ISSN 2234-3873 VOL 12-6 2012.07 FOCUSING ISSUE 동반성장의 시금석, 나노융합산업 PD 기술 이슈 ISSUE 1 친환경 난삭재 가공기술 개발동향 ISSUE 2 모바일 기기용 무선충전 기술 및 표준화 동향 ISSUE 3 모바일 CPU 기술 동향 및 산업 전망 ISSUE 4 증강현실과 스마트안경 기술 및 제품 동향 ISSUE 5 터치기반 스마트 단말 UX 기술 ISSUE 6 클라우드 컴퓨팅 보안 기술동향과 산업전망 특집 2013년 산업융합원천기술개발사업 과제기획 추진계획
VOL 12-6 2012.07 KEIT PD ISSUE REPORT ➊ [ FOCUSING ISSUE ] 동반성장의 시금석, 나노융합산업 07 ➋ [ PD 기술 이슈 1 ] 친환경 난삭재 가공기술 개발동향 13 ➌ [ PD 기술 이슈 2 ] 모바일 기기용 무선충전 기술 및 표준화 동향 39 ➍ [ PD 기술 이슈 3 ] 모바일 CPU 기술 동향 및 산업 전망 53 ➎ [ PD 기술 이슈 4 ] 증강현실과 스마트안경 기술 및 제품 동향 91 ➏ [ PD 기술 이슈 5 ] 터치기반 스마트 단말 UX 기술 109 ➐ [ PD 기술 이슈 6 ] 클라우드 컴퓨팅 보안 기술동향과 산업전망 123 ➑ [ 특집 ] 2013년 산업융합원천기술개발사업 과제기획 추진계획 147
VOL 12-6 2012.07 FOCUSING ISSUE 동반성장의 시금석, 나노융합산업 PD 기술 이슈 ISSUE 1 친환경 난삭재 가공기술 개발동향 ISSUE 2 모바일 기기용 무선충전 기술 및 표준화 동향 ISSUE 3 모바일 CPU 기술 동향 및 산업 전망 ISSUE 4 증강현실과 스마트안경 기술 및 제품 동향 ISSUE 5 터치기반 스마트 단말 UX 기술 ISSUE 6 클라우드 컴퓨팅 보안 기술동향과 산업전망 특집 2013년 산업융합원천기술개발사업 과제기획 추진계획
KEIT PD ISSUE REPORT VOL 12-6 FOCUSING ISSUE 동반성장의 시금석, 나노융합산업 / KEIT 나노융합 PD실
의료기기 동반성장의 강국으로 시금석, 도약하는 나노융합산업 대한민국 Focusing Focusing ISSUE ISSUE 동반 시금 성장 의 석 나노, 융합 산업 ｌ저 자ｌ 최영 진 PD /K EIT 나노 융합 PD 실
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 나노융합의 미래 멀리가기 위해 함께 가야 한다! 나노기술하면 혈관을 돌아다니며 질병을 치료하는 나노로봇을 상상하거나, 한때 주부들에게 인기가 높았던 은나노 세탁기 정도를 떠올리기 십상이다. 그러나 우리들이 일상적으로 사용하는 컴퓨터나 스마트폰과 같은 전자기기 속에 나노기술은 이미 깊숙이 들어와 있으며, 점점 더 산업적 영향력을 키워나가고 있다. 08 한국산업기술평가관리원
Focusing ISSUE 동반성장의 시금석, 나노융합산업 현재까지 나노기술은 독립적으로 활용되어 특정 완제품 (set)을 구성하는 경우는 거의 없고, 대부분 완제품을 구성 하고 있는 핵심 부품 혹은 소재의 기본 특성을 강화시키 거나 새로운 기능을 부여하는 데 활용되기 때문에 일반 소비자가 개별 제품 단계에서 나노기술의 흔적을 찾기는 쉽지 않다. 그러나 경쟁이 치열한 글로벌 시장에서 제품 경쟁력 확보를 위해서 나노기술의 적극적 도입은 기업 입장에서 더 이상 선택이 아니고 필수가 되어 가고 있다. 기술경쟁력 세계 4위권 우리나라는 지난 2001년 나노기술종합발전계획을 수립한 이래 나노기술 분야에 대한 범정부적인 투자를 진행해 왔고, 그 결과 기술경쟁력은 세계 4위권으로 평가 받고 있으며, 나노기술 관련 기업 수가 천 개에 육박하고 있는 것으로 보고되고 있다. 그러나 현재 나노기술 관련 기업의 절반 이상이 종업원 50인 미만의 소기업으로, 경쟁력 있는 기술을 보유하고 있음에도 불구하고 단독으로 완제품 제작을 통해 소비자 시장에 진입하는 것이 어려운 실정이다. 한편 완제품 제조업체인 중견 대기업 측면에서 볼 때, 완제품 제조를 위한 다양한 기술적 접근법 전반에 대해 광범위한 연구개발 투자를 하는 것은 투자 위험도가 높기 때문에 필요에 따라 핵심기술에 대한 아웃소싱이 불가피하다. 따라서 나노융합산업분야에서 성공적 시장진출을 위해서는 핵심 나노소재 및 나노가공기술을 보유한 중소기업과 완제품 제조업체인 중견 대기업 간의 협업이 필수적이다. 한국산업기술평가관리원 09
