LED 산업의 현황 및 전망
2014년 LED 조명시장 본격적으로 열릴까
“심화되는 가격압박이 조명시장 성장에 견인차 역할을 할 것이다.
일정기간 가격압박 및 원자재의 수급동향에 따라 가격 하락폭 변동성이
예상되며 LED의 지속적인 양적성장은 조명시장 확대의
기폭제 노릇을 할 것이다.”
시장조사기관 IMS리서치는 마침내 LED 부품이 100억 달러를 초과, Gan LED가 성장 동력이 되었으며, LED TV 시장의 저변확대 등 전 산업에서 성장했다고 밝혔다.
LED 부품의 매출은 2010년에 전년대비 62%의 증가, 105억 달러로 성장하였으며, 820억 개 이상을 출하, 평균판매가격은 0.13달러이다.
GaN LED는 76% 성장으로 전체시장의 81%를 차지하면서 성장 동력이 되었다. 아직까지 하이엔드 제품군에 위치하고 있는 TV 분야는 더딘 판매 속도 및 재고 축적으로 지난 연말 특수에 강한 가격 압박을 받으며 유통채널에 공급하였다.
2009년 삼성 에지(edge) LED TV를 기점으로 2010년부터는 모든 TV 제조사들이 시장에 대거 참여하는 등 TV는 LED 시장에서 1위로 등극하였다.
이는 GaN LED 시장에서 32% 시장을 점유하는 등 LED TV 시장에서의 저변이 확대되고 있다.
반면 TV와 모니터의 급속한 신장에 비해 조명, 자동차전장, 광고판시장은 20% 정도의 성장을 유지하였고, GaN 시장에서는 조명이 휴대폰 시장을 앞지르면서 2위 자리를 차지하며 모바일 기기를 제외한 전 산업에서의 성장을 보였다.
BLU 시장이 LED 산업 주도
덧붙여 IMS리서치는 LED 산업은 BLU(백라이트유닛) 시장이 주도, 캡티브 시장(Captive market, 전속시장)을 보유하는 공급사가 시장을 지배할 것이라고 전망했다.
패널당 LED 소요량은 예상대비 현격히 감소추세를 보이고 있으며, 새로운 LED 공급자들의 참여와 기존 업체들의 활발한 설비증설 등 향후 LED 시장의 성장은 지속적인 가격압박에서 BLU 시장 포화, 부상하는 조명시장의 연착륙에 따라 달라질 수 있다고 밝혔다.
작년 BLU는 71%의 시장을 장악했고 상위 5패널 공급사들이 서로 연합 제휴함에 따라 시장을 지배할 것으로 예상하였지만, 패널 당 LED 소요량은 2009년에서 2010년 기간에 약 50%로 감소, 세트 제조비용과 LED의 채택율은 올렸지만 예상보다 LED TV 저변확대는 부진하였다.
캡티브 시장을 보유하는 백라이팅 LED 공급사들이 조명시장으로 무게중심 이동하면서 LED 소요량은 예상대비 현격히 감소추세를 보였다.
작년과 올해 약 25개의 LED 신규업체가 참여하면서 현재 75개 제조사들이 LED를 공급하고 있다. 중국의 MOCVD 촉진정책은 많은 신규 참여자를 양산하면서 한국과 대만제조사를 대상으로 많은 동기부여정책 제공 및 투자 유치를 하였으며, 중국은 작년 3분기부터 MOCVD 장비를 도입함으로 인해 지속적인 투자가 예상되고, 에피 웨이버(Epi wafer)의 생산규모는 에피 면적을 기준으로 2010년은 53%, 올해는 71%의 급속한 성장이 예상된다.
조명시장의 추이도 주목된다. 현재 전 세계 백열등과 CFL 조명의 판매금지제재는 LED 조명에는 특히, 주거용과 공공건물에서의 대체효과가 매우 고무적이다.
형광등 대체시장은 가격, 광효율, 전기효율 등의 제약으로 아직까지 제한적이지만 향후 LED 시장의 성장은 부상하는 조명시장의 연착륙에 따라 달라질 수 있을 것으로 보인다.
LED 공급 트렌드
IMS리서치는 MOCVD 장비 투자가 2010년은 786대까지의 성장으로 전년대비 245% 성장, 2011년은 중국과 대만(JV) 위주의 투자로 전망하며, 
지방 정부의 혜택(MOCVD 보조금, 법인세 인하(15%), 무상 공장부지 제공) 등 중국 과학기술부(MOST)의 LED 산업육성과 13산업단지 선정 및 타 도시로 확대한다고 밝혔다.
MOCVD 보조금은 보조금 범위(1.2M~1.8M 달러, per tool/reactor), AlInGaP과 GaN 소재에 따라 차별 지원된다. 2인치 웨이퍼 기준 최소 31개 웨이퍼를 수용하는 장비에 한해 지원하며 1.6B 달러 규모가 예상되며 이는 1080대의 장비 공급이 이뤄질 전망이다.
MOCVD 공급과열도 예상된다. 계획된 중앙정부의 예산과 별도로 지자체별 보조금프로그램의 도입으로 MOCVD가 과잉될 것으로 보인다.
MOCVD 장비시장이 중국으로 이동하고 있다. 올해 장비시장의 대부분을 중국지역으로 예상하고 있다. 중국 MOCVD 촉진책이 2인치 웨이퍼에 머물러 있어서 당분간 2인치 시장이 주도할 것으로 보인다.
지난해 2인치 사파이어 수요증가로 타 사이즈대비 50% 정도의 가격 상승요인이 발생하였고, 대형 다이사이즈의 요구로 인해 6인치 사파이어는 조명시장에 적합하다고 밝혔다.
실리콘 기판의 LED
실리콘 기판의 LED는 공정 수율의 빅 이슈화, GaNSi 생성방지, 압축/인장 스트레스의 최소화 등의 이슈가 거론되고 있다.
공정 수율의 빅이슈화로는 GaNSi 형성, 여팽창계수의 미스매치(si∼2.0×106/℃, GaN∼5.9×106/℃), 높은 인장변형 및 과도한 크랙이 예상된다. 또한 GaNSi 생성을 최소화하는 AIN 버퍼층을 활용(AIN에서의 정공(hole)을 없애야 함)해야 GaNSi 생성을 방지할 수 있다.
압축/인장 스트레스를 최소화하는 방법을 강구하는 것도 요구된다. GaN 물질 생성에 따른 압축/인장 응력이 발생하면 계면간 열팽창계수(CTE)가 불일치하고 n-GaN 레이어에서의 크랙이 발생한다. 이에 따라 막 형성초기에 압축/인장응력을 최소화할 수 있는 공정기술이 요구된다.
LED 수율은 CMOS에 비해 현저히 저조하다. 누적기준 출하평균 수율은 전반적으로 40%대에 머무르고, 일부 선두그룹은 애플리케이션에 따라 70%대의 수율을 보여주고 있다.
또한 오랜 공정시간이 수율저하를 초래, 향후 공정개선에 따라 생산 수율 향상, 이로 인한 공급량 증가 및 가격에 미칠 파급 효과가 기대된다.
Gan LED 공급성장에서는 2009년 1분기에서 2012년 1분기에 걸쳐 370~440% 성장을 예상한다. 2011년말 이후로 추가 MOCVD 장비 투자가 없다고 해도 여전히 40~60% 공급 초과현상이 전망된다.
LED TV, 소비자 가격 저항은 여전
IMS리서치는 전체 GaN LED 시장에서 LED출하량은 TV에서 30% 연평균성장(CAGR)과 조명에서 2배 정도 성장을 예상했다. 2015년에는 누적
개념으로 조명시장의 LED 비중이 30%를 상회할 전망이며, TV와 조명시장은 2010년 30%에서 2015년 58% 성장을 전망한다고 밝혔다.
