전자의 눈, CMOS 이미지 센서(CIS) 시장과 부품·소재(특집)

기사입력 2017.05.01 17:42
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1. 시장 예측: 차량용 카메라의 수요 증가

 

CMOS 이미지 센서(CIS)는 휴대전화가 주요 시장이나 자동차, 의료, 감시카메라 또는 최근에 VR/AR(가상현실/확장현실) 등 새 분야로서 기대되고 있다. 조사기관인 TSR에 의하면 2015년의 CIS 총 출하 수량은 약 41.9억개이고 2016년은 44.1억개로 전년대비 5.4% 증가로 예상되고 있어 향후 안정된 시장 확대가 지속될 것으로 예상되고 있다.


주 시장인 스마트폰을 시작으로 하는 휴대전화용으로 고화소화, 듀얼카메라 추세가 되고 있으며 후면카메라는 중국 스마트폰을 중심으로 1,600만 화소의 요구가 증가할 예상이다. TSR 조사에 의하면 후면카메라는 1,600만 화소 수량은 2016년이 전년대비 49% 증가한 1.37억개이다. 2017년에는 2.29억개까지 확대할 예상으로 2015년 대비로는 약 2.5배로 증가하는 것이 된다. 화소 Cell pitch 1.0㎛의 1,600만 화소와 1.12㎛의 1,300만 화소는 광학 규격이 동등하여서 고화소화 의식이 강한 중국 스마트폰이 1,600만 화소를 선택하는 경우가 증가하고 있다. 또한 전면카메라의 고화소화도 급속으로 진전되고 있다.


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지속되고 있는 Volume Zone은 500만 화소이지만 서서히 800만 화소 비율이 상승하고 있다. 트위터나 인스타그램 등 SNS(Social Network Service)에 있어서 자체 채용 기회가 증가하고 있어서 고화소화가 후면카메라 이상으로 진전되고 있다. 중국 스마트폰 등에서는 전면카메라에 1,200만 화소를 탑재한 모델도 있다. 차량용도 ADAS(선진운전지원시스템) 확대에 따라서 양호한 시장 성장을 이룰 것 같다. 조사회사인 Insight에 의하면 CIS 시장에 있어서 자동차 비율은 2015년 시점으로 3%(금액 기준)이다. 이것이 2020년에는 14%까지 확대할 예상이 되고 있다.


TSR 조사에서도 자동차용 CIS는 2015년의 출하 수량이 약 9.000만개가 될 것으로 보고 있고 2016년은 이것이 약 1.2억개까지 확대할 것으로 예측된다. 용도별로는 가장 성장이 기대되고 있는 분야이다. 자동차용으로 고화소화 요구는 스마트폰 등의 모바일기기 정도까지는 강하지 않으나 암부(暗部)에서의 사용을 예상하고 있기 때문에 고감도 요구가 강해 BSI(이면조사형) 등의 채용이 진전되고 있다. 어플리케이션으로서는 뷰카메라나 센서카메라, 전자 미러 등 수요의 중심이 될 것 같다.

 

 

2. 시장 점유율의 동향

 

TSR 조사에 의하면 2015년의 모바일기기용 CIS 업체의 출하량(후면+전면 카메라)는 약 32억개가 되었다. 2016년도 스마트폰 대수 증가 및 듀얼카메라 등으로 인해서 약 35억개가 되어 전년대비 7.8% 증가가 예상되고 있다. 모바일용으로는 지속되는 Sony가 1위 점유율을 견지할 것으로 예상된다. 2015년 상반기에 발생한 생산의 문제와 2016년 4월의 구마모토 지진 등이 있었으나 순위 자리는 유지되었다.


동사의 이미지센서 생산능력은 월 8.5만장(외부위탁 포함)이고 현재 7.3만매로 가동하고 있다. 모바일용에서 2위인 삼성전자는 자사 제품만이 아니고 중국 스마트폰 업체에서 점유율을 성장하고 있어 중국 시장에서는 소니를 제치고 1위 자리에 있다.


동사의 반도체사업에 있어서 비메모리 분야는 애플용 로직 파운드리 수주의 공백 등으로 곤경에 처해 있었다. 다행히 CIS는 양호한 추세로 비메모리사업에 있어서 다소 밝은 재료이다. 2016년 3분기(7~9월) 결산 컴퍼런스에서도 CIS의 증가가 사업 안정화에 공헌하고 있다고 하였다.