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 그동안 지식경제부에서는 나노분야 산업원천 기술개발사업을 통해 중소 나노전문기업과 완제품 제조업체와의 협업을 촉진하는 연구 개발 프로그램을 적극 추진해왔다. 그 결과로서 나노탄소소재 기반의 투명전극용 전도성 필름 이나, 나노패터닝 장비, 감염질환 진단용 나노 센서, 나노양자점 LED 등에서 가시적인 성과 들이 나타나고 있다. 각 연구개발 과제는 완제품을 타겟으로 대학, 연구소, 중소 나노 전문기업, 완제품 제조 대기업 등이 상호협력 하는 체계로 이루어져 있어, 안정적인 시장 진입이 이루어진다면 완제품 제조업체인 대기업 뿐 아니라 기술개발 참여주체 모두가 과실을 누릴 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 R&D 자금 지원을 통한 중소기업과 대기업 간의 협업촉진은 전체 R&D 자금 규모의 제한으로 인해, 다수에게 확산되지 못하는 한계가 존재한다. 따라서 R&D 자금을 투여하지 않고도 협업을 촉진할 수 있는 새로운 루트가 필요하다. 이러한 새로운 루트 중의 하나는 나노기술 공급자와 수요자를 한자리에 모아서 공급자가 가지고 있는 기술을 소개하고, 수요자가 필요한 기술을 전망하는 기회를 마련하는 것이다. 지난 달 29일 코엑스에서 개최된 나노융합산업 신시장 조기창출을 위한 전략 포럼 은 이를 위한 작은 출발점이 될 것인 바, 동반성장의 성공모델로서 나노 융합산업이 자리매김할 수 있도록 향후에도 산 학 연 관계자들의 많은 관심과 참여 가 있기를 바란다. 기고일자: 서울경제신문(2012. 07. 04) 10 한국산업기술평가관리원
KEIT PD ISSUE REPORT VOL 12-6 PD 기술 이슈 ISSUE 1 친환경 난삭재 가공기술 개발동향 13 - KEIT 산업용기계 PD실 ISSUE 2 모바일 기기용 무선충전 기술 및 표준화 동향 39 - KEIT 차세대 이동통신 PD실 ISSUE 3 모바일 CPU 기술 동향 및 산업 전망 53 - KEIT 시스템반도체 PD실 ISSUE 4 증강현실과 스마트안경 기술 및 제품 동향 91 - KEIT SW PD실 ISSUE 5 터치기반 스마트 단말 UX 기술 109 - KEIT 차세대컴퓨팅 PD실 ISSUE 6 클라우드 컴퓨팅 보안 기술동향과 산업전망 123 - KEIT 지식정보보안실 PD실
친환경 난삭재 가공기술 개발동향 SUMMARY l저자l 김선창 PD / KEIT 산업용기계 PD실 박근석 책임 / KEIT 산업용기계 PD실 이석우 본부장 / 한국생산기술연구원 박경희 선임 / 한국생산기술연구원 목적 최근 항공/우주 및 자동차 등 첨단 주력산업을 중심으로 티타늄 및 복합재료와 같은 초경량 고경도의 난삭 소재의 비중이 급격히 증가함에 따라 난삭재의 고효율 친환경 가공기술 내용을 검토함 주요 동향 유럽, 일본 및 미국 등 선진국에서는 난삭재 및 신소재 가공과 관련된 정부차원의 프로그램을 운용하며 가공 기술 개발에 주력하고 있고, 최근 선진 공구 메이커들은 공구, 소재, 코팅 및 공정 등 난삭재와 관련된 최적의 툴링 솔루션을 개발하여 제공하고 있음 특히, 극저온 가공기술, 극미량 절삭유 가공기술과 레이저 보조 가공기술 등 고효율 환경 친화형 가공기술 개발에 집중 국내에서도 난삭재의 사용이 확대될 전망이나 국내 난삭재 가공기술의 부족으로 난삭재 사용에 어려움을 겪고 있음 일부 국내 대기업과 공구메이커들은 난삭재 가공기술 개발에 노력 중이나 기술력과 연구인력 부족으로 기술 개발에 한계를 느끼고 있음 시사점 및 정책제안 첨단소재의 가공 공정기술에 대한 지원 및 원천 기술 확보 필요 친환경기술 개발로 가공 생산성 확보 및 가공기술의 친환경화 대학 연구기반 확대를 위한 기초연구 프로그램의 병행 추진 공통 기반기술과 연관 산업의 연계 강화
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 1. 난삭재 개요 및 가공기술의 특성 개요 난삭재의 정의 및 적용분야 - 난삭재( 難 削 材 )는 고강성 및 초경량 등 기계적 성질이 우수한 반면, 절삭이 어려운 소재로 분류되는 재료들로 내열성, 내식성 및 내마모성이 우수한 티타늄과 인코넬 등과 같은 신소재부터 알루미늄 합금과 같이 일반적으로 사용하고 있는 소재도 사용 목적에 따라 난삭재*로 분류되기도 함 * 난삭재 종류: 티타늄(Titanium), CGI(Compacted graphite iron), 인코넬(Inconel), 탄소섬유강화플라스틱 (CFRP) 등 [표 1-1] 난삭재의 정의 구분 난삭재 정의 일반적 분류 경도가 크다 인장강도가 크다 열전도율이 낮다 가공경화가 생기기 쉽다 공구재료와 친화성이 높다 광의적 분류 피가공물의 재질 그 자체가 난삭성을 야기하는 특성을 가진 재료(티탄 합금, 초내열 합금, 세라믹스, FRP 등) 피삭성이 불명확한 재료(주로 절삭 데이터가 없는 신소재 등) 최적 가공조건이 다른 두 재료의 동시 가공(금속(Titanium 또는 aluminum)과 복합재료가 결합된 재료) 형상적 구조적으로 절삭 가공이 곤란한 재료 현존하는 설비나 공작기계에서는 실현하기 어려운 고정밀도의 가공 정밀도가 요구되는 것 - 즉, 난삭재는 생산제품의 사용목적, 피삭재의 기계적 및 화학적 성질과 가공방법, 가공에 사용되는 공구 및 