LED BLU 시장에서는 3개의 주된 마켓(NB, TV, MNT)이 각각 2억 개로 LED 수요를 주도했다.
NBs에서는 향상된 기구설계, 저전력, 지속적인 경박 디자인을 요구하고 있다. TV 분야에서는 LED 비중이 확대되고 있으며 마찬가지로 저전력, 경박 디자인을 요구하고 있다.
로컬 디밍과 뛰어난 명암비, 높은 콘트라스트 등의 특징과 함께 빠른 스위칭은 높은 리프레시 비율과 3D에도 이익이다. 모니터 분야는 저전력과 폼팩터가 중요한 셀링 포인트로 아직까지 CCFL과의 가격차는 미미하다.
LED TV 시장에서 LED 채택율은 상당히 높아졌지만 소비자들의 가격 저항은 여전하며, 2011년은 보급형 패널 공급과 스마트 TV의 도입으로 로우&하이엔드 LED TV 시장 성장이 가속된다고 밝혔다.
하지만 2015년에는 조명이 TV 시장을 추월할 것으로 전망된다. 2015년은 133억 달러의 조명시장(19% CAGR)이 예상되며 이는 2014년, 2015년 백라이팅 시장의 감소를 상쇄하면서 지속 성장이 예상된다.
백열등 판매제재와 LED의 가격과 효율 향상은 LED 조명 시장에 불을 지필 것으로 보인다. TV와 모니터는 2013년, 노트북은 2010년, 휴대폰은 2009년에 포화가 전망된다.
GaN LED 수요/공급 전망으로는 강한 수요전망에도 불구하고 중국발 MOCVD의 과잉투자로 촉발된 공급 버블로 LED의 공급 초과를 예상한다,
2015년까지는 꾸준한 설비투자 및 에피 웨이퍼의 수율개선으로 공급우세를 전망하고, LED 가격하락은 LED 패널 채택율을 올리며 에지타입 외에 모듈/직하 BLU의 다양한 디자인에 기여한다고 IMS리서치는 밝혔다.
LED 조명
LED 조명은 램버션(반사가 없는) 배광 특성만 보이는데 형광등은 배트윙(batwing)과 램버션 배광특성을 모두 지니고 있다. 배트윙 배광은 광균일도 향상 및 직관형 형광램프의 장방향에 있어 글래어를 최소화한다. LED 조명은 형광등대비 광균일도 면에서는 다소 취약하다.
미국 조명 시장에서는 많은 등기구 소켓이 주거용에, 형광등은 많은 광량을 요구하는 분야에 적용되고 있다. LED 조명은 형광등을 대체하는데 우수한 효율이 있지만 광분포 특성과 가격장벽으로 전면 대체에는 다소 시간이 소요될 것으로 전망된다. 현재 LED는 CFL 대체시장에서 스몰 폼팩터 요소로 MR16, MR22, PAR30 등기구에 활발히 적용하고 있다고 밝혔다.
결론
2010년에는 LED 부품시장이 급성장했다. 백라이팅 분야에서 98%, LED 전체 시장에서 62%의 성장으로 매출 100억 달러를 선회했다.
2015년까지 30% CAGR 양적성장, 19% CAGR 매출 성장이 예상되며 2014년부터는 조명시장의 전환이 빠르게 이루어질 것으로 보인다. 올해와 내년은 LED 공급과잉이 전망된다.
중국발 MOCVD 촉진정책으로 2011년과 2012년은 수요대비 공급이 30% 정도 빠르게 성장할 것으로 예상돼 2015년까지는 공급우위의 시장이 될 것으로 보인다.
심화되는 가격압박이 조명시장 성장에 견인차 역할을 할 것이다. 일정기간 가격압박 및 원자재의 수급동향에 따라 가격 하락폭 변동성이 예상된다. 수요자우위시장에서 LED의 지속적인 양적성장은 조명시장 확대의 기폭제 노릇을 할 것이다.
세계 광원 및 조명시장 동향
□ 세계 광원 시장 동향
- 2009년 광원 시장은 진공관 램프가 80%, LED가 15%, 반도체 레이저가 5%를 차지함. 진공관 램프는 가시광 램프와 특수광 램프(적외광 램프와 자외광 램프 포함)로 크게 나뉨. 진공관 램프의 96%가 가시광 램프이며, 가시광 램프의 78%는 일반 조명용임. 나머지 가시광 램프와 특수광 램프가 특수 광원 시장임. 따라서 일반 조명용 시장의 동향이 전체 시장에 미치는 영향이 큼.
- 일반조명용 가시광 램프 시장은 세계 인구 증가와 무급전 지역의 감소와 함께 저렴한 백열 램프를 대체하는 형태로 단가가 높은 형광 램프나 LED 진공관 램프 시장이 확대되고 있음.
- 램프의 장수명화에 의해 교체 사이클이 길어지는 것이 염려 재료이긴 하지만 시장 확대 페이스가 더욱 커서 중단기적으로 확대될 것으로 예측됨. 특수광원 램프 시장은 세계 수요 침체에 의해 축소됨.
- LED 시장은 액정 백라이트에서 백색 LED가 CCFL(냉음극 형광 램프)을 대체하여 일반 조명 분야에서 LED 조명화가 급속히 진행되기 시작함. 이 두 분야가 LED 시장 전체를 이끌어나가고 있음.
- 조명 분야에서는 유기EL 시장이 2011년 경부터 형성되기 시작할 것으로 예측됨. 반도체 레이저는 단가가 높은 차세대 광디스크 장치나 고속광통신용의 증가가 예상됨.
□ 일본 조명 시장
- 2009년에는 경기 침체로 인해 건축물의 신설착공 건수가 감소하여 전열/방열등기구 시장이 축소됨. 전열/방전램프 시장은 수요의 대부분을 차지하는 사후 유지보수 시장이 입주가 끝난 건설 재고 수의 감소 및 시설 가동률 저하에 의해 축소됨. 조명기기와의 연동시장도 조명기구 시장의 불황의 여파로 축소됨. - LED 조명 메이커가 증가해 종류가 확충되면서 판매처가 확산되어 아직 고가격이긴 하지만 서서히 저가격화하 진행되어 높은 성장을 함.
- 앞으로는 LED 조명이나 유기EL 조명기구와 같은 차세대 조명시장이 단가가 높아 금액 베이스 성장을 이끌 것으로 예상됨. 환경의식 향상을 배경으로 차세대 조명 비율은 2009년 5%에서 2015년에는 23%로 상승할 것으로 예측됨.
□ 주목해야 할 조명 시장
○ 일본 LED 진공관 램프 시장
- 2008년에는 LED 전구나 LED 형광등은 고가격이어서 러닝코스트를 포함한 가격을 고려해 도입을 검토해야 할 필요가 있었기 때문에 업무용을 타깃으로 했음. 2009년에 주택시장용의 저가격 LED 전구가 등장함으로써 시장이 꽃을 피움.
- 진공관 램프 LED 조명의 인지도가 높아지고 있기 때문에 향후 대체가 진행되어 LED 진공관 시장은 2015년에는 2009년 대비 약 4배인 335억 엔에 달할 것으로 예측됨.
- 백열 램프를 대체할 LED 전구는 2008년까지는 비주택 분야에서 수요를 개척해 왔지만, 2009년 6월에 샤프가 4천 엔을 밑도는 제품을 발표한 후 시장은 급격히 활성화됨. 앞으로는 백열 램프가 제조 및 판매 중지 대상이 되기 때문에 LED 전구 시장은 대체 수요를 얻고 있음. 단 전구형 형광 램프와 경쟁하기 때문에 스팩과 가격을 비교해 LED 전구의 수용성을 높이려면 매장 가격이 2천 엔을 밑돌아야 함.