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삼성과 같이 SK Hynix도 비메모리 사업 확대의 일환으로서 CIS에 전력하고 있다. 동사는 지금까지 저화소 제품을 200㎜ 라인에서 주로 생산을 하여 왔으나 요즘에 와서는 이전부터 구상하였던 300㎜ 생산을 구체화하여 이천에 있는 M10 라인에서 1,300만 화소 등 고화소 제품의 생산을 적극적으로 하고 있다.


경쟁 환경이라는 의미에서 모바일용으로 소니나 삼성과 같이 큰 점유율을 갖고 있던 미국 Omnivision Technology(OVTI)은 중국 기업의 산하가 되었다. 중국 투자 그룹으로부터의 매수 제안으로 2015년 4월에 이 제안을 수락하였다고 정식 발표하였다. 그 후 2016년 8월에는 중국의 국산 CPU Fabless인 인제닉 Semiconductor가 동사의 매수를 발표하였다. OVTI는 향후 중국에서의 생산 공급망을 강화해 나갈 것으로 보고 있다.

 

 

3. 업체별 사업 전개 동향

 

1) 소니 : 반도체사업

 

2015년도(2016년 3월기)의 반도체사업의 매출은 7,391억엔으로 그 중에서 이미지센서(CMOS 센서+CCD)는 4,776억엔으로 약 65%를 점했다. 2016년도는 반도체 전체로는 7,100억엔을 계획하고 있고 그 중에서 이미지센서는 전년대비 3% 증가한 4,900억엔으로 예측하고 있다(주력은 모바일용 CIS).


중국 스마트폰 업체를 중심으로 중급 단말기가 성장하고 있어서 자체 채형용 전면카메라의 고화소화, 메인 카메라의 듀얼화의 수량이 증가하였다. 현재 메인 카메라의 반 이상이 1,300만 화소 이상을 탑재중이지만 동사는 이 고화소 영역에서 70~80%의 점유율을 획득하고 있다. 2017년에 관해서는 스마트폰의 대수 성장률은 둔화될 것이나 듀얼카메라의 증가 등으로 이미지센서 수요는 확대가 지속할 것으로 보고 있다.


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복수의 유효 화소에서 위상차 등의 정보를 취득한 고정밀도 오토포커스로 살리는 기술 추세를 추구하여 스마트폰 카메라의 고기능화에 공헌할 생각이다. 홍채 등의 생체 인증, Depth 센서, 거리측정이라는 기능을 쌓아 올려서 이미지센서의 새로운 활용법을 제안하고 있다. VR/AR용의 수요 확대에도 기대한다.


자동차용에서는 지난번 덴소가 개발한 차량 카메라에 소니제품 센서와 ISP(Image Signal Processor)가 채용되어 야간에 보행자 인식을 가능하게 하였다. 다만 자동차용 시장이 본격적으로 확대되려면 상당한 시간이 필요할 것으로 보고 있다. 2016년도 반도체설비 투자액 1,000억엔 중에서 이미지센서용으로 500억엔을 계획하고 있다. 현재 월능력은 300㎜ 환산으로 8.5만장(외부위탁 포함)이다. 현재 주문은 많아서 현 시점의 투입 계획은 제 1분기 실적 발표때 월 7.8만장보다 인상되고 있다. 향후 투입을 증가시킬 가능성도 있으나 2017년도의 수요 동향을 보아가면서 판단한다.

 

2) 샤프(Foxcon)

 

1990년의 세계 최초의 카메라 부착 휴대전화에 탑재된 렌즈 일체형 이미지센서를 개발한 이래 일관된 모바일기기의 슬림화나 트렌드를 취한 고밀도 실장 기술 개발을 진행하고 있다. 최근에 스마트폰용 카메라 모듈이 실적을 성장시키고 있어서 이미지센서는 감시 카메라를 중심으로 산업시장에 주력하고 있다.


이미지 센서를 포함한 전자 디바이스 사업의 2016년도 상반기의 매출은 934억엔이다. 2014년 8월에는 4K동화 체형에 대응한 I형 1,200만 화소 CIS를 개발하였다. 고감도에 더해서 저소비전력 성는에도 우수하고 정지화 체형에도 대응하고 있어서 Digital Still 카메라에도 활용할 수가 있다.

 
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한편 1975년 개발 시작부터 오랜 기간에 걸쳐 배양한 CCD 기술도 진화를 계속하고 있다. 주로 감시카메라나 검사용 등의 산업시장을 타겟으로 하고 있다. 2016년에는 교통감시 카메라용으로 업계 Top급의 고감도를 실현한 밝은 화면에서 암흑까지도 대응할 수 있는 800만 화소 CCD를 투입하였다. 이것에 더해서 해외에서의 본격적으로 시장 상승이 기대되고 있는 자동차용 후방 모니터용 카메라 유닛 등 새로운 성장 시장에 대한 디바이스 창출에도 적극적으로 연구하고 있다.