공작 기계 등에 의해 결정됨 - 난삭재의 적용분야로는 항공/우주, 자동차 및 바이오분야와 같이 고강성/초경량/고품질의 소재를 요구하는 분야에 주로 사용되고 있으며, 그 비중이 급속히 늘어나고 있는 추세임 - 특히, 항공 및 자동차 산업에서는 연료절감을 위한 고경도 경량소재 사용 비율이 급격히 증가 - 하지만, 이러한 첨단 소재들은 주로 절삭가공이 어려운 고강성 및 고인성 소재로 가공성이 낮은 것이 단점임 각 산업분야에 쓰이는 대표적인 난삭재의 종류로는 항공/우주 산업의 티타늄, 복합재료 및 니켈합금, 자동차 산업의 CGI(Compacted Graphite Iron), 세라믹 및 고경도강 그리고 바이오 산업의 바이오 세라믹 및 코발트 크롬 등이 있음 14 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경 난삭재 가공기술 개발동향 [표 1-2] 난삭재 종류 및 특성 난삭재 종류 티타늄(Ti-6Al-4V 등) 항공/우주, 바이오 복합재료(CFRP* 등) 항공/우주, 자동차 니켈합금(Inconel 등) 항공/우주, 바이오 CGI 자동차 세라믹(SiC 등) 자동차, 바이오 고경도강 자동차, 기계 재료 특성 - 고강도 경량 소재(높은 strength/weight ratio) - 뛰어난 내식성(스테인리스강보다 뛰어나 산이나 알칼리에 거의 침식되지 않음) - 낮은 열전도도: 7.0W/mK(탄소강: 50W/mK) - 낮은 탄성계수: 116GPa - 공구 재료와 높은 친화성 - 높은 인장강도(일반강의 5-10배) - 피로 및 부식이 없음 - 고강도 경량 소재(높은 strength/weight ratio) - Fiber의 파손(fracture) 및 벗겨짐(Delamination) - 철 이상의 고내열성 - 고강도 및 고내식성 - 표면의 열경화 현상 발생(소성변형) - 높은 내구성(durability) - 높은 강성(stiffness) 및 인장강도(tensile strength) (인장강도-일반 강철: 25kg/mm 2, CGI: 45kg/mm 2 ) - 회색주철보다 2배의 피로강성(fatigue strength) - 낮은 가공성 - 높은 내열성 내마모성 - 내식성 전기절연성이 뛰어남 - 신축성이 없고 부서지기 쉬움 - 경도가 높고 인성이 풍부 - 내마모성이 우수 - 낮은 소재제거율 * CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics [그림 1-1] 난삭재의 적용분야 한국산업기술평가관리원 15
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 난삭재 가공기술의 특징 난삭재 가공 시에는 공구마모가 빠르고 절삭온도 및 절삭저항이 크며, 표면조도가 크고 절삭칩이 날에 융착하는 현상이 발생함 - 따라서, 난삭재는 소재에 따라 가공 시의 급격한 소성변형, 절삭공구의 급격한 마모 및 공구와의 화학반응 등 다양한 특성을 고려해야 함 - 예를 들어, 신비의 금속이라 일컫는 티타늄 및 그 합금의 경우 내열성, 내식성 및 내마모성이 우수하고 열전도도와 전기전도도가 다른 금속에 비하여 낮기 때문에 가공 시 공구의 온도가 높아지고 공구의 마모가 빠르게 진행되어 공구파손이 쉽게 발생함 - 황동, 구리, 알루미늄 및 그 합금과 같이 일반적으로 연한금속의 경우에는 가공 시 절삭성이 좋지 않기 때문에 가공 후 표면조도가 커져 정밀가공에 어려움이 많음 [그림 1-2] 절삭가공의 문제 요인 피가공물의 강성 공작기계의 정밀도와 강성 가공 방법 절삭유제 피가공물의 강성 공작기계의 정밀도와 강성 가공 방법 절삭유제 피가공물 유지 상태의 강성 공구 장착 상태의 강성 공구의 강성 팁 브레이커 절삭날 형상 절삭조건 공구재종 피가공물 유지 상태의 강성 공구 장착 상태의 강성 난삭성을 일으키는 재료특성 공구의 강성 팁 브레이커 절삭날 형상 절삭조건 공구재종 일반재료의 경우 난삭재의 경우 [표 1-3] 일반재와 난삭재의 공구수명 비교 피삭재 공구재종 절삭속도 (m/min) 절삭조건 절삭유재 공구 수명 시간 유 무 (min) 절삭 (mm) 이송 (mm/rev) 공구 수명 까지의 칩 제거량 (cm 3 ) 공구 수명 까지의 절삭거리 (km) SCM440 UC6010 250 1.5 0.30 - ㅇ 43.0 4.838 10.75 SNCM439 U610 180 1.5 0.30 - ㅇ 51.0 4.131 9.18 일반재 S45C NX33 200 1.5 0.28 - ㅇ 58.0 4.872 11.60 S38C NX33 250 1.5 0.28 - ㅇ 47.0 4.935 11.75 FC3000 U410 200 1.5 0.30 - ㅇ 62.0 5.580 12.40 16 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경 난삭재 가공기술 개발동향 피삭재 공구재종 절삭속도 (m/min) 