로봇용 인공눈에 활용되는 카메라를 중심으로

이번 호에서는 현재 차세대 보안 분야로 각광받고 있는 지능형 로봇의 인공눈에 활용되는 카메라 모듈을 중심으로 제품선정기준과 국내외 시장동향에 대해 살펴보기로 한다. 

카메라 모듈 선정기준

WDR 카메라 모듈

로봇용으로 사용할 시각인식 센서로는 기능적으로 사람 눈과 같은 생체구조를 갖는 시각인식 모듈, 특히 저조도에서 구현 가능한 시각인식 모듈, 그리고 WDR 성능을 갖는 시각인식 모듈로 나눌 수 있으며, 구조적으로는 사람 눈의 형태를 갖는 액체 렌즈를 활용한 시각인식 모듈 등으로 구분할 수 있다.

각각에 대해 기술적인 중요도와 실현 가능성 측면을 살펴보면 사람 눈과 같은 생체 구조를 갖는 시각인식 모듈은 의학계에서 많은 연구가 진행 중이나 아직 그 실현가능성은 매우 낮은 것으로 판단하고 있으며, 구현된다 하더라도 로봇용으로는 사용이 부적절한 것으로 판단하고 있다. 저조도 구현 가능 시각인식 모듈의 경우는 구현 가능성이 매우 높으나 로봇에 적용시 일부 특정 환경 하에서만 사용 가능하기에 인공눈 개발취지에는 맞지 않는 낮은 수준의 기술로 판단된다.

로봇용 인공눈 모듈의 개발목표가 어떠한 형태, 종류의 로봇에도 채용이 가능하며 현재의 기술보다는 상위 기술로 시장을 이끌어야 하는 표준 시각인식 모듈이라는 관점으로 보면 어떠한 환경 조건하에서도 원하는 성능 구현이 가능한  WDR 카메라 모듈이 적합할 것으로 판단된다.

 

2자유도 방향제어 모듈

로봇용으로 사용하게 될 시각인식 모듈은 주시하는 방향뿐만 아니라 입체시각의 구현을 위해 2개 이상의 카메라 모듈의 주시방향을 독립적으로 제어해야 한다. 구조적으로는 사람 눈의 형태와 크기를 가지며, 정밀한 Pan과 Tilt의 2자유도의 운동이 가능해야 할 것이다. 이 외에 이동 로봇에 탑재되는 경우 Visual Servoing과 진동저감 기능이 방향제어 모듈에 융합돼야 한다.

이미 상용화된 Pan/Tilt 기구들은 고속/고정밀 구동 기능을 제공하고 있으나, 사람 눈보다 크고, 형태는 모두 pan 장치 위에 tilt 장치를 배치한 것으로 인공눈에 사용하기에는 부적절한 것으로 판단된다. 또한, 인공눈 모듈이 갖는 시각 인식의 특징을 고려한 추가 기능, 즉 주시각 제어, Visual Servoing 등의 기능이 모듈에 추가돼야 한다.

이를 구현하기 위한 핵심기술로는 소형 정밀 Mechanism 설계기술, 소형/고성능의 액츄에이터 응용기술, 소형/고정도 위치 센서 기술, 진동감지 및 저감기술 등이 있으며, 소형 정밀 Mechanism 설계기술을 제외한 기술은 모두 핵심요소 부품 기술로써 국내관련 기술이 미비한 상태다. 국내외 관련 요소기술 개발기관과의 유기적인 협력이 필요하다.

인공눈 방향제어 모듈이 정밀 기계기술의 집약체로 안정성 있는 초소형 정밀 구동 시스템이라는 관점에서 볼 때, 로봇 분야, 의료 분야, 반도체 장비 분야 등에서도 활용이 가능하고 파급효과도 큰 상위 기술로 자리 잡게 될 것으로 보인다. 

