머신비전, 소비자용 CMOS 이미지 센서의 새로운 블루 오션이 되다

머신비전(Machine Vision)은 사물의 측정과 판단을 위해 사람의 눈 대신 기기를 사용하는 것입니다. 1980년대에는 머신비전 연구가 전 세계에 걸쳐 증가해 머신비전을 기반으로 한 일부 응용 시스템이 등장했습니다. 수 십 년의 개발 끝에 머신비전은 이제 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 따라서, 현재 우리가 머신비전이라고 하면 대부분 사람들은 항상 산업용 로봇을 연상합니다.

그러나, 지능과 디지털화의 발달로 머신비전을 이용한 일련의 애플리케이션은 기존 관념의 틀을 깨고, 머신비전의 기술 덕택으로 점점 더 많은 소비자 제품에 업그레이드가 필수가 되었으며, 이는 머신비전 개발을 위한 새로운 블루오션이 되었습니다.

소비자 제품의 머신비전 시장 규모는 얼마나 큰가요?

2010년경 마이크로 소프트, 아수스, 인텔, 구글, 애플 등 일부 기업은 소비자 시장에 머신비전을 적용하려고 시도했습니다. 그러나 당시의 기술과 시장 여건으로 인해 소비자 시장에서의 머신비전 개발은 순조롭지 않게 진행되었습니다.

이러한 새로운 애플리케이션은 수 백억 달러의 미래 시장 규모를 더욱 성장 시키는데 기여하고 있습니다. 중국의 기업 산업 연구소의 데이터에 따르면, 2018년 가전 및 반도체 분야의 머신비전 시장은 3억달러의 규모를 넘어섰습니다. 가전 제품은 빠르게 업데이트 되고 신제품이 출시됨에 따라 머신비전 시장에 대한 수요도 동시에 증가하는 추세로 2019년 시장 규모는 4.5억 달러 정도로 성장한 것으로 추정하고 있습니다.

이러한 시장 동향은 또한 소비자용 제품의 머신비전에 대한 업계의 생각을 촉발 시키는데 일조했습니다. 당시 보고서에 따르면 반도체 칩의 컴퓨팅 성능과 비용, 통합 솔루션, 인공지능 기술 등이 소비자 시장에서 머신비전의 순조로운 성장에 영향을 미치는 주요 요인으로 분석되었습니다. 소비자용 전자 제품은 수량, 가격 및 기술 숙련도에 대한 높은 요구 사항이 있기 때문에 카메라 기술 및 반도체 칩과 관련된 통합적인 산업체가 함께 동반 성장해야 소비자 제품의 머신비전 애플리케이션이 건실하게 성장을 할 수 있습니다.

지난 몇 년간의 개발 이후 관련 칩의 성능이 크게 향상되었으며, 이는 인공지능 산업이 우리 삶에 더욱 더 침투하고 있다는 것을 의미하기도 합니다. 이것은 소비자 등급의 머신비전 애플리케이션 시장이 더욱 성장하는 호황이 도래했음을 의미하기도 합니다.

CIS(CMOS 이미지센서)는 소비자용 머신비전 시장의 핵심입니다

소비자를 위한 머신비전 센서인 3D 이미징 애플리케이션의 경우 ToF(Time of Flight; 광원을 조사하여 반사되어 되돌아 오는 시간) 솔루션은 스마트폰에 채택되어 최근 몇 년간 지속적으로 성장하고 있으나, 모바일 이외의 다른 분야 애플리케이션에서는 휴대전화 분야만큼 인기가 없습니다. 예를 들자면, 스마트 자동 청소 로봇과 같은 일련의 애플리케이션은 특수성으로 인해 좁은 공간 주변에 반사체가 너무 많고 ToF가 다중 경로에 반영되어, 간섭이 너무 많으면 장애물을 효과적이고 정확하게 판단 할 수 없으며, 또한 동시에 너무 빈 공간이나 먼 거리에 ToF 체계를 적용 할 수 없습니다. 둘째, ToF 솔루션의 낮지 않은 개발 비용도 많은 소비자 등급의 머신비전 애플리케이션 업체들에게는 난관이었습니다. 일부 업체는 장애물 충돌을 피하기 위하여 시스템에 2개의 렌즈 솔루션을 사용하는가 하면, 일부 업체는 탐색에 VSLAM을 사용하여 비용을 낮추고 장애물 간섭을 피히기 위하여 ToF 솔루션과 결합하기도 합니다.

따라서, CIS는 소비자용 머신비전 시장에서 핵심 제품 중 하나가 되었습니다.

소비자용 수준의 머신 비전 기기에는 어떤 종류의 CIS가 필요하나요?

CIS 기술 개발 역사에서 CIS는 CCD에서 CMOS로 전환되었습니다. CMOS 이미지센서 시대에 접어 들면서 광원 조사 방식이 이면 조사 방식(BSI)인 센서는 점차 전통적인 전면 조사 방식 (FSI)인 CMOS를 대체하여 시장의 주류가 되었습니다. 이후 적층형 CMOS 이미지 센서가 시장에 진입하기 시작했습니다.

적층형 CMOS 이미지 센서의 출현으로 머신비전이 소비자 가전 시장에 쉽게 침투 할 수 있었습니다. CIS를 적층 하는 과정은 웨이퍼를 2장 ~ 3장 적층 하는 것으로, 이렇게 하면 이미지 센서의 성능이 향상되고 지능형 알고리즘을 추가 할 수 있으며, CIS의 칩 크기는 커지지 않습니다. 따라서, 스마트폰 및 소형 스마트 이미징 기기와 같은 소형 애플리케이션 기기에 더 잘 맞을 수가 있습니다.