절삭조건 절삭유재 공구 수명 절삭 이송 시간 유 무 (mm) (mm/rev) (min) 공구 수명 까지의 칩 제거량 (cm 3 ) 공구 수명 까지의 절삭거리 (km) Stellite No.12 HTi10 20 2.5 0.10 ㅇ - 6.0 30 0.12 Waspaloy HTi10 25 1.0 0.10 ㅇ - 14.0 35 0.35 Hasteolloy B-2 UTi20T 16 1.0 0.15 ㅇ - 7.5 18 0.12 난삭재 Inconel 718 HTi10 30 2.0 0.20 ㅇ - 18.0 216 0.54 Inconel 713C HTi10 15 1.0 0.10 ㅇ - 8.5 13 0.13 Hastelloy C-276 HTi10 25 1.5 0.10 ㅇ - 11.0 54 0.28 Inconel 600 UP10H 40 2.0 0.15 ㅇ - 6.0 72 0.24 난삭성의 평가 - 공구 손상 시점에서 적용할 수 있는 가공조건의 범위 및 공구 수명과의 관계를 정성적으로 나타낸 난삭재 피라미드*를 이용하여 난삭성을 평가 * 각종 난삭재 중에서 가장 절삭 가공이 곤란하다고 생각되는 것을 정점으로 하고 비교적 절삭 가공이 쉽다고 생각되는 것을 밑변으로 놓고 그린 도식도 [그림 1-3] 난삭재 피라미드 Machinability Bad Good Ceramics(AI2O3, Si3N4, etc) Tungsten carbide Hardened material(hss, Quenching) Heat resistance super alloy(ni-, Co-, Fe-based) Ti-alloy, Ni-based alloy for anti corrosion Composite materials(frm, FRP) Machinable Ceramics, HSS(-30HRC) Stainless steel, High Mn Alloy Dies steel, Maraging steels(-30hrc) High Si Al-alloy Fe-system sintered hard metal Bainite ductile cast iron Ductile castiron General material Wide Applicable area Narrow Short Tool life Long 한국산업기술평가관리원 17
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 [그림 1-4] 난삭재의 낮은 가공성(Machinability) Machinability(Machined Weight per Cutting Edge) Machinability Scale 02 Unalloyed steel<180hbn, 1010 Grey Cast Iron SAE J431 Aluminum, 16%, 60601 T6 Stainless steel 316 Alloyed steel 300HBN, 4340 High Temperature alloys iron base 2.81 17.01 15.04 12.44 11.49 9.19 250% 200% 150% 100% steel<180hbn 213% High Temperature alloys, nickel base High Temperature alloys, titanium base 2.26 1.95 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 50% 0% 20% High Temperature alloys, titanium base Aluminum, 16% 60601 T6. 2. 친환경 난삭재 가공기술 친환경 가공기술의 개요 친환경 가공기술은 기존 절삭 가공공정에서 과다한 절삭유 사용으로 인한 가공비용 및 에너지소모 증가, 환경오염 및 낮은 효율성 등의 문제를 개선하기위해 절삭유를 최소화하거나 절삭유를 사용하지 않으면서 가공효율을 높이는 가공기술 - 특히, 난삭재 가공 시 발생하는 높은 가공온도는 공구의 마모와 소재의 표면품질을 저하시키는 주요 원인이 되기 때문에, 이 온도를 낮추기 위해 주로 절삭유(cutting fluids)를 사용하고 있음 - 그러나, 이러한 절삭유의 사용에 따른 악취, 연기 및 박테리아 등은 작업자의 건강을 위협하는 요인이 되고 있고, 절삭유의 폐기에 따른 환경오염의 원인이 되고 있음 - 따라서, 기존의 절삭유 가공방식을 탈피한 고효율 친환경 가공을 위한 가공기술개발이 필요하게 되었으며, 이와 관련된 활발한 연구가 진행 중임 [그림 1-5] 가공공정의 친환경화 (Flood Cooling) (Dry/Near dry maching) 18 한국산업기술평가관리원