프로세싱 모듈

로봇용 인공눈에 의해 처리되는 시각적 정보처리 대상은 그 어느 센싱 모듈에 비해 다양하며, 인간친화적이다. 그러나 이러한 시각정보 처리는 그 정보처리 양이 대단히 많다는 점이 아직도 해결해야 하는 난제다. 이를 위해 지능형 로봇의 중앙 정보처리 장치에서 이를 모두 처리하는 것은 부적절해 보이며, 그러한 방식의 로봇 개발은 시스템 구성에 많은 제약조건을 만들게 된다. 또한, 장기적 관점에서 로봇 시스템들은 그 구성요소들이 모듈화 또는 컴포넌트화해 개발이 이루어지리라고 예상하고 있다. 이러한 관점에서 앞으로의 로봇용 인공눈은 로봇용 카메라의 형태로만 머무를 수 없다고 볼 수 있다.

따라서 로봇용 인공눈은 센서로써의 기능뿐 아니라 모듈화한 인식 시스템 혹은 인식기기로써 개발이 이루어질 것으로 보이며, 이를 위해서는 시각처리의 low-level 프로세싱부터 high-level 프로세싱까지 점차적으로 SoC화해 나갈 것으로 전망되는데, 이 또한 카메라와 일체형·소형화로 진행되어 나갈 것으로 보인다. 이러한 상황에서 로봇용 인공눈을 위한 프로세싱 모듈을 전략부품으로 선정하는 것은 아주 적절한 선택이라고 할 수 있다.

국가적으로도 세계적으로 앞서있는 반도체 제조/설계 기술을 바탕으로 시각처리 기술을 접목시켜 나가는 것도 국가적 장점을 확대 재생산할 수 있는 아주 좋은 전략이라고 할 수 있다.

이러한 프로세싱 모듈은 단지 로봇용으로만 사용되는 것이 아니라 주변 시장으로 확대될 수 있는 가능성이 무한히 열려 있다는 데에 또 다른 장점이 있다고 할 수 있다. 예를 들면 유비쿼터스 환경에서 시각 프로세싱 모듈로 사용될 수 있으며, 지능형 차량 시스템 및 경비용 시각 프로세싱 모듈로 사용될 수 있는 가능성이 있다.

 

 

 

70dB급 WDR 카메라 모듈 시장동향

 

70dB급 WDR 카메라 모듈의 정의

카메라 모듈은 사물인식을 통해 정해진 기능을 수행해야 하는 로봇의 시각인식 장치의 핵심 부품으로써 렌즈, 이미지센서, 화상신호 전달기(ISP), 구동부품, 신호전달 부품류 등으로 구성된다. 인공눈은 밝고 어두운 곳 어디에서도 사물을 인식할 수 있어야 하므로 Dynamic Range 70dB이상의 광대역이 돼야 한다. 또한, 인공눈용 카메라 모듈은 사람의 눈과 같은 기능을 확보하기 위해 자동초점 및 Zoom 기능을 가져야 한다.

렌즈는 피사체의 이미지를 정확하게 인식하기 위해 빛을 모으는 역할을 한다. 렌즈의 기본 특성인 해상도와 Contrast, 색재현성과 파장대역, 주변광량비, 왜곡수차 등이 최적화되도록 여러 개의 구면, 비구면 렌즈를 경통부에 조합해 그 기능을 구현하게 된다.

렌즈는 이미지 센서, 경통, FPCB 등의 부품과 조립돼 카메라 모듈을 구성하는 부품으로 일반적으로 경통에 렌즈가 조립된 렌즈 모듈의 형태로 사용된다.

구동부품으로 Auto-Focus를 위한 Actuator와 Zoom용 Actuator가 사용되며, Linear Actuator, Stepping Motor, Piezo Motor 등이 적용되고 있다. 신호전달 부품으로 PCB, FPCB, Connector 등이 사용되고 있으며, 부품을 실장하고 신호를 전달하는 기능을 갖고 있다.

Image Signal Process(ISP)는 Image Sensor에서 변환된 전기적 신호를 영상신호로 변환하는 장치다.

 

·ISP : CMOS 센서의 경우 One Chip으로 구현이 가능하며 기능이 확대되는 경우에는 DSP와 SoC 형태로 Backend Chip에 배치한다. 로봇에서는 카메라 정보를 통해 사물인식, 추적 등의 여러 기능을 구현해야 하기 때문에 Backend Chip에도 ISP가 구현돼야 한다.