 

3) 파나소닉

 

모바일기기나 디지털 카메라 등의 민생기기용, 감시카메라, 자동차용, 의료용, 방송, 업무용에 이미지센서를 전개하고 있다. 최근 비민생분야에 주력하고 있고 매출의 60~70%를 점유하고 있다. 감시카메라용에서는 세계 점유율 2위이고 200만 화소 이상의 FHD 분야에서는 Top 점유율을 보유하였다. 또한 내시경 등의 의료용은 Top 점유율을 보유하고 있고 HD 업무용 카메라용은 점유율 2위이다. 업무용에서 요구되는 고감도, 저소음, 색재현상에 우수한 것이 특징이다.


감시카메라용으로는 상업시설, 건물내 채형 환경이 어려운 가도, 도로 등의 중급~고급 시장을 목표로 하고 있다. 세계 Top 5 업체로 채용되고 있고 사람이나 번호인식, 고속채상이라는 고기능 요구에 대응하고 있다. 이미지센서 뿐만 아니라 렌즈나 신호처리기술, 세트와 사내외를 포함한 솔루션을 전개하여 고객부터의 높은 평가를 받고 있다.


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감시카메라 시장은 향후 4K 영역의 요구가 높아질 것으로 예상되어 선행하는 방송용의 기술을 응용하여 대응하고 있다. 자동차용은 고신뢰성에 더해서 센서기능 확충 요구가 강해지고 있다. 자동운전 고기능화에 대응하여 전후방, 주변 감시나 충돌회피 기능과의 조합 등 고도화를 도모한다. 의료용은 기존의 연성 내시경에 더해서 경성 내시경용 요구가 증가하고 있어 판매 확대를 목적으로 하고 있다.


생산은 전공정이 Tower Jazz와의 합병회사 "Panasonic-Tower Jazz", 후공정은 UTAC사에 위탁하고 있다. 새로운 수요 확대에 대응하는 UTAC사 이외로의 위탁도 확대할 방침이다. 감시용 이미지센서에는 주로 110㎚ 프로세스의 200㎜ 라인을 이용하고 있으나 65㎚ 프로세스의 300㎜ 라인 활용도 개시하여서 고감도, 고속성이라는 성능 향상도 하고 있다.

 

4) 캐논

 

2016년 8월에 전 화소를 동시에 노광하는 Global Shutter 기능을 탑재한 CIS를 개발하였다고 발표하였다. 신호 독출의 새 구동방식과 새로운 화소 구조에 의해서 넓은 Dynamic Range를 실현하고 있어서 고화질 영상의 체형에 기여한다. 향후 산업 계측용 분야에서의 활용과 응용을 시작으로 영상 제작기기 등 영상분야에서의 전개를 검토한다.


일반적인 CIS에서는 화소마다 순차 노광을 하는 Rolling Shutter 방식이 사용되고 있다. 화소에 따라서 신호 독출은 적은 시간차가 생기기 때문에 고속으로 움직이는 피사체가 구부러져서 채형된다든가 채형중에 플래시를 사용하면 상하에서 화면의 밝기가 다른 Flash Band 현상이 발생하는 것도 있다.


이것에 더해서 개발한 CIS는 전화소를 동시에 노광하는 Global Shutter 기능을 탑재하여 회전하는 프로펠러나 고속으로 이동하는 고속철도 등 고속으로 움직이는 피사체를 채형하는 경우에도 굴곡 없는 정확한 형상을 채형하는 것이 가능하다. 피사체의 형상을 높이 인식할 수 있는 것이 될 수 있기 때문에 검사용 카메라 등 산업 용도에서의 활용·응용이 기대된다.

 
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광을 전기 신호로 변환하여 신호 전하를 메모리에 축적하는 경우에 신구동 방식을 채용하여 포화 신호량을 대폭으로 확대하였다. 더해서 광을 효율적으로 취입한 구조를 채용하여 각 화소내의 배치를 최적화하여서 고감도화와 소음 저감을 가능하게 하였다. 신구동 방식에 의한 포화 신호량 확대와 새로운 화소 구조에 의한 대폭의 소음 저감에 의해서 넓은 Dynamic Range를 실현하고 있어서 휘도차의 큰 채형 스크린에 있어서도 고화질로 고정밀한 화상의 채형을 가능하게 하였다.