Buy Wt. 250,000#'s Buy Wt. 250,000#'s @.16(lbs/in 3 ) Density @.16(lbs/ in 3 ) Density @ MRR of 7(in 3 /min) @ MRR of 13.3(in 3 /min) @ 80% Utilization @ 80% Utilization ISSUE 1 친환경 난삭재 가공기술 개발동향 친환경 가공기술개발로는 건식가공 또는 극소량의 절삭유를 사용하는 친환경가공기술관련 개발과 친환경 가공을 위한 공구개발로 나눌 수 있음 - 친환경 가공기술로는 액체질소(-196 C)를 사용하는 극저온 가공기술, 레이저 보조가공(Laser assisted machining) 기술, 극소량윤활(Minimum Quantity Lubrication)가공기술 등이 있음 - 공구개발은 공구의 소재개발, 마찰계수가 작거나 윤활기능이 있는 코팅개발 등이 있음 친환경 난삭재 가공기술 개발의 필요성 국내의 경우 난삭재 가공과 관련된 원천기술 부족으로 신규 시장 진입에 어려움을 겪고 있음 - 에너지 저감과 그린 운송수단의 요구로 고경도 경량소재의 사용량이 급격히 증가 - 그러나 난삭재의 가공(공구, 소재, 공정기술)을 위한 원천기술 부족으로 고경도 소재의 사용이 제한적이고 신공정 개발이 어려움 - 특히, 항공/우주 등 첨단산업용 고부가가치 부품시장 진입이 어려움 기계가공기술은 대표적 기술 집약 산업으로 관련 산업으로의 파급효과가 큼 - 기계가공기술은 공작기계와 절삭공구의 바탕위에 가공 공정기술을 통해서 그 효과가 극대화됨 - 공작기계와 절삭공구는 첨단 장비 및 소재 산업에까지 영향을 미칠 수 있음 - 기계가공 공정기술 발전은 공작기계와 절삭공구의 첨단화를 견인함 기계가공부품 기술투자 미비에 따른 주력산업 경쟁력 저하 우려 - 기계가공 분야는 연관 산업에 근간이 되는 기반 기술임 - 최근 가공공정 원천기술 개발을 위한 투자 미비로 관련분야 인력 부족 심화 [그림 1-6] 친환경 난삭재 가공기술의 비전 주력산업 및 첨단산업 자동차/ 조선 항공/우주 기계/ 에너지 신소재/난삭재 사용 요구 생산성 향상 친환경 난삭재 가공기술 개발 제조현장 친환경 化 Titanium Machining Model Ti-6AI-4V 900 Ft 3 Titanium Machining Model #2 Ti-6AI-4V 900 Ft 3 3,160 Hrs of Required Machining Boeing 787 Dreamliner Fly Wt. 80,000#'s (Hypothetical) 1,660 Hrs of Required Machining Min. of "in-cut Time" MAG Croy w/mql(prelim.) MAG Cryo Cutting Oil MAG CRYOGENIC MACHINING SPEED AND TOOL LIFE IMPROVEMENT 100 10 1 0.1 100 1000 10000 MQL가공 극저온 가공 건식 가공 (하드터닝) 제조현장 친환경 化 "More" Speed M/min. "Faster" 친환경 가공기술 한국산업기술평가관리원 19
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 친환경 가공기술의 소개 극저온가공(cryogenic machining)기술 - 극저온 가공은 액체질소(Liquid nitrogen)의 낮은 비등점(-198 )을 이용하여 절삭가공 부위에 발생하는 열을 냉각시키는 친환경 가공 방법(무색, 무취, 무독성, CO2가스 배출 없음) - 극저온 가공법은 터닝, 밀링, 연삭 등 다양한 공정에 적용 가능하며, BUE(Built-Up Edge) 형성 억제, 표면조도 향상, 공구수명 및 소재제거율(Material Removal Rate(MRR)) 향상에 효과적 [그림 1-7] 극저온 가공시스템 MQL(Minimum Quantity Lubrication, 최소윤활)가공 - MQL 가공은 기존의 습식가공에 비해 극미량(1-100ml/min이하)의 윤활유를 압축공기와 혼합하여 절삭 부위에 미스트(mist) 형태로 분사하는 윤활가공 방법으로 가공비용을 낮출 수 있고, 공구 수명을 늘릴 수 있음 - MQL 가공의 오일 미스트는 공구와 소재 및 칩과의 마찰부위에 침투하여 마찰력을 줄이는 동시에 고압의 압축공기로 칩 배출을 용이하게 할 수 있음 - 또한, 무해한 식물성 절삭유를 사용하고 폐기물이 발생하지 않기 때문에 대표적인 환경친화적인 가공기술 중 하나임 [그림 1-8] MQL 가공 20 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경 난삭재 가공기술 개발동향 LAM(Laser-Assisted Machining, 레이저예열가공)&PAM(Plasma-Assisted Machining, 플라즈마 보조가공) - LAM은 기계적 가공 시 레이저 빔으로 가공물의 절삭부위를 순간적으로 가열함으로써 세라믹 복합/혼합 재료와 같은 취성재료를 연화시켜 취성파괴를 억제하고 소성변형에 의한 절삭가공이 이루어지도록 하는 가공법임 - PAM은 아크방전 플라즈마를 대기 중에 젯모양으로 분출 시 생성되는 고온, 고속의 에너지로 재료의 절삭을 도와주는 가공법으로 