○ 일본 유기EL 조명기구 시장
- 일본 유기EL 광원 메이커로서 NEC 라이팅, 유니카미놀타, 쇼와전공, 스미토모화학, 대일본인쇄, 도시바, 도후쿠디바이스, 파나소닉전공, 미쓰비시화학, Lumiotec, 롬 등을 들 수 있으며, 제품 판매 실적이 있는 것은 도후쿠디바이스뿐임.
- 2010년에 Lumiotec나 코니카미놀타, 쇼와전공이 샘플 공급을 예정하고 있음. 양산화 시기는 기타 유기EL 메이커를 포함해 2011-2014년 사이가 예상되지만, 일본 시장에서의 본격적인 시장 형성은 2012년 경부터가 될 것으로 예측됨.
- 시장 형성 초기에는 일반 조명 분야에서 호텔이나 쇼핑몰, 점포 분야가 많을 것으로 예측됨. 이러한 용도에서는 매력적인 분위기 조성에 선진적인 조명기술을 적극적으로 사용하는 문화, 풍토가 있음. 연출 조명이나 포인트 조명, 디자인성 높은 인테리어 조명, 간접조명이 이용되고 있으며, 또한 매장에서는 슬림성을 살려 슬림 라인 대체로서 쇼케이스로서의 이용도 고려할 수 있음.
- 발광기술이 개선되고, 저가격화가 진행됨에 따라 천정 조명으로서 사용될 것으로 예측됨. 또한, 점포나 시설 분야에서 주택 분야로의 확산도 기대됨. 실외 분야는 내환경성 면에서 시장 형성에 시간이 필요할 것으로 보임. 전광판용은 실내 간판이 고려 대상임.
출처 KIET
LCD와 OLED 장비 업체가 바쁜 이유
8세대, 8.5세대, 10세대의 더 큰 팹(fab)에 대한 수요가 증가됨에 따라, LCD(액정표시장치)와 OLED(유기발광다이오드) 제조 장비 시장 성장도 박차를 가하고 있다.
대부분의 수요가 8세대와 8.5세대에 관한 것으로, 이 시장의 성장세는 2011년까지 계속 상승 곡선을 그을 것으로 보인다.
LCD TV와 스마트폰, 광고 스크린의 판매가 급증하는 것이 LCD 제조 장비의 활용성을 높이는데 기폭제가 되고 있다.
2010년 한 해 동안, TFT-CD 팹 확장은 LCD 장비 채택에 큰 힘을 실어줬으며, 친환경 제품에 주목하는 현상들이 향후 3~5년간 OLED 디스플레이 수요 증가를 가속화 시킬 것으로 예상된다.
프로스트앤설리번 LCD와 OLED 제조 장비 시장 보고서(http://www.smt.frost.com)에 따르면, 2009년에는 LCD 시장은 73억 30만 달러, OLED 시장은 1억 3670만 달러의 수익을 거뒀으며, 2017년에 이 시장들은 각각 181억 8250만 달러와 7억 270만 달러에 도달할 것으로 전망된다.
프로스트앤설리번 라바야 라모한(Lavanya Rammohan, 사진) 조사 연구원은 “기존의 다른 디스플레이 기술들과 비교 했을 때, 더 높은 선명도와 더 나은 대비율, 부드러운 색상 처리, 더 빠른 화면 재생률등과 같은 OLED 기술의 실리들이 시장의 핵심 동인이 될 것이다.
또한 OLED은 소비자들에게 최적의 동력과 유기물 박막으로 더 나은 에너지 관리를 제공한다” 고 말했다.
OLED 디스플레이의 이점들이 더 잘 알려짐으로서, 향후 3~7년간 OLED 제조 장비 수요가 급증할 것으로 보인다.
기술혁신, 더 나은 기술성과 가격하락 등이 모바일 휴대폰 시장에서 OLED 디스플레이에 대한 수요를 꾸준히 유지시킬 요인이 될 것으로 예상된다.
또한 이 시장은 신호체계에 사용되는 OLED 디스플레이에 대한 수요 증가로도 이득을 얻을 수 있을 것으로 전망된다.
대형 기판의 증착과 패터닝는 LCD와 OLED 제조 장비 제공업체들에게 큰 과제로 남아있다.
대형 기판의 사용은 재료의 증착과 처리량, 균일한 증착과 관련된 기술적 문제 면에서 증착 절차를 복잡하게 만들며 많은 자본금을 필요로 한다.
설계와 시제품에 대한 더 많은 중점을 강조하는 것은 디스플레이 제조 장비 시장의 계속적인 혁명적인 변화를 줄 것이다.
소비 산업에서 패널 크기가 계속 커짐에 따라, 증착의 높은 정확도와 처리량이 핵심 과제로 떠오를 것이다.
개방형 공동연구 진행, 제품 로드맵 설계 노력
“LCD와 OLED 장비 제조업자들은 증착에 관한 문제점과 장애물들을 제거하기 위해 장비의 디자인과 기능성을 끊임없이 개선시키고 있다.
또한 그들은 디스플레이 제작에 대한 미래 세대를 위해 고객들과의 개방형 공동연구(Open collaboration)를 진행하고 있으며 제품 로드맵을 설계하고 있다”고 라모한 연구원은 말했다.
혁신적인 증착 기법들과 테스트, 기타 과정들이 고객들의 관심도와 구매도를 높일 것으로 예상된다.
앞으로 자재 성능과 수명을 최적화시키기 위해 자재 공급업체, 디스플레이 제조업체, 장비 공급업체, 기술자들 사이의 공동 연구가 빈번해질 것이다.
디스플레이 제조업체들에게 항상 이슈가 되는 비용 압박에 균형을 맞추기 위해 제조 과정의 끊임없는 혁신이 필수사항이 될 것이다.
프로스트 앤 설리번 인터내셔널 소개: 프로스트 앤 설리번(Frost & Sullivan)은 45년 이상의 경험을 활용하여 6대륙 40개 이상의 사무소에서 1,000여 개 글로벌 기업, 새로운 비즈니스 분야 및 투자계와 협력하고 있다.
‘프로스트 앤 설리번 성장 파트너쉽’ 프로그램에 대한 자세한 정보는 홈페이지(http://www.frost.com)를 참조하면 된다.
국제 LED EXPO & OLED EXPO 2011
친환경 산업 대명사, LED 빛의 축제 열린다
오는 6월 21일부터 4일간, 일산 킨텍스에서 개최
GE 라이팅, 금호전기, 주성엔지니어링, 프로텍 등 LED 선두기업이 대거 참가하는 국내 최대 규모의 LED 축제가 열린다.
LED 및 디스플레이 관련 모든 제품을 만날 수 있는, 국내 최대 규모의 “국제 LED EXPO & OLED EXPO 2011 전시회”가 6월 21일부터 4일간 일산 KINTEX에서 개최된다.
이번 전시회는 2003년 세계 최초로 LED 전문 무역전시회를 시작하여 매년 20% 이상 꾸준히 성장하고 있으며, 국제 인증기관 UFI 인증과 지식경제부 국제인증을 통해 국내 최대 LED, OLED 전시회로 인증 받은 국내 최대 규모의 LED, OLED 전문 무역전시회라고 주최 측은 밝혔다.