 

5) On Semiconductor : 자동차용 CSI의 Top 공급 업체

 

동사는 자동차사업에 전략적으로 주력하고 있다. 2014년에는 Aptina Imaging 및 도울-센스 이미징을 매수하여서 동 분야를 강화하고 있다. 특히 금속으로 확대되는 ADAS 시장에서 이미지센서의 Retaining Supplier로서의 지위를 확립한다. 또한 에너지 효율이 높은 바디 구동계, LED Lighting, 인포테인먼트 등에서도 일본 업체를 시작으로 많은 고객에서 채용되고 있다.


차량용 전자의 큰 추세를 보면 Active Safety와 Viewing의 보급 확대에 의해서 2019~2020년경에는 소형자동차 한 대당 19개의 카메라가 탑재될 것으로 예상되고 있다. 동사는 자동차 Viewing 및 ADAS용 CIS의 Top 공급 업체이고 2004년도의 SoC-CIS를 사용한 자동차 후방카메라의 시장 투입하여 10년 이상의 경험 노하우를 보유하고 있다.


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자동차 이미지 시장에서의 지위를 보다 견고하게 하기 위해서 동사의 이면조사형 이미지 센서(BSI)의 초기 샘플을 발표하였다. 3분의 1인치 100만 화소 이미지센서의 라인업을 확충하고 있다. 2013년에 양산을 개시한 기존 제품(표면조사형)은 Tirel 1의 Top 10개사 모두에 ADAS용 센서를 출하하고 있는 동시에 자동차 업체의 Top 기업의 ADAS용 센서로서 지정하고 있어서 누계 600만개 이상의 출하실적을 과시하고 있다.


한편 시제품은 1280×960 해상도의 1/3인치형 광학센서로 3.75㎛ BSI Peakcell이 된다. Linear/HDR(High Dynamic Range) 모드를 서포트하고 단일 칩의 HDR 솔루션으로 120dB의 Dynamic Range을 실현하고 있다. 또한 74.25MP/초(최대)의 출력 Peakcell Rate에 의해서 960P 해상도로 60 fps를 가능하게 하고 있다. 2015년 3분기에 엔지니어링의 출하를 개시하여 2016년 초부터 양산을 개시한다.

 

6) 삼성전자 : 주력 스마트폰용 CIS업체 / 자동차용에도 참여

 

주력인 스마트폰용으로는 2016년 3월에 발표된 기함 기종 "Galaxy S7"에 있어서 자사가 설계한 신형 CIS를 채용하여 큰 주목을 끌었다. 동사는 지금까지 자사 스마트폰용 CIS로는 내제품과 외부 조달을 나누어서 사용하여 왔다. 기함기종의 "Series"에 있어서는 소니로부터 외부 조달을 일정의 비율을 도입하였다.


그러나 "S7"에는 내제품을 전면적으로 채용하는 것 같다. 스마트폰 카메라 성능이 우수한 사용자에게 주는 영향이 큰 것에 더해서 동사의 반도체사업의 관점에서도 CIS는 주력 분야로 자리 잡고 있어서 요 수년동안 제품개발을 강화하여 이번에 전면 채용이라는 형태로 성과를 올렸다. "S7"에 탑재하는 내제 CIS는 1200만 화소 Cell Ptich는 종래의 1.1㎛에서 1.4㎛로 넓어지고 있어서 고감도를 중요시한 사양이 되고 있다.


2개의 Photo Diode로 하나의 Peakcell로 한 "Dual Peakcell 기술"이 새롭게 채용되었다. AF(Auto Focus) 방식도 상면위상차 AF에 의해서 AF 스피드를 대폭으로 빠르게 하고 있다. 지금 동 센서는 적층구조로 센서부는 65㎚ 세대, Logic부는 28㎚ 세대로 제조되고 있다. 2016년부터 자동차용 고성능 CIS 사업에도 참여하고 있다. 메모리 반도체에 더해서 자동차 반도체 분야로의 사업 확대를 도모하고 있다.


CIS 시장은 ADAS의 보급과 같이 급성장하는 대표적인 디바이스의 하나로 동사는 HDR(High Dynamic Range) 기능을 갖는 자동차용 CIS 제품을 개발하여 주요 자동차 업체와 부품 업체에 공급할 계획이다. 동사의 신제품은 이미 자동차용 반도체 표준 규격인 AEC-Q100 Grade 2급을 획득하고 있다.


