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[투데이 窓]시스템반도체 경쟁력 지렛대 '차세대 이미지센서'

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  • 김형준 한국과학기술연구원(KIST) 차세대반도체연구소장
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  • 2022.09.25 08:00
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UFO칼럼

[투데이 窓]시스템반도체 경쟁력 지렛대 '차세대 이미지센서'
카메라 렌즈로 들어온 빛을 디지털 신호로 바꿔 이미지를 생성하는 이미지센서는 크게 CCD(Charge-Coupled Device)와 CIS(CMOS Image Sensor)로 나눌 수 있다.

CCD는 높은 효율과 낮은 노이즈, 넓은 동적 영역, 뛰어난 품질의 이미지로 1990년대까지 세계 시장의 대부분을 석권했다. 당대를 풍미한 가전제품 및 디지털 카메라에는 대부분 소니와 마츠시타, 샤프, 도시바, 후지필름 등의 CCD가 탑재됐다.

하지만 스마트폰 시장이 폭발적으로 성장한 2000년대 중반부터는 낮은 전력 소모와 높은 집적도, 저렴한 제조비용의 CIS가 왕좌를 넘겨 받았다. 전 세계 이미지센서 시장에도 큰 지형 변화가 일어났다. CIS를 주력으로 삼은 한국기업이 CCD 중심의 기존 기업들을 제치고 2위까지 추격한 것이다.

이미지센서는 현재 다양한 전자제품과 의료기기, 자율주행자동차 등으로 활용 범위가 급격히 넓어지고 있다. 특히 새 정부의 전략기술인 반도체, 미래 모빌리티, 인공지능, 로봇산업 등에 걸쳐 중대한 파급효과를 미칠 방아쇠로 거론된다. 관련 산업 수요도 폭증할 것으로 예상된다. CCD, CIS의 뒤를 잇는 차세대 이미지센서 개발 열기가 더욱 뜨거워지고 있다.

크게 주목을 받고있는 차세대 이미지센서는 '3차원 이미지센서'이다. 3차원 이미지센서의 가장 큰 특징은 피사체 또는 대상물까지의 거리 측정이 가능하고, 기존의 2차원 이미지센서보다 더욱 정밀한 객체 인식과 추적이 가능하다는 것이다.

예를 들어 최근 차량들의 주행보조 장치에 적용되고 있는 라이다(LiDAR; Light Detection and Ranging)는 차량이 주변 객체들을 실시간으로 보다 정밀하게 파악할 수 있게 한다. 하지만 현재까지의 라이다 기술은 주로 기계식 회전 스캐닝 방식을 기반으로 개발돼 크기가 크고 가격도 비싸다. 차량의 접촉사고 등에 따른 충격과 진동에도 취약한 편이다.

이미지센서의 가격을 낮추고 소형화를 위해 차세대 반도체 라이다 연구 패러다임이 바뀌는 가운데, 특히 주목받고 있는 기술이 단일광자검출기(Single-Photon Avalanche Diode; SPAD)이다. 단일광자검출기는 매우 높은 증폭 효율과 함께 단일광자까지 검출할 정도로 우수한 민감도를 가지고 있어 고성능의 3차원 이미지센서 구현이 가능하다.

이러한 단일광자검출기 기반의 3차원 이미지센서는 자율주행뿐만 아니라 스마트 팩토리의 필수 기술로도 가능성이 높다. 공장 내부의 작업자와 시설물의 상태를 실시간으로 정확히 파악할 수 있기 때문에, 공장 자동화에 따른 예기치 못한 형태의 안전사고를 미연에 방지하는 데 효과가 클 것으로 보인다.

스마트폰 분야에서는 이미 전면 카메라에 적용돼 사용자의 안면과 제스처를 인식하는 기능을 제공하는 데 활용되고 있다. 향후 기술 발전에 따라 후면 카메라를 이용하는 증강현실(AR)의 구현에서도 중요한 역할을 하게 될 것으로 전망된다. 국내연구팀인 한국과학기술연구원(KIST) 차세대반도체연구소는 단일광자검출기 연구를 통해 확보한 선도적인 원천기술을 기반으로 차세대 3차원 이미지센서 개발을 적극적으로 추진 중이다.

차세대 이미지센서는 우리나라가 세계적으로 높은 기술 경쟁력을 보유하고 있는 분야다. 보다 적극적인 정부의 관심과 국내 산학연의 전략적인 협업 노력이 더해진다면 이미지센서를 넘어 미래 먹거리인 시스템반도체 분야의 전체 경쟁력을 강화하는 데도 중요한 지렛대가 될 수 있다.

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