GE 라이팅 코리아 등 주요 기업 참가
올해 주요 참가 기업인 “GE 라이팅 코리아”는 국내 100여 개의 도소매 유통업체와 건설 및 전기 분야 기업 고객에게 조명 시스템을 공급하고 있으며, 본 전시회에서 LED 신제품 전체 라인업을 선보일 예정이다.
전시 제품으로는 기존의 백열 전구를 완벽히 대체할 것으로 기대되는 A19 Omni 및 GE 라이팅의 대표적인 제품인 가로등기구 R150 등이 있다.
조명업체 금호전기는 이번 전시회에서 LED PAR 38 Lamp, LED 가로등, LED 다운라이트 8인치(44W), LED 스탠드 등 다양한 LED 제품을 선보인다.
LED, 반도체 및 SMT/PCBA 분야에 이르기까지 첨단 자동화 설비를 개발, 생산 전문 업체인 “프로텍”은 전시회에서 LED 디스펜싱 시스템 및 LED 다이 본딩 시스템을 소개한다.
국가대표 반도체, 디스플레이 및 태양전지 장치 업체인 주성엔지니어링도 본전시회에 참가하여 LED 대량 생산을 위한 장비인 GaN MOCVD을 선보일 예정이다.
전반적으로 LED 조명, 전광판 업체 참가 비율도 늘어나고 있고, 올해는 특히 주성엔지니어링, 프토텍, 피엔티 등 장비, 부품, 소재 업체들의 참가가 눈에 띄게 늘어나고 있다.
국내 주요 참가업체로는 오디텍, 스타넷, 삼익전자공업, 다산에이디 등이 있고 해외업체로는 네덜란드의 SFT Holland Cooperatie UA, 독일의 Aixtron, LayTec AG, 대만의 에버라이트, 프로라이트 옵토 테크놀로지, 중국의 LED-EVER 테크놀로지, 일본의 소니 케미컬 & 인포메이션 디바이스 코퍼레이션, TANAKA PRECIOUS METALS 등의 업체들이 참가한다.
LED 칩, 모듈 조명에서 제조장비까지
디지털 인포메이션 디스플레이 전시 동시 개최
이 전시회에서는 LED 조명, 옥외광고용 디스플레이, LED 사인, 칩, 친환경조명, 패키지, 모듈, 애플리케이션 뿐만 아니라 LED 제조용 장비, 검사/측정/시험/평가 장비, 파워서플라이, LED 부품 및 소재 등 LED 산업 전반에 걸친 제품이 출품되는 행사로 향후 LED 시장을 선도할 최첨단 기술과 새로운 장비 재료제품을 접할 수 있는 최고의 기회가 될 것으로 기대된다.
또한 AMOLED, PMOLED, LCD, PDP, 패널, 디스플레이, 검사/측정/시험/평가 장비, FPD 부품 및 소재, 진공, 코팅 등 OLED 산업 전반에 걸친 제품이 출품되는 전시회로 반도체 생산 공정에 사용되는 최첨단 기술과 관련한 새로운 장비재료 제품을 선보인다.
한편, 올해부터 디스플레이와 IT기술의 결합으로 광고시장에 점진적으로 확대되고 있는 디지털 인포메이션 디스플레이 관련 품목을 소개하는 "국제 DID EXPO 2011"을 동기간에 개최하여, LED가 사인에 적용되는 현황과 옥외광고, 3D 부분으로 발전하고 있는 DID의 기술 및 적용사례를 보여주고 이를 활용한 수익모델 창출에 기회의 장을 제공할 전망이다.
부대행사로 세계 권위 있는 연사를 초청하여 진행하는 국제 LED 및 그린라이팅 세미나, 코트라와 연계하여 해외 빅바이어를 초청하여 진행하는 수출상담회 및 제4회 신기술개발 우수업체 정부시상 등이 전시 기간 내 개최되어 전시회의 질과 참가업체와 참관객들의 만족도를 충족시킬 것이며, 해외 바이어의 참여율도 대폭 증가되어 LED, OLED 관련 정보교환 및 마케팅효과를 극대화 하여 더 큰 성과를 낼 수 있을 것으로 기대된다.
자세한 정보는 공식 홈페이지(LED EXPO: www.ledexpo.com, OLED EXPO: www.oledexpo.com, DID EXPO: www.didexpo.com) 또는 전시사무국(02-783-7979)으로 문의하면 된다.
KOSEN Conference Report-ISSCC
에너지, 헬스케어, 바이오메디컬 주요 테마로 자리잡아
International Solid-State Circuits Conference(ISSCC)는 세계 3대 반도체 학회(IEDM, ISSCC, VLSI) 중 하나로써 solid-state circuits와 system-on-a-chip(SoC)분야에서 그 규모와 역사가 가장 크고 길다.
해당 분야에서 가장 진보된 기술을 가장 빠르게 발표하는 학회로써 매년 2월에 샌프란시스코에서 열린다.
올해엔 "Electronics for Healthy Living"라는 주제로 열리며, 헬스케어, 에너지 분야와 같은 Emerging technology를 중점적으로 다룬다.
또한, 기존의 RF/Analog/Digital circuits을 기반으로 한 응용 기술들 역시 소개된다.
우리나라에선 삼성전자, 하이닉스 등의 기업체를 비롯하여 KAIST, POSTECH 등에서 최신 연구결과를 소개한다.
본인은 Energy, wireless등의 분과에 참여하여 최신 기술을 습득하고 이를 보고하고자 한다. 본 보고서에서는 바이오 & 디스플레이, RF, 무선통신, 미래 기술 분야 등의 세션을 집중적으로 다룬다.
글: 최진성 / 삼성종합기술원
자료제공: 한민족과학기술자네트워크(KOSEN)
ISSCC 소개
International Solid State Circuits Conference(ISSCC 2011)는 2011년 2월 20일부터 24일까지 미국 샌프란시스코에서 열렸다.
ISSCC는 세계 3대 반도체 학회(IEDM, ISSCC, VLSI) 중 하나로써 solid-state circuits와 system-on-a-chip(SoC)분야에서 그 규모와 역사가 가장 크고 길다.
회로 설계에 있어서 올림픽이라 비유할 정도로 권위가 높고, 매년 언론을 통해 국가 별, 기관 별 발표 논문 수 및 중점 발표 분야 등이 정리되어 발표 될 정도로 관련 업계의 관심이 높다.
해당 분야에서 가장 진보된 기술을 가장 빠르게 발표하는 학회로써 매년 2월에 샌프란시스코에 위치한 Marriot Hotel에서 열린다.
올해엔 “Electronics for healthy living”라는 주제로 열렸으며, 헬스케어, 에너지 분야와 같은 에머지 테크놀로지를 중점적으로 다루었다.
반도체 기술의 급격한 발전에 따라 그 응용 범위가 점차 헬스케어 쪽으로 넓어지고 있는 것을 직접적으로 반영하는 것으로 볼 수 있다.
또한, 전통적 응용 분야인 기존의 RF/Analog/Digital circuits 기반 기술들 역시 소개된다.
일반적으로 제출되는 논문의 수는 경기에 영향을 많이 받는데, 2009년 세계 경제 위기로 감소된 이후 서서히 회복되어 올해엔 69건이 제출되었다고 한다.
이번 학회에선 제출 논문 수의 증가에 따라 지난 몇 년 동안 가장 낮은 31.5%의 채택률을 기록하였다.
지역별로는 미국, 일본, 한국 순으로 많은 논문을 발표하였으며, 카이스트가 9개의 논문 채택으로 세계에서 가장 많은 논문을 발표하는 기관이 되었다.
분야별로는 의료 관련 논문이 전체 논문의 14% 정도를 차지하였다.