또한, 더 많은 소비자 제품이 머신비전 기능의 지원을 필요로 함에 따라 고속 캡처 (높은 프레임 속도), 무변형 (글로벌 셔터) 및 비가시광선 (근적외선 향상) 조건 하에서 이미징 되었으며, 이러한 기술은 현대 소비자 가전 분야에서 CIS에 대한 새로운 수요처가 되었습니다. Global Shutter 기능이 탑재된 CMOS 센서의 등장으로 CMOS 센서는 동시에 노출되어 움직이는 물체의 이미지를 왜곡없이 캡처 할 수 있으며, 이는 머신 비전 분야에서 매우 중요합니다.

그래서, CIS는 소비자용 머신 비전 시장을 지원하기 위하여 BSI와 글로벌 셔터 기술이 결합하게 되었습니다.

그러나, 시장의 관점에서 볼 때 글로벌 셔터 기능과 이면 조사 형식의 픽셀 구조(Backlit pixel architecture)를 통합한 CIS는 많지 않습니다. 특히 소비자 제품의 머신비전 시장을 위해 개발된 이러한 유형의 CIS는 매우 찾아 보기 어렵습니다. (일부 업체에서는 이면 조사 + 글로벌 셔터의 기능이 있는 CIS가 산업 분야에 응용되고 있음).

이러한 시장 기회를 맞이한 SmartSens는 이면 조사 형식의 글로벌 셔터 기술을 기반으로 2세대 SmartGS® 기술 개발에 앞장서고 있습니다. SmartSens의 공식 웹 사이트에 따르면 이 기술은 최대 30%의 증가율로 픽셀 크기를 늘려 감도와 암광 효과를 높이고 있습니다. 반면에 병렬 전압 도메인 판독으로 최대 셔터 속도를 크게 높이고 고속 이동 물체의 성능을 향상 시킵니다. 명확한 사진 촬영, 새로운 정전 용량 기술을 기반으로 2세대 SmartGS® 기술의 읽기 소음을 2배 이상 줄일 수 있으며, 동시에 특정 위치의 다이나믹 레인지(Dynamic Range)를 크게 늘릴 수 있는 Area HDR 기술을 적용하여 야간 촬영 시 신호등의 과노출 문제를 해결할 수 있습니다.

소비자 등급의 머신 비전 분야에서 우위를 유지하기 위해 SmartSens는 3세대 SmartGS® 기술도 개발하고 있습니다. 보고서에 따르면 3세대 기술은 이전 세대보다 더 큰 발전을 이룰 것이며 이 기술은 2021년에 많은 분야에서 이용 가능할 것으로 예상되고 있습니다. 제품 관점에서 SmartSens의 예측에 따르면 2021년 “소비자용 머신비전” 애플리케이션 분야의 출하량은 지속적으로 다단계 성장을 유지할 것으로 예상하고 있습니다.

여러 세대의 SmartGS® 기술 덕택으로 SmartGS®시리즈 제품은 뛰어난 이미징 성능과 강력한 기술력으로 소비자 제품의 머신 비전 시장에서 가치가 높아졌습니다. 2019년부터 2020년까지 SmartGS® 시리즈 제품 판매는 3배 빠른 성장을 달성했으며, 현재 SmartSens는 머신비젼 분야 소비자용 전자 제품과 인공지능(AI) 응용 분야에 적용되는 이미지 센서 공급량이 세계 선두 업체 중 한 업체입니다.

시장 조사 기관인 Yole Development가 이전에 보고서에서 언급했듯이 다음 시대에는 로봇 공학, 증강 현실 (AR) 및 지능형 사물 인터넷 (IoT)이 주요 응용 분야로 포함될 것입니다. 중국이 이러한 분야에서 좋은 입지를 차지하는 것도 관련 현지 CIS 회사들이 성장하는 계기가 되었습니다. 따라서 CIS의 세계 랭킹도 이에 따라 바뀔 것으로 예상하고 있습니다.

결론

소비자 제품용 머신비전 시장은 생소하면서도 친숙한 신흥 산업 분야로 이미 우리 생활 곳곳에 존재하고 있지만, 머신비전의 기능 강화로 또 다르게 변하고 있습니다. 다양한 소비자용 제품에서 일련의 애플리케이션은 머신비전이 도약 할 수 있는 비약적인 기회가 될 것이며, 누가 유리한 기회를 포착할 수 있는가는 이목을 끌만큼 화제가 될 수 있습니다.

About SmartSens Technology

SmartSens Technology Co. Ltd. is a technology company specializing in the research and development, design, and implementation of CMOS image sensor (CIS) solutions. Founded in 2011 and headquartered in Shanghai, SmartSens operates R&D facilities and sales offices around the world, including Beijing, Shenzhen, Hangzhou, Hong Kong, Hsinchu, and San Jose.

SmartSens is driven by a focus on innovation and providing customers with the most advanced CIS solutions for a range of industries and applications. With state-of-the-art global R&D operations, SmartSens is able to offer a broad spectrum of proprietary technologies—including full-color night vision technology, SFCPixel™ technology, and Stack BSI global exposure technology, among many other industry-leading innovations.

SmartSens is the market leader in CIS solutions for both the security and machine vision fields, and has a growing presence in vehicle imaging as well as consumer electronics, including sports action cameras, drones, robotic vacuum cleaners, and smart home cameras. 

Together, with its partners, customers, and investors, SmartSens is reenvisioning the way that humans and machines see the world.

제공_ SmartSens Technology Co., Ltd.