·Image Sensor :　광자를 전자로 전환해 디스플레이에 표시하거나 저장장치에 저장할 수 있게 하는 반도체로써, 고체촬상소자(CCD : Charge Coupled Device) 방식과 상보성 금속 산화막반도체(CMOS : Complementary Metal Oxide Semiconductor) 방식, 밀착형 이미지 센서(CIS : Contact Image Sensor) 등 3가지 유형이 있다. 보통 CMOS형 이미지 센서는 CIS(CMOS Image Sensor)라고 불린다.

 

70dB급 WDR 카메라 모듈 세계시장 동향

로봇용 인공눈에 적용되는 카메라 모듈은 지금까지 41만 화소급(VGA) 이었으나, 그 수요는 극히 한정적이며, 보다 정확한 사물인식을 위해 1.3M급으로의 이행이 예상된다. 2005년 세계시장에서 적용된 카메라 모듈은 약 3억대 수준으로써 휴대폰의 약 40%에 적용됐으며, 그 외 디지털 카메라, 보안용 카메라 등을 중심으로 사용되고 있다.

·Sharp : 자체 이미지 센서를 사용하며, CCD와 CMOS 전 라인업을 구축했다. 2004년 10월 광학 2배 줌과 Auto-Focus 기능을 탑재한 2Mega 카메라 모듈을 출시했고, 전체 모듈에서 Mega급의 비중은 70%를 차지하고 있다.

·松下 : 이미지 센서의 일부는 자체 수급, 일부는 구매하고 있으며, CCD와 CMOS의 모든 라인업을 구축한 상태다. Mega급 카메라 모듈이 90%로 대부분을 차지한다.

·Pentax : 자사의 광학기술을 활용해 전량을 Mega급 모듈로 사업을 전개하고 있다.

·Mitsumi : 센서를 외부에서 수급하는 방식의 OEM 중심으로 사업을 추진하고 있으며, 설계는 자국 내에서, 모듈 생산은 필리핀에서 진행하고 있다.

 

렌즈 세계시장 동향

·FDK : 지난해 1월 세계 최소 크기(12.8×18.0×7.2MM)의 ┎FCU 103┚ 샘플을 출시한 이래, 추가로 ┎FCU 100S┚ 시리즈 샘플을 출시했다. 코사이(湖西) 공장에서 월 10만개의 양산을 시작해 휴대전화 업체에 공급할 계획인데, 이는 메가픽셀화에 따라서 고정초점보다 선명하게 화상 촬영이 가능한 Auto Focus 수요가 높아질 것에 대응하기 위함이다.

·CASIO : 지난해 8월 초 자체 기술력으로 세계 최초의 투과성 세라믹을 사용한 렌즈를 개발해 박형 줌 렌즈의 실현이 가능해졌다. 무라타제작소(村田 製作所)가 개발한 투과성 세라믹인 ‘루미세라’를 사용했으며, 루미세라는 광학 유리와 동등한 투과율을 유지하면서, 광학 유리의 굴절률(1.5~1.85)을 대폭 상회하는 굴절률(2.08)을 갖추고 강도가 뛰어난 장점이 있다. CASIO는 루미세라를 이용, 단파장광의 투과율 향상과 기포의 제거 등 디지털 카메라용 광학 렌즈에 적합하도록 소재를 개선하는 등의 공정개발을 통해 세라믹 렌즈를 개발했으며, 기존에 비해 약 20% 정도의 박형화가 가능할 것으로 예상된다.

 

·Fuji : 지난해 7월에 카메라폰용 광학 줌 기구를 발표했는데, 배율은 내부 렌즈구성에 따라 다르지만 2~3배로써 Auto Focus 기능도 갖추고 있다. 총 화소 수가 200만 정도로 광학 크기가 1/3.2″~1/2.7″형의 촬상소자용인데, 광축 방향 길이가 20mm 전후로 길기 때문에 휴대전화에 실장하기 위한 연구가 필요하다.