또한, 기업에서 제출하는 논문의 수가 2007년 49%에서 2011년 42%로 줄어듦에 따라 ISSCC에선 기업의 참여를 유도하기 위해 ‘Technology Roundtable’과 같은 패널 세션과 ‘Industrial Demo Session’등의 시연 세션 등을 선보였다.
한편, 삼성 전자 반도체 사업부의 권오현 사장은 ‘건강한 생활을 위한 친환경적 반도체 기술’이라는 제목으로 기조 강연을 하였다.
지난 2010년 말, 삼성 전자 종합기술원의 김기남 사장이 IEDM에서 기조 강연을 한 것에 이어 반도체 관련 주요 학회 기조 연설을 삼성 전자의 사장단이 휩쓸고 있는데, 이는 한국의 반도체 산업의 세계적 위상을 나타내준다.
또 다른 기조 연설은 Medtronics사의 부사장이 발표하였다. Medtronics는 순환계와 신경계 관련 의료 기기를 만드는 세계 4위의 의료기기 전문 회사이다.
바이오메디컬 칩 및 시스템을 제공하며, 일 년 매출이 17조원이 넘는다. 의료 진단 관련 헬스 케어 기기가 매우 부가가치가 높기 때문이다.
Medtronics가 개발한 칩은 두뇌에서 제공되는 정보에 따라 근육이 반응하기까지 필요한 자극의 양, 신호 전달 타이밍 등을 판단하도록 정보를 모아준다.
뉴런그룹들을 대상으로 한 최초의 장시간 기록에 나서고 있고, 뇌신호는 뉴런의 이상으로 발생하는 병의 치료에 이용된다.
이식기기로부터 나온 2개의 전극은 채널당 5mW의 전류를 내보내 네 개의 뉴럴 사이트를 동시에 모니터 할 수 있게 해준다.
만일 디바이스가 뭔가 잘못되었음을 감지하면 리드가 뉴런자극을 위해 높은 출력을 전달한다. 뿐만 아니라, medtronics는 파킨슨병, 간질병, 우울증 같은 특정 뇌신경의 부조화 패턴을 감지하는데 최적화된 제품을 생산하고자 한다.
각 디바이스는 개별 환자의 뇌파에 있는 변화에 맞춰 특별히 프로그램 된다.
참고로 세계 의료 기기 시장 1위는 미국의 Johnson & johnson이다. 의료 기기 부문은 J&J 전체 매출의 35% 이상이며 수술 및 진단 장비, 인공 관절과 척추 관련 제품 등 다양한 제품을 생산하고 있다.
세계 2위의 GE 헬스케어는 영상진단 및 정보 네트워크 분야에서 높은 경쟁력을 가지고 있으며 글로벌 3위 의료 기기 업체인 SIEMENS Medical은 세계 초음파 시장의 대표 기업이다.
아시아 태평양 지역에서 1위를 나타내는 일본의 도시바는 세계 시장에서는 17위에 불과해 미국과 유럽 기업들의 상대적 강세가 두드러진다.
실제로 10위권 내 기업들은 모두 미국과 유럽 지역의 기업들로 이루어져 있다.
아시아 태평양의 10위권 내 기업 대부분이 일본 기업인 가운데 국내 1위의 메디슨과 아시아 태평양 1위의 도시바는 매출액만 15배 이상 차이가 나며 세계 1위의 J&J와는 150배의 매출 격차를 나타낸다.
국내에서 삼성전자가 메디슨을 인수하면서 본격적으로 의료 기기 사업에 발을 들여놓았다.
앞으로 바이오 시밀라 제품을 통한 제약업과 더불어 바이오 관련 국내 대기업의 국제 업계 진출이 기대된다.
Technical Session
바이오메디컬 디스플레이 분야
이 세션에선 바이오메디컬과 디스플레이 회로 및 시스템에서 최신 발전 모습을 보여준다.
IMEC과 Delft 대학에선 gel-free active electrodes를 이용한 Electroencephalogram(EEG) 시스템을 발표하였다.
Active electrode는 높은 게인 특성과 큰 입력 임피던스를 달성해야 정확한 프로빙이 가능한데, 제안된 회로는 2GOhm의 입력 임피던스와 82dB Common Mode Rejection Ratio(CMRR)을 달성했다.
UC Berkeley에선 DC-coupled neural-signal acquisition system의 면적을 3배 정도 줄인 칩을 발표하였다. 65nm CMOS 공정을 이용하여 만들었고, 5.04uW의 전력을 소모한다.
이 세션에서 특히 주목할 만한 논문 중 하나는 스탠포드 대학의 Bruce A. Wooley 교수 연구팀에서 선보인 생체 내 형광물질 검출을 위한 매립형 저잡음 전류 검출 회로이다.
이를 통해 질병(대표적으로 암)의 조기 발견 및 치료 경과를 관찰하는 용도로써 유용하게 사용 가능하다.
연구팀에서 기존에 개발한 형광 센서와 이번에 발표된 검출 회로를 이용해 실제로 살아있는 쥐에 센싱 시스템의 동작을 검증하였다.
기존의 형광 센서는 전류를 출력하는데, 약 5pA의 리솔루션이 필요하고, 15nA까지 센싱이 되어야 한다.(측정되는 detector signal의 전류 레벨이 약 5pA-15nA정도라고 한다.)
제안된 회로는 capacitive trans-impedance amplifier를 이용해 전류를 전압으로 변환하고, 이를 델타 시그마 변조기를 통해 디지털 신호로 변환된다. 이 때, 충분히 높은 샘플링 주파수를 선택하여 quantization noise를 최소화 하여 만족할만한 신호 대 잡음비를 얻을 수 있다.
제작된 시스템은 1cm3의 부피를 갖고 0.7g정도의 질량을 갖는다. 기존에 발표된 시스템에 비해 약 10배의 동적 범위를 갖는다. 0.18um CMOS 공정을 이용하여 설계되었다.
또 하나의 매우 흥미로운 연구 결과는 Michigan 대학의 David Blaauw 교수 연구팀에서 발표한 녹내장 관리나 실명 예방을 위한 Energy-Autonomous Wireless 안압 모니터 시스템이다.
MEMS 기반 센서를 통해 안압을 캐패시턴스로 나타내고, capacitance-to-digital converter를 이용해 데이터를 얻어 이를 시그널 프로세싱 한다.
제안된 센서는 0.5mmHg의 pressure resolution을 달성하였다. 또한, 설계된 칩은 태양 전지와 박막 형태의 Li-battery를 내장하고 있어 태양으로부터 에너지를 공급받아 자체 필요한 전력을 생성한다.
그리고 수집된 안압 정보는 내부에 존재하는 무선 송신회로를 통해 외부 디바이스로 전송할 수 있다.
이 세션에서 마지막으로 발표된 메디컬 분야 논문은 55ps의 분해능을 가지고 포톤을 검출해 낼 수 있는 160×128 픽셀 어레이 센서에 관한 것으로 Delft 대학에서 발표하였다.
각 픽셀은 counter, time-to-digital converter, 10b 메모리 등으로 구성되어 있고, 프레임은 20us 마다 읽혀진다. 이 센서는 fast fluorescence lifetime imaging에 매우 적합하다.
RF 분야
TI의 Digital RF 분야 CTO에서 네덜란드 Delft 공대 교수로 얼마 전에 적을 옮긴 Bogdan Staszewski 교수가 자신이 제안한 ADPLL의 최신 개선 버전을 발표하였다.
ADPLL은 Digitally-Controlled Oscillator, Time-to-digital converter 등 새로운 개념의 디지털 회로들을 기반으로 기존의 Analog PLL 회로를 대체하여 많은 주목을 받아오고 있다.