동사의 CIS 제품의 주요 생산거점 중에서 전공정이 한국내에서 전량 생산하고 있고 후공정은 한국의 협력업체가 담당하고 있다. 주요 기술로서는 BSI(이면조사형) 기술을 채용하여 업계 Top 급의 품질을 확보하고 있다.

   

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7) SK Hynix

 

2017년부터 300㎜ 웨이퍼 공정으로 처음으로 비메모리 반도체를 양산할 예정이다. 지금까지는 300㎜ 라인에서는 DRAM이나 NAND형 플래시 등 메모리 반도체만을 생산하고 비메모리는 200㎜ 프로세스를 채용하여 왔다. 동사는 2017년부터는 CIS 제품을 이천 본사의 300㎜ 공장인 M10 라인에서 양산한다. 이미 인재 확보나 장비 설치 등 양산 준비를 진행하고 있고 1300만 화소의 CIS를 양산한다.


동사가 200㎜ 웨이퍼 공장의 청주 M8 라인에서 생산해온 비메모리를 300㎜로 전환한 배경에는 채산성을 높여서 수익성 향상을 도모하기 위한 것이다. M10 라인의 생산능력은 월 14만장으로 전체 3%를 점한다. 향후 청주 M8 라인에서는 화소수가 낮은 안정된 CIS의 생산량을 감소시키는 대신 DDI, PMIC 등의 비메모리 반도체 파운드리 생산을 확대시킨다.


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동사는 2007년 10월에 CIS를 시작으로 비메모리 반도체사업에 재참여하였다. 2008년에는 CIS Fabless 전 업체의 "실리콘화일"을 매수하여 비메모리 사업 전개를 본격화하였다. 동사는 최근 실리콘화일의 잔여 주식 모두를 45억원으로 매수하였다고 발표하였다. 지금까지 동사는 500만 화소 이하의 싼 가격의 CIS를 주로 PC업체나 스마트폰 업체에 공급하여 왔으나 2015년 후반부터 수익성을 높이기 때문에 안정된 제품 출하는 감소한다. 한편 800만 화소의 생산, 판매 비중을 증가시키고 있다.


삼성전자 무선사업부와 LG전자, 중국 스마트폰 업체부터의 중형, 보급형 스마트폰에는 동사의 800만 화소 CIS가 탑재되고 있다. 향후 동사는 300㎜ 라인에서 CIS를 생산하는 경우에 CIS 부문 매출이 어느정도 상승할 것인지가 주목되고 있다. CIS 제품의 경우 메모리반도체와는 달리 신규 고객을 확보하는 것이 쉽지 않다고 한다. 2015년의 동사의 CIS 부문 매출은 3500억원 정도이다. 300㎜ 공정에서 단가가 높은 1300만 화소의 CIS를 양산할때 고객을 확보할 수 있다면 매출은 증가할 것이다.


8) 동부하이텍

 

2016년 10월 시점으로 동부하이텍의 CIS 사업의 비중은 파운드리 사업이 21%를 점하고 있고, 2017년에는 동 24%로 증가할 예상이다. 주요제품은 모바일용 CIS 시작으로 CCTV용 CIS, 디지털 카메라용 CIS 등이 있다. 디지털 카메라용으로는 3900만 화소를 실현하고 있다.


경기도 부천과 충북 음성의 2개 공장을 운영하고 월 11만 1500장(200㎜ 기준)의 생산 능력을 보유하고 있다. 부천공장은 아날로그반도체와 디스플레이 구동 칩(DDI) 생산을 담당하고 있고 음성 공장은 CIS와 Mixed Signal 반도체를 생산하고 있다.


동사는 2016년에 800억원 규모의 보완투자를 통하여 능력을 증가하고 있고 2017년은 수율 향상에 경주할 계획이다. 또한 가동률은 2015년말의 93%에서 현재로는 96%대로 상승하여 거의 풀가동에 가까운 상태가 계속하고 있다. 기술개발은 CIS나 Embedded Flash 등의 고부가가치 제품으로 특화된 프로세스를 축으로 전개하고 있고 CIS의 제조 프로세스에는 0.11~0.18㎛를 채용하고 있다.


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CIS 사업은 2000년 초부터 시작하여 제조 노하우와 다양한 양산경험을 활용하여 중국의 팹리스 4개사 및 한국 팹리스 3개사와 파운드리 거래를 계속하는 등 14개사에 공급하고 있다. 향후 고부가가치 제품 확대를 시작으로 중국 모바일기기용이나 센서 및 DDI 분야의 신제품 시장으로 영업을 강화한다.

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