반도체 제조, 합성재료, 용접, 고분자, 방식코팅(anti-corrosion coatings), 공작기계, 금속공학, 전기 및 전기 장치, 유해물질 제거 및 고성능 세라믹스 등의 가공에도 응용되고 있음 [그림 1-9] LAM 및 PAM 친환경 가공을 위한 공구 개발 新 공구 개발(건식가공) - 가공 시 발생하는 높은 온도로 인해 물리적, 화학적 작용으로 공구 부착(BUE 또는 adhesion)과 공구 마모가 급격히 진행되는 현상을 방지하기 위해 신소재 코팅 1), 최적 공구형상 2) 및 윤활가공용 공구 3) 개발이 진행 중임(건식가공 시) 1) 신소재 코팅: 자가윤활형 코팅, 나노복합소재 코팅 등 2) 최적 공구형상: 공구 인선, 칩브레이커, 표면 패턴 등 3) 윤활가공용 공구: MQL용 인서트, 극저온 가공용 밀링 커터 등 [그림 1-10] 난삭재 가공용 공구 Micro Picture of Nye-Tef* PTFE Composite Coating Co-Deposited PTFE Particles Electroless Nickel Matrix Base Substrate 한국산업기술평가관리원 21
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 난삭재 가공용 공구 [표 1-4] 난삭재 가공용 공구의 특징 공구종류 공구특징 가공대상 초경합금 주로 K10 종의 초경합금을 이용한 공구제조 티타늄 합금 등 코팅초경합금 초경합금 공구에 물리증착 법인 PVD(Physical Vapor Deposition), 화학증착 법인 CVD(Chemical Vapor Deposition), DLC(diamond likecarbon) 등의 방법으로 코팅 티타늄 합금, 스테인리스강 세라믹스 알루미나계 세라믹스를 소결로 공구 제조 내열합금 초고압 소결체 CBN * 및 다이아몬드 등의 소결로 공구 제조 알루미늄 합금, 티타늄 합금 등 * CBN: Cubic Boron Nitride, 입방정 질화 붕소 [그림 1-11] 가공조건에 따른 절삭공구 절 삭 속 도 (내 마 모 성 ) Diamond(HV8000-9000) Ceramic Ceramet CBN Coated 초경 초경 합금(HV1300-1600) 초 미립 합금 이송(인성) 3. 국내 외 난삭재 가공기술 현황 국내 외 난삭재 가공기술 현황 난삭재의 가공기술과 관련된 기술개발은 크게 공작기계, 공구 및 新 가공기술로 나누어 생각할 수 있음 - 공작기계의 경우 독일과 일본을 중심으로 고성능 난삭재 가공을 위한 공작기계 개발을 주도하고 있는 반면, 국내에서는 아직까지 연구개발 실적이 미흡 - 난삭재 가공을 위한 공구개발의 경우 미국, 스위스 및 일본을 중심으로 공구의 코팅 및 형상개발위주의 개발을 진행하고 있으며, 국내에서도 일부기업을 중심으로 연구가 진행 중 22 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경 난삭재 가공기술 개발동향 - 초음파, 레이저 등을 이용한 新 가공기술은 대만과 호주, 독일을 중심으로 연구가 진행되고 있고, 국내의 경우 일부 대학과 연구소에서 연구가 진행 중 [표 1-5] 국내 외 난삭재 가공기술 현황 기술명 개발 내용 연구기관 공작기계 고성능 난삭재 가공을 위한 공작기계 개발 국외 (독) MAG (일) Makino (일) Mazak (독/일) DMG/MoriSeiki 외 다수 국내 - 공구 개발(코팅 및 형상) 국외 (미) Kennametal Inc. (미) Seco Tools (스) Sandvik Coromant Co (일) 미쯔비시 (일) 쓰미모토 외 다수 공구개발 국내 대구텍, 한국야금, YG -1, OSG 가공특성 연구 국외 (미) Michigan State Univ. (독) Franunhofer CCL (미) Newtech Ceramics 국내 UNIST, 서울대, 성균관대, KAIST, 현대자동차 외 다수 新 가공기술 초음파, 레이저 등 하이브리드 가공기술 국외 (대) 싱가포르 국립대 (대) SIM -Tech. (호) Industrial Laser Application Lab. (독) Franunhofer IPT 국내 한국생산기술연구원, 기계연구원, 국민대, 삼척대, 창원대 난삭재에 따른 국내 외 기술수준 국내 외 기술 수준 분석 - 난삭재의 가공기술과 관련해서 국내에서는 주로 대기업을 중심으로 한 범용공작기계개발에 집중하고 있음 - 반면, 선진국에서는 공작기계, 공구 및 新 가공공정 모든 분야에서 앞서가고 있는 실정임 - 또한, 난삭재 가공은 난삭재의 종류에 따라 공구나 가공기술이 달라지므로 난삭재의 특성에 맞는 가공기술개발이 필요 한국산업기술평가관리원 23