이번에 발표한 내용은 65nm CMOS 기술을 기반으로 리퍼런스 클락에 time-to-digital 컨버터를 이용하여 시스템 클락 으로 인한 송신파 간섭을 줄이는 것이 주된 내용이다.
아날로그 분야에서 최고의 회사중 하나인 TI의 CTO가 네덜란드의 공대 교수로 옮긴 것은 교수라는 직업이 주는 매력 때문일 수도 있지만, 디지털 RF 기술 자체가 디지털 PLL을 제외하곤 생각만큼 파격적인 영향을 RF 회로 설계에 미치진 못했다는 반증일 거란 얘기도 심심치 않게 들린다.
브로드컴에선 direct conversion 혹은 zero-IF conversion이 아닌, super-heterodyne 구조를 갖는 RF 리시버 구조를 발표하였다.
일반적으로 direct conversion receiver에서는 baseband low-pass filter를 이용하여 채널 섹션 기능을 수행하는데, R과 C는 기술 발전에 따른 스케일링 효과를 누리지 못해 칩 사이즈가 줄어들지 않는 단점이 있다.
또한, 1/f noise, 2nd-order nonlinearity, DC offset 등의 문제점 등이 있어 설계가 어렵다.
Super-heterodyne receiver 구조의 경우, 이러한 문제 점은 없지만, 이미지 리젝션과 채널 섹션을 위한 external high-Q filter가 필요하다.
발표된 논문에선 clock-based frequency-translation band-pass filter를 이용해 65nm CMOS 공정상에서 on-chip high-Q filter를 구현하였다.
이 때, 필터는 thin-oxide transistors로 이루어진 스위치들과 MOS-cap으로 구성되어 있으므로 로우 파워 특성과 process-scalability를 갖기 때문에 CMOS 공정의 스케일 다운에 따른 이득을 그대로 활용할 수 있다.
싱글 칩으로 고성능 super-heterodyne receiver를 구현한 것과 더불어 process-scalable한 RF 리시버 구조를 제안했다는 것에 큰 의의가 있다.
시애틀에 위치한 워싱턴 대학의 Allstot 교수 연구팀에선 Switched-Capacitor 기술을 기반으로 한 Envelope Elimination & Restoration 기법을 이용한 Wireless LAN에 적합한 고효율 전력 증폭기 구조를 발표하였다.
일반적으로 아날로그 및 혼합신호 회로 등에서 사용하는 기법인 switched 캐패시터 회로를 RF 회로에 적용하였다.
이는 스케일링 다운에 의해 트랜지스터의 스위칭 속도가 충분히 빨라졌기 때문에 가능하다. 제안된 회로의 핵심은 capacitor에 저장되는 전하량을 제어함으로써 신호의 Envelope에 해당하는 출력 전압을 제어할 수 있다는 것이다.(그림 3을 참조: Con/(Con+Coff)가 출력 신호의 크기가 된다.)
또한, switching frequency를 RF carrier frequency과 일치시키고 L을 직렬로 연결하면 자연스럽게 Band-pass filter가 형성된다.
이 때, 캐패시터는 AC 그라운드인 VGND나 VDD에 연결되어 있기 때문에 출력 정합에 영향을 주지 않는다. 이는 캐패시터의 전하 재분배를 통한 capacitive power-combining 개념을 전력 증폭기에 적용한 것으로 아이디어가 참 신선하다.
25.2dBm에서 55.2%의 매우 높은 효율을 달성하였고, OFDM 신호를 인가했을 때에도 32.1%의 매우 높은 효율을 나타내었다.
다만, 전력 레벨이 높은 셀룰러 응용에 있어서는 안정적인 switched-capacitor 회로 동작이 보장되어야만 적용이 가능할 것으로 사료된다.
브로드컴의 네덜란드 지사에선 Rx의 하드웨어를 이용해 Tx의 비선형성을 calibration하는 Tx 구조에 대해 발표하였다.
Transmitter image, local oscillator feed-through(LOFT), 아웃풋 파워가 트랜스미터 스팩트럼을 서브 샘플링하여 calibration되었다.
그럼으로써 55dBc 이상의 ACPR과 -64dBc이하의 IM3를 200MHz 대역까지 달성하였다. 그리고 55dBc의 이미지 리젝션, 40dBc의 Local Oscillator Feed-Through, 0.6dB의 gain accuracy를 달성하였다.
인텔에선 shielded concentric transformer를 이용한 class-AB PA를 발표하였다.
플립 칩 팩키지 되었으며 28dBm의 최대 전력을 낼 수 있고, 효율은 31.9%이다. OFDM-64QAM 신호에 대해서 21dBm의 평균 출력 전력을 갖고, 16%의 효율을 나타낸다.
삼성전기의 김우년 박사는 GSM과 EDGE를 동시에 지원하는 dual mode quad-band CMOS PA를 발표하였다.
EDGE 동작에선 28.5dBm 출력에서 22%의 효율을 갖고, 1.6%의 EVM을 달성하였다. GSM 응용을 위해선 스위칭 증폭기로 동작하는데, 34.5dBm의 출력 전력에서 55%의 효율을 나타낸다.
IPD라는 매우 손실이 낮은 공정을 이용하여 트랜스포머를 구현하였고, 팩키지 안에 하나의 CMOS PA와 두 개의 IPD 트랜스포머 칩이 존재한다.
무선 통신 분야
2G를 지나 3G에서 4G로 향하고 있는 셀룰러 분야는 스마트폰 시대를 맞이하여 더 높은 데이터 레이트를 지원하는 시스템을 매우 낮은 전력으로 구현하는 것이 핵심이 되고 있다.
또한, 외부 소자들을 줄임으로써 가격을 낮추고 집적도를 높임으로서 소비자들에게 더 많은 혜택을 주는 것이 주요 경향이다. 또한, 다중 표준과 대역을 지원하는 라디오 칩의 개발도 매우 활발히 이루어지고 있다.
대만의 미디어텍에서 두 편의 논문을 발표하였다. 먼저 65nm CMOS 공정을 이용해 SAW 필터 없는 GSM/GPRS/EDGE용 수신기를 내장한 SoC를 제안하였다.
Class-AB 저잡음 증폭기와 전류모드 저대역 필터를 내장한 수동형 믹서를 이용하여 감도저하 없이 1dBm의 높은 P1dB를 달성하였다.
2.8V의 공급전압으로부터 58.9mA의 전류를 소모한다.
또 다른 논문은 shunt-shunt 피드백 구조를 이용해 인덕터 없는 front-end를 갖는 65nm CMOS 2G/3G 수신기에 관한 것이다.
-2dBm의 out-of-band IIP3를 갖고, 2.2GHz까지 2.5dB 이하의 잡음 특성을 갖는다. Front-end의 칩 면적이 0.9mm2에 불과하다.
ST-Ericsson, 퀄컴, 인피니온 테크놀로지 등에서 멀티모드 / 멀티밴드 RF 트랜시버 등을 발표하였다.
스웨덴의 ST-Ericsson에서는 9개의 밴드에 대해 송수신이 가능하고, DigRF 인터페이스를 갖는 WCDMA/EDGE용 RF transceiver IC를 발표하였다.
90nm CMOS 공정을 기반으로 SAW-less Rx 구조를 갖는다. 2.3-2.5dB의 잡음 특성을 갖고 IIP2는 58dBm, IIP3는 -6dBm이다.
송신기는 2G에서 1.5%이하의 EVM을, 3G에선 4%의 EVM을 달성하였다. 2G RX/TX+LO는 129mW/126mW의 전력을 소모하고, 3G TX+RX+LO는 269mW의 전력을 소모한다.