·Konica-Minolta Opto : 지난해 7월 굴절률 1.814의 유리 소재인 ┎U-SFM6M┚을 발표했으며, 현재 이를 이용한 카메라폰용 렌즈를 개발 중이다. 기존 Mold용 소재에 비해 융점이 낮기 때문에 금형의 수명연장 가능성이 있으나, 파장에 따른 굴절률 변화를 나타내는 Abbe수가 25.52로 다소간의 색수차가 발생하기 쉽다는 단점이 있어 실제 이용 시에는 색수차 보정 렌즈를 병용할 필요가 있다.

국내시장 동향

카메라 모듈 생산업체는 초기 이미지 센서, 렌즈 업체에서 모듈을 생산하는 형태였으나 각 부품업체 간의 경쟁에 따라 기술 구현의 한계가 있어 각각 부품의 장점만을 취해 고성능을 확보할 수 있고, 상대적 경쟁력을 확보할 수 있는 모듈 전문업체 중심으로 이행되는 행태를 보이고 있다.

소비자들의 다기능화 요구에 따라 저가형에서 AF 및 Zoom 기능에 대한 수요가 증가하고 있으며, 이미지 센서 시장은 사용 분야 및 시장요구 성능에 의해 CCD와 CMOS 시장으로 양분된 상황이다. CCD는 DSC, 보안용 카메라 등 고가격·고성능 제품에 주로 채용되고, CMOS는 휴대폰 등 저가격·저성능 시장을 형성하고 있다.

초기 카메라 폰 시장은 일본으로부터 수입된 CCD와 상대적으로 가격이 저렴한 CMOS 이미지 센서가 혼재된 양상을 보였으나, 현재는 300만 화소급까지 CMOS가 90% 이상 점유하는 양상을 보이고 있다. 그 이상의 해상도에서는 아직까지 CCD가 우위를 점하고 있으며, CMOS의 고화질 구현기술이 빠르게 발전하고 있어 잠차 높은 해상도에서도 CMOS가 주력으로 채택될 것으로 예상된다.

최근 국내 기술로 개발한 또 다른 방식으로는 RF 방식이 있는데, 위의 양방식의 장점만을 채택한 제품으로 평가되고 있으나 아직 상용화는 이루어지지 않고 있다.

2003년부터 국내 카메라 모듈 시장은 국내기업들의 적극적인 시장진출에 힘입어 한때 90%에 육박했던 일본 업체들의 점유율이 34.6%대로 떨어진 것으로 추정된다. 2005년 국내시장에서 카메라 모듈은 1400만대 정도가 채용됐으며 이는 휴대폰 시장의 약 80%에 해당되는 것이다.

국내업체 동향

·LG이노텍 : 2003년 말부터 양산을 시작해 2005년 2M 세계 초소형 카메라 모듈을 출시하는 등 업계 내에서 선행 제품 개발을 선도하고 있다. 

·삼성전기 :　2004년 10월 300만 화소 모듈을 출시했고, 2005년 상반기 500만 화소 카메라 모듈을 출시했으며, 특히 Mega급 카메라 모듈의 비중을 2004년 32%에서 점차 60%까지 확대할 계획을 가지고 있다.

·한성엘컴텍 : 자체적으로 모듈 설계부터 생산까지 수행해 LG전자를 주 거래선으로 하고 있으며, 지난해부터는 일본 최대 휴대폰 생산업체인 NEC에 카메라 모듈을 공급하기 시작했다.

·삼성테크윈 : 디지털 카메라, 감시용 카메라 사업을 통해 확보한 DSP 설계기술 및 광학기술을 바탕으로 카메라 모듈 사업을 추진하고 있으며, Mega급 카메라 모듈 비중을 2004년 20%에서 2005년 60%, 2006년 80%까지 확대되고 있으다. 2배 줌을 장착한 A/F 모듈도 개발해 삼성전자에 공급하고 있다.

·선양디엔티 : 자체적인 설계·생산능력을 갖추고 있으며, 삼성전기, 삼성테크윈 등에 납품 중이다. 2004년 말 200만 화소 광학 줌 제품을 완성했으며, 2005년 상반기 300만 화소 광학 줌 모듈을 출시했다. Mega급 카메라 모듈의 비중을 2004년 20%에서 최근 70%까지 확대했다. 

<글: 유명호 삼성테크윈 영상정보개발 수석>

 

[월간 시큐리티월드 통권 제128호(info@boannews.com)]

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