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 [그림 1-12] 국내 외 기술수준 분석 기술분야(선도국) 선진국 동향 국내기술수준 공작기계 - 고강력/고출력 주축 설계 제작 기술 확보 - 고강성 구조 적용으로 고능률 가공에 대응 - 대기업은 범용 공작기계에 초점 (최근 복합가공기에 집중) - 중소기업은 전용기 개발 중심으로 고강성 확보 기술 미보유 공구 - 소재 특성을 고려한 공구형상 적용 - 공구마모 저감을 위한 특수 코팅 개발 및 시범 적용 - 주요 업체는 외국 본사의 기술 도입 - 수요업체의 국산화 요구에 대응하는 수준(선도기술 개발 미비) 가공공정(신공정) - 극저온 가공으로 가공 생산성 향상 (공구마모, 가공속도) - 공구마모 메커니즘 규명 연구 수행 중 - 수요업체와의 공동 연구 진행 - 난삭재에 특화된 연구 인프라 열악 - 연구실 수준에서 MQL 및 하드 터닝 연구 수행 중 티타늄(Titanium) 가공기술 현황 - 티타늄의 절삭가공에서 제일 큰 문제점은 낮은 열전도도로 인한 높은 가공온도와 공구에 절삭칩 부착이 심해 마모가 빠르게 진행되고 공구 파손이 쉽게 일어나는 것으로 알려져 있음 - 티타늄 절삭가공은 Ti-6Al-4V에만 집중되어있고 단순히 실험에 의한 결과만 기록 되어 있음 Fracture [그림 1-13] 티타늄 가공 시 공구마모 [Drill Fracture] [Drill Wear] [Drill Crater] - 티타늄 가공을 위한 절삭공구는 대부분 비철계열 초경(Non-steel grade Carbide)과 다결정질의 다이아몬드 (Polycrystalline Diamond, PCD)가 쓰이는데, PCD는 마모측면에서 카바이드보다 확실히 좋지만 부서지기 쉽고 매우 고가여서 한정된 범위 내에서만 사용되고 있음 - 따라서, 대부분 산업현장에서는 카바이드를 사용하는데 실험결과에 의하면 코팅된 카바이드는 코팅이 쉽게 벗겨져 실제로 비용측면에서 코팅이 안 된 카바이드가 사용되고 있지만, 최근 다이아몬드 코팅기술 개발에 힘입어 다이아몬드 코팅된 카바이드 사용 비중이 늘어남 24 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경 난삭재 가공기술 개발동향 - 미국 등 선진국에서는 공구의 마모메커니즘에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 중요 마모메커니즘 으로는 공구입자가 가공 칩으로의 용해/확산(dissolution-diffusion)에 의한 마모 또는 마찰에 의한 마멸 (attrition) 등으로 확인되었으며 이에 따라 새로운 공구 코팅 개발이 진행되고 있음(나노복합 코팅, BAM 코팅 등) - 또한, CBN(Cubic Boron Nitride, 입방정 질화 붕소)와 TiB2(티타늄 디보라이드) 코팅이 티타늄 절삭에 있어 용해/확산에 강한 것으로 알려짐 - 국내에서는 대구텍, 한국야금 등 공구회사를 중심으로 난삭재용 신소재 코팅을 개발하여 출시 중임 복합재료 가공기술 현황 - 복합재료의 절삭가공은 보통 드릴링이나 끝단 트리밍(edge trimming)이 많이 쓰이나 터닝과 밀링도 사용되고 항공 분야에서는 주로 드릴링 공정이 사용됨 - 드릴링에는 소재의 층분리(delamination), 표면조도 악화, 마찰 마모가 많이 발생함 - 복합재료 절삭가공에서는 공구가 파이버(fiber)를 자르므로 공구의 기하적인 특성이 매우 중요하며 특히, 끝단 반경은 공구의 성능을 결정하는 매우 중요한 기하특성임(stagger drill, core drill, step drill, candle stick drill) [그림 1-14] 복합재료 가공용 드릴 공구 - 미국 Pre-corp의 Vein-drill과 같은 초고가 드릴이 있지만 주로 카바이드가 쓰임(straight carbide가 steelgrade보다 좋음) - 기존의 복합재료 가공에서 공구코팅(TiN-과 DLC)은 공구수명에 도움이 안 되는 것으로 알려졌으나, 새로 개발된 다이아몬드 코팅은 복합재료 가공에 성공적으로 사용되고 있음 - 다이아몬드 코팅 드릴은 코팅이 안 된 초경드릴과 강도가 CBN만큼 좋은 AlMgB14(or BAM) 코팅 드릴보다 훨씬 성능이 뛰어나다고 증명되었음 한국산업기술평가관리원 25
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 [그림 1-15] CFRP 가공 Cutting Speed Tool Tool Laminate: 45 o Friable ribbon Cutting Speed Crack Laminate: 90 o [CFRP laminate] Laminate 45 [CFRP Chip formation] Laminate 90 CGI(compacted graphite iron) - CGI는 경량화 및 내수성 향상을 도모할 수 있지만 가공 속도를 고속화 할 수 없는 단점 때문에 Gray iron에 비해 가공시간이 약 3배 정도임 - CBN, 세라믹 및 다른 공구들은 미세조직 및 황성분의 부족으로 