로우 모션)을 모두 지원 가능하며 휴대폰과 더불어 노트북에서도 채용이 가능한 형태의 모듈이다.
나노스는 8메가급 이상의 최신형 휴대폰에 사용되는 카메라 모듈 부품인 BLUE FILTER GLASS를 개발하였다. 해당 부품은 카메라 모듈의 핵심 부품이며 지금까지 일본과 같은 선진국에 의존하여 수입할 수밖에 없었던 부품인 적외선 차단 필터로서 적외선을 흡수 반사하여 노이즈를 제거하는 기술이다.
어플리케이션과의 융합 관련 기술 동향
최근 카메라 모듈 업계에는 컨버젼스가 꾸준히 진행되어 오고 있다. 기존 카메라 모듈 업계가 휴대폰 단말기의 전유물이었다면 최근에는 각 업체들이 제 3 영역으로 사업을 확장하고 있다.
이에 따라 LG이노텍, 삼성전기, 쿠스코엘비이 등의 카메라 모듈 관련 업체 역시 탈 휴대폰을 위한 노력을 지속해 오고 있다. 삼성전기의 경우 최근 12메가급의 카메라 모듈을 개발한 기술력을 바탕으로 게임기용, 웹캠용, 자동차용 등의 신규 분야로의 성장 동력을 확보하며 제품의 포트폴리오를 다양화하고 있다.
게임기용 카메라 모듈의 경우 2008년 하반기부터 이미 공급하고 있으며 초소형 저왜곡 후방카메라, 초광각 전방 카메라 등의 자동차용 카메라 산업으로의 진출도 추진하고 있다.
LG이노텍도 에어컨 등의 홈 애플리케이션, 멀티미디어, 차량용 전방, 측방 초소형 감시 카메라, 카 네비게이션, PC모니터용 웹캠, 게임기 등의 다양한 시장을 선점하기 위해서 공격적인 마케팅을 펼치며 다양한 어플리케이션에 대한 기술 개발에 힘쓰고 있다.
LG이노텍은 2009년 8월 자동차 내부 블랙박스에 채용 가능한 카메라 모듈의 개발을 완료했다고 밝혔다. 이번에 개발한 제품은 자동차 내부 블랙박스에 34만 화소 VGA급의 카메라 모듈로 설치가 가능하며 자동차의 주행이나 주차/정차 중 주변을 촬영하여 운전자에게 정보를 제공할 수 있는 기능을 갖는 것으로 교통사고 시에 책임소재를 가리는 데에도 사용가능 할 것으로 전망되고 있다. 또한 야간 시 촬영을 할 수 있는 능력을 나타내는 신호 대비 잡음 비율인 SNR도 기존의 제품에 비해서 20이상을 개선하여 어두운 곳에서도 뛰어난 화질로 촬영을 할 수 있다고 발표하였다.
카메라 모듈 업체인 엠씨넥스는 2009년 10월 CCTV와 비디오폰 기능을 접목하여 가정이나 사무실에서의 외부 침입자를 막고 멀티미디어 기능까지 즐길 수 있게 융합한 미디어비디오레코더(MVR)를 개발하였다.
해당 모델은 실내에서 멀티미디어 플레이어, 비디오폰 역할을 하는 MCH-1000과 실외에서 보안 및 홈 네트워크 역할을 하며 빌트인 가전을 지원하는 MCH-1000D로 구성되어 있으며 2개의 카메라를 이용하여 방문자 기록은 물론 야간의 적외선 센서의 활용으로 외부 침입을 알려주고 동작인식 센서로 자동으로 온오프를 조정 가능하다. 모델의 두께는 15mm의 초박형 수준으로 지상파 DMB, 비디오폰, 전화수신, 디지털 액자, 디지털 셀프카메라, MP3P, FM라디오 기능을 갖추었다.
스위스의 Silvain Calin on이 개발한 Salvador Dabot에 적용된 로봇 눈 카메라 모듈은 인간의 얼굴을 인지하고 얼굴의 윤곽선을 분석한 후 관련된 특성을 추출하고 벡터로 변환하여 촬영된 이미지의 초상화를 그리는 원리의 제품으로 벡터로 변화된 이미지 값을 다시 로봇의 손이 움직이게 연결하여 적용한다.
이렇듯 카메라 모듈 시장은 지금까지 단면적인 기술 경쟁을 해왔지만 최근에는 지금까지 카메라 모듈의 기술을 이끌어왔던 3대 트렌드인 '고 화소화, 슬림화, 스마트화'와 함께 다양한 어플리케이션으로의 확장으로 주목 받고 있다.
고 화소화의 경우 최근 CMOS 이미지 센서의 발달로 CCD 제품과도 견줄 수 있는 제품도 실현화되고 있을 정도로 CMOS 이미지 센서를 통한 고 화소화가 점차 확대 되고 있다.
특히 CMOS 이미지 센서가 단지 이미지 센서만의 기능을 수행하는 것이 아닌 응용기기에 필요한 화상정보를 보내는 화상입력용 시스템 LSI로 발전하면서 현재와 같은 브로드 밴드 시대에서 앞으로도 중요한 역할을 담당하게 될 것으로 전망된다.
또한 다양한 어플리케이션으로의 카메라 모듈의 진입이 활발히 추진되고 있다. 자동차용 카메라 모듈은 현재 후방감시카메라 수준에서 산업이 확장되고 있는데 점차 전방이나 특방을 감시하여 장애물 등을 자동으로 검출하고 운전자에 경고를 하며 자동차 자체를 제어하는 등으로 다양화 될 것으로 전망되고 이에 따라 스미아, 풀밍그가 발생하지 않는 CMOS 이미지 센서의 특징이 생성될 것으로 보인다.
또한 네트워크상의 보안 문제에서 개인 인증 수단으로서도 지문이나 얼굴, 홍채의 조합에서도 가장 최적화 되어 채용 가능한 것이 카메라 모듈의 이미지 센서이다.
결과적으로 카메라 모듈은 전기와 전자의 기술을 모두 접목한 산업으로 최근에 기술이나 신제품의 개발 속도가 빠른 분야이기 때문에 향후 시장의 발전 방향에 맞춰 지속적으로 성장할 수 있는 여력이 있는 산업이다.
특히 발전 속도가 빠르고 넓은 범위에서 발생함에 따라 각 업체들은 현재 빠르게 흘러가는 산업의 흐름을 필수적으로 파악한 후 기술적인 개발이 이루어져야 할 것이며 이렇게 흐름을 파악하기 위한 정보의 획득 역시 중요한 과제가 될 것으로 전망된다.
<임현주 기자>
자료협조: 전자부품연구원
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