미국의 퀄컴은 7개의 밴드에 대해 송수신이 가능하고, 디지털 베이스밴드, 메모리, 오디오 프로세서등을 모두 집적한 최초의 SoC를 발표하였다.
65nm CMOS 공정을 기반으로 만들어졌다. 베터리로부터 LB에선 38.3mA/48.2mA, HB에선 45.3mA/47.8mA의 전류를 소모한다. 이 때 센시티비티는 -111.4dBm이다.
독일의 인피니온은 polar modulation 구조를 갖는 17b RF DAC 베이스 디지털 멀티모드 트랜스미터를 발표하였다.
디지털회로를 이용하여 트랜스미터 회로를 꾸미게 되면 디지털 클락에 의해서 모든 것들이 조정 가능하기 때문에 GSM/EDGE/WCDMA 등의 모든 밴드에서 사용이 가능하며, 각 밴드 별 성능의 변화가 거의 없고, 칩 면적이 대폭 줄어들 수 있는 장점이 있다.
지금까지 발표된 RF DAC 기반의 디지털 포머 트랜스미터들은 amplitude path에 delta-sigma modulation 기법을 적용하여 unit cell의 개수를 줄이고, 저전력 동작을 가능하게 하는데 초점을 두었다.
하지만, 이럴 경우에 quantization noise및 repetition noise 등에 의해 3G mode의 강력한 spurious regulation을 만족시킬 수 없는 단점이 있다.
제안된 논문에서는 10b의 트랜스미터 코드와 4b의 바이너리 코드를 이용해 이와 같은 문제를 제거하였다. 이로써 디지털 도메인에서 대부분의 스팩을 만족시키는 트랜스미터를 구현하였다.
하지만, 유니트 셀의 개수가 늘어남에 따라 생기는 전력 소비량의 증가는 해결되지 못한 상태로 발표하였다. 이는 공정 기술의 발달로 어느 정도 줄어들 수 는 있겠으나, 근원적인 해결책은 아니다.
벨기에의 유명한 반도체 연구소인 IMEC에서는 40nm CMOS공정을 이용하여 multi-band SAW-less modulator를 선보였다.
제안된 모듈레이터는 Rx 밴드에서 -162dBc/Hz의 잡음 레벨을 갖고, 모든 LTE FDD 밴드에 대해서 최대 11dBm의 OP1dB를 갖는다.
이 때, 24.8에서 38.5mW의 전력을 소모한다. 미국의 브로드컴에서는 투-포인트 PLL을 기반으로 한 65nm polar 트랜스미터를 발표하였다.
Rx 밴드에서 -159dBc/Hz의 잡음 레벨을 달성하였고, PLL안에 광대역 frequency-locked loop를 통해 VCO 이득을 선형화하여 0dBm 출력 전력에서 배터리로부터 40mA의 전류를 소모한다. 이 때, EVM은 2.9%이다.
오스트리아의 Graz 대학과 인피니온 에서는 13.56Hz-2.45GHz의 넓은 주파수를 대응하는 RFID 센서 노드를 발표하였다.
소비전력은 7.9uW, 최대 수신 감도는 -10.3dBm이고 0.13um CMOS 공정을 이용하여 제조하였다. 발표된 RFID tag는 온칩 온도 센서와 오프칩 센서 인터페이스를 지원하며 태크 다중 주파수 대역에서 전자기파를 이용해 무선으로 전력을 공급하는 지원하는 최초의 수동 RFID tag이다.
카이스트와 Phychips 에서는 UHF 대역 RFID 리더를 위한 RF front-end 회로를 발표하였다. RFID 리더에서는 Tx의 leakage와 P/N-induced noise에 의해 잡음 특성이 좋지 않아 bulky한 isolator로 T/Rx를 분리해주어야 한다.
또한, Tx의 효율이 매우 낮아 배터리로 동작하는 모바일 디바이스의 사용시간이 줄어드는 단점이 있다.
발표된 논문의 주된 내용은 isolator 없이 높은 SNR을 달성하여 회로 구성을 매우 단순화한다는 것이다.
기존의 bulky한 isolator를 매우 작은 45도 phase shifter로 대체할 수 있게 해준다. 또한, polar ASK 모듈레이션을 이용하여 Tx의 효율을 극대화하였다.
미래 기술 분야
미래 기술 분야는 technologies for health와 energy harvesting 등의 관련 기술 등이 있다.
건강 및 의료 분야에선 센싱 및 monitoring에 관한 기법과 저전력 설계 기술의 발전에 따라 next-generation medical electronics의 실현이 이루어지고 있다.
이 분야에선 최근 들어 카이스트의 유회준 교수 연구실에서 많은 연구가 이루어지고 있다.
이번 세션에서도 2개의 논문이 발표되었다. 먼저 세계 최초로 IEEE 802.15.6 Task Group 규격을 만족하는 Wireless Body Area Network(WBAN) 시스템 논문이 발표되었다.
Resonance matching, contact impedance monitoring, 그리고 low power scalable double-FSK modulation scheme 등을 통해 0.24nJ/b의 극소전력에서 동이 가능하다. 0.18um CMOS 공정을 이용하였고, 칩 면적은 2.5x5mm2이다.
두 번 째 논문은 70배 전력 소모가 줄어들었고, 무게를 기존보다 1/10 이하로 달성한 수면 뇌파 모니터링 시스템을 발표하였다.
14개의 센서 패치와 1개의 네트워크 컨트롤러 IC로 구성된다. 센서 패치를 얼굴에 붙여 ExG(EEG, EMG, EOG, ECG 등)의 실시간 관측이 가능하고, 패치가 떨어지더라도 fault tolerant 기능을 통해 동작을 계속해서 유지할 수 있다.
실시간 스케일러블 네트워크 컨트롤러는 75uW의 전력을 소모하고, ExG 센서는 25uW의 전력을 소모한다.
0.33pJ/b의 매우 낮은 커뮤니케이션 에너지를 달성했다.
워싱턴 대학에서는 혈당치 센서를 내장한 컨택트 렌즈를 발표했다.
15cm의 거리에서 무선으로 전력을 공급받을 수 있고, 2.4GHz 대역에서 load-shift keying(LSK)를 통해서 통신이 가능하다.
3uW의 전력을 소비한다. 1.67uAmm-2mM-1의 센시티비티를 달성했다. 칩 면적은 0.5mm2이고 외부 소자가 전혀 필요하지 않다.
침습이 필요하지 않기 때문에 매우 효과적인 방법이지만, 무선 전력 공급을 위해선 전력 송신기가 매우 가까이에 존재해야 하는 단점이 있다.
이 기술과 더불어 앞의 Univ. of Michigan의 침습형 안압측정 칩에서 사용한 solar cell과 Li-베터리를 칩상에 구현한다면 더욱 매력적인 메디컬 디바이스가 구현되지 않을까 한다.
프랑스의 CEA-LETI-MINATEC에선 0.13um CMOS 공정을 기반으로 Terahertz(THz) 이미징을 위한 저가 CMOS imager를 발표하였다.
MOSFET을 bow-tie antenna에 연결시키고, 셀프 믹싱을 통해 라이트 모듈레이션을 위해 사용되는 low-frequency band로 direct-conversion된다.
Imager는 in-pixel low-noise amplifier와 싱글 비디오 아웃풋을 위한 멀티플렉싱 회로 등으로 이루어져 있다.
측정된 결과를 살펴보면 약 90kV/W의 최대 반응을 나타내는데, 이는 기존에 발표된 최고 수준의 12%를 상회한다.
또한, 픽셀은 97uW의 전력을 소모하는데, 이는 기존의 최고 수준인 5.5mW 보다 약 57배 뛰어난 수준이다.
센서 및 에너지 하베스팅 분야에선 총 9개의 논문이 발표되었다. 이 분야는 많은 응용군이 주변 환경을 입력으로 받아들이고 때론 원거리 혹은 접근이 불가능한 위치에 놓여야만 하는 경우가 생기면서 점점 더 중요해지고 있다.
향상된 MEMS 센서들은 매우 정확한 인터페이스 회로들이 필요하다. 또한, 접근이 힘든 지역에 위치한 센서 시스템에선 주변의 환경으로부터 에너지를 harvest 혹은 scavenge하는 것이 필요하다.
이탈리아의 STM에선 3-axis gyroscope drive와 transduction 회로를 발표하였다.
3.2x3.2mm2 3-axis 24um-thick poly-silicon surface micromachined gyro를 CMOS 멀티플렉스 디지털 리드아웃을 통해 센싱한다.
네덜란드의 Delft 대학에선 저전력 thermal wind speed/direction sensor를 발표하였다.
표준 CMOS 공정을 이용해 2-D thermal wind sensor를 구현하였다. 두 개의 2nd-order delta-sigma modulator를 이용해 센서의 flow-dependent heat distribution을 제어하고 양자화한다. 바람의 속도를 4%이내로, 온도를 2도 이내로 측정이 가능하다.
50mW의 전력을 소모한다.
같은 대학에서 precision bridge transducer와 ADC도 발표되었다. 21b의 read-out IC(ROIC)는 40mW의 풀스케일을 갖는다.
다이나믹 엘리먼트 메칭을 이용하여 5ppm의 INL과 1.2ppm/degree의 gain draft를 달성하였다.
또한 multi-stage chopping을 통해 16.2nV/Hz에서 1mHz의 1/f noise corner를 달성하였다. 5V 공급전압에서 270uA의 전류를 소모한다.
University of Idaho에선 imaging array위에 비치는 빛을 이용해 전력을 만들어내는 implantable retinal image sensor를 발표하였다. 7.4fps video capture가 가능하고, 3.5uW의 전력을 소모한다.
10b supply-boosted SAR-ADC와 charge pump circuits은 1.2V에서 14.25uW를 소모한다.
University of Michigan에선 피에조 소자를 이용해 진동에서 전력을 얻는 전력 관리 회로를 발표하였다.
69Hz, 0.3G의 진동으로 15분 이내에 0~1.25V로 reservoir를 충전할 수 있다.
동경대학에선 95mV의 매우 작은 전압에서 외부 클락 없이 0.9V까지 승압 할 수 있는 전원 회로를 발표하였다.
전원 변환 효율은 72%이다. NEC에선 가정 내 기기의 실시간 전류 파형을 센싱 할 수 있는 칩을 발표하였다.
전력 공급이나 소비 전력 모니터링과 그 결과의 송신 기능을 하나의 칩으로 통합하였다. AC 전력선에서 전력을 수집하여 외부 전지를 필요로 하지 않는다.
결론
2011년 2월 샌프란시스코에서 열린 ISSCC는 그 어느 때보다 열기가 뜨거웠다.
최근 2, 3년간 경기 침체의 여파로 학회에 참석하는 인원이 줄어드는 추세였는데, 올해는 다시 예전의 모습과 분위기를 회복해가는 느낌이다.
또한, 새로운 융합 연구에 대한 세션이 점점 늘어나면서 이에 대한 청중들의 갈망이 확연했다.
전자 회로의 가장 기본이 되는 아날로그 회로 설계 기술에서 시작하여 이를 기반으로 한 고속 회로의 설계 및 응용, 디지털 회로 설계 기술을 아날로그 회로 설계 기술과 접목한 믹스 모드 회로 설계 기술, 그리고 RF 회로 기술을 이용한 유무선 통신 회로 기술 등이 기존 학회에서부터 이어져 온 큰 흐름이라면, 요 몇 년 전부터 미약하게 시작해왔던 에너지, 헬스케어, 바이오메디컬 디바이스 관련 분야들은 작년부터 시작해 학회의 큰 테마로 자리 잡았다.
Amplifiers, ADC, DAC 등의 전통적인 회로 설계 기술의 발달이 어떻게 메디컬 디바이스, 바이오센서, 에너지 하베스팅 등의 이머징 기술에 적용되어 기존의 시스템을 개선할 수 있는지를 잘 보여주었고, 앞으로 새로운 디바이스 들은 어떤 형태를 띌 수 있을 것인가에 대한 보다 확실한 비전을 제시해 주었다. (필자의 의견으로는 주변으로부터 에너지를 공급받아 필요한 전력을 만들고, 이를 이용해 센서를 구동하고 정보를 파악하며 이를 무선으로 외부의 기기에 전달하는 휴대형 혹은 침습형 디바이스의 개발이 주류를 이룰 것이라 생각된다.)
인류의 건강과 행복을 위하여 반도체 회로 기술이 적용될 수 있는 분야가 어마어마하게 많고, 또 더 늘어날 것이라는 것이 더욱 분명해졌다.
앞으로 더 많은 의료 관련 서비스들을 나노 반도체 기술을 통해 인류에게 더 가까이 다가갈 수 있게 해 줄 것이다. 인체의 각 부위에 실시간 진단을 위한 칩들이 내장되고, 스마트 폰과 같은 일상 생활용 IT기기를 통해 제어 및 통신을 할 수 있게 될 날들이 정말 멀지 않았음을 새삼 느낄 수 있었다.
앞으로의 ISSCC는 다가올 미래에 인간의 삶을 풍요롭게 해 줄 전자 기기들의 면면을 미리 들여다 볼 수 있는 좋은 기회가 되지 않을까 생각된다.
그리고 미국과 유럽뿐 만 아니라 아시아, 특히 한국에서도 인류의 삶의 질 향상에 도움이 되는 의료 진단 관련 칩 및 시스템이 ISSCC에서 발표되길 바란다.
Reference
Anantha Chandrakasan MIT
-Jan van der Spiegel(University of Pennsylvania), -Bill Bowhill(Intel Corp.), -Chorng-Kuang Wang(National Taiwan University), -Albert Theuwissen(Harvest Imaging/Delft University of Technology)
-Takayuki Kawahara(Hitachi, Ltd.), -Wanda Gass(Texas Instruments Inc.), -Hoi-Jun Yoo(KAIST), -Makoto Ikeda(University of Tokyo),-Bryan Ackland(NoblePeak Vision),
-Quiting Huang(ETH-Zurich), -Laura Fujino(University of Toronto), -Bram Nauta(University of Twente), -Arano Parssinen(Nokia Corporation), -Kenneth C. Smith(University of Toronto)
-Willy Sansen(K.U.Leuven-ESAT MICAS), -James Goodman(Kluless Technologies), -Siva Narendra(Tyfone Inc), -Melissa Widerkehr(Widerkehr and Associates)
-Donhee Ham(Harvard University), -Gyuhyung Cho(KAIST), -Jaeyoon Sim(POSTECH), -Seonghwan Cho(KAIST), -Changsik Yoo(Hanyang Univeristy), -Ohkyung Kwon(Hanyang University)
-Aaron Partridge(SiTime), -Uming Ko(Texas Instruments), -Eric Colinet(CEA-LETI), -Jan Crols(AnSem), -Sam Kavusi(Bosch Research and Technology Center),
-Young-Sun Na(LG Electronics), -Taizo Yamawaki(Renesas Electronics), -Francesco Svelto(Universita degli Studi di Pavia), -Christoph Hagleitner(IBM Research)
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