인해서 CGI 가공이 어려움 - 따라서, 일본의 Makino와 스웨덴의 Sandvik Coromet가 CGI 가공 생산성을 높이기 위한 연구를 수행 중이고, 특히 스웨덴의 Sandvik Coromet 사의 경우, CGI 가공 시 공구의 수명을 늘리기 위한 코팅 기술에 관해서 특허를 출원함 * 예) Face milling-rough 가공 시(가공조건: Vc=200m/min, Fz=0.20mm/rev, Ap=4mm) 기존의 Sandvik GC 4020 공구보다 수명을 695 874로 향상시킴 - 일본, 유럽의 공구, 공작기계, 자동차 부품업체를 중심으로 CGI의 가공 생산성을 높이기 위한 연구를 진행하고 있지만 기존 회주철에 비해서는 생산성이 떨어지는 편임 * Cutting speed(carbide 공구: 150m/min이상)가 높아질수록 gray iron에 비해서 생산성이 현저히 감소하는 경향성 있음 - 국내의 경우, 아직까지는 CGI 가공에 대한 연구는 미진한 편이지만 현대자동차에서 일부 CGI 가공특성에 관한 연구가 진행됨 [그림 1-16] 가공 소재/속도별 가공거리에 대한 차이 Cutting length[km] 40 35 25 20 15 10 5 Grey Alloyed grey CGI(70-80%P) 0 PCBN BNX 10 800 m/min PCBN BNX 10 400 m/min Carbide KC 9120 250 m/min Carbide KC 9120 150 m/min Cutting material, cutting speed[m/min] 26 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경 난삭재 가공기술 개발동향 니켈합금 가공기술 현황 - 니켈합금의 가공 시 발생하는 큰 문제점은 큰 발열, 공구파단 및 공구 홀더의 강성 부족으로 알려져 있음 - 특히, 니켈합금은 가공 시 표면의 열경화 현상이 발생하며 첫 가공면 이후로는 공구와 시편 모두에 소성변형을 일으켜 가공 품질의 문제점을 야기 - 니켈합금 중 주로 Inconel/Waspalloy/Rene/Nimonic/Hastelloy의 밀링, 드릴링 및 그라인딩에 관한 기술개발이 주로 진행되고 있고, 레이저, 방전가공(Electric Discharge Machining(EDM)) 및 전해가공 (Electro-chemical Machining(ECM)) 등의 비전통적 가공 방식과 초음파를 이용한 하이브리드 가공에 관한 연구도 함께 진행 중임 - 기존의 코팅이 안된 초경공구의 단점(빠른 공구마모, BUE, 낮은 가공속도)을 극복하기 위해 티타늄질화물(TiN), 알루미나(Al2O3), 티타늄알루미나질화물(TiAlN), 티타늄질화물/티투늄카바이드(TiN/TiC)와 같은 코팅을 주로 사용하였으나, 현재 높은 내산화성, 고온경도 및 높은 표면윤활성을 가진 신재종의 공구 코팅(PVD)이 개발되고 있음 - 국내의 경우 한국야금에서 니켈합금 및 스테인리스 강 등의 다양한 난삭재 각각에 적합한 공구 상용화 - 부산대 나노과학기술대학, 정밀정형 및 금형가공 연구소에서는 초고속 스핀들을 적용하여 니켈-크롬 합금의 밀링가공 특성 평가를 수행 고경도강 가공기술 현황 - 일본 및 유럽의 경우 고경도강 가공 기술에 대해서 전통적으로 강점을 가지고 있으며, 특히 독일은 Fraunhofer 연구소를 중심으로 미세입자 알루미나 공구(submicrometer Al2O3/Ti(C, O) cutting tool)를 개발하여 고경도강 (경도(HRc)=60) 가공에 적용하였음 * cutting force 및 공구 마모 감소, 가공 표면 조도 향상 - 미국 Makino 사의 경우는 가공 공정의 최적화를 통해서 일반적인 하드 밀링 공정 시간을 50%-67%까지 절감 시켰음 * 예) Rc=60인 harden steel 하드 밀링 가공 경우에 표면조도 7µm Ra 달성했음 [그림 1-17] Submicrometer Al2O3/Ti(C, O) 공구 수명 Cutting edge displacement [µm] 70 60 50 40 30 20 10 0 hardened steel HRC = 57-60 v = 220 m/min f = 0.1 mm/rev r = 1.2 mm a = 0.2 mm r = 45 comm. AI2O3/Ti(C, N) SH1 SH2 sub - µm AI2O3 AC41 AT60A sub - µm AI2O3/Ti(C, N) 0 5 10 15 20 25 30 35 Cutting time[min] 한국산업기술평가관리원 27
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 - 현재 산업계에서 고경도강 가공에 가장 많이 채용되는 공정은 연삭이지만 상대적으로 높은 가공비와 환경적으로 좋지 않은 쿨링액을 많이 요구함에 따라서 상대적으로 생산성이 높고 건식 가공으로 친환경적인 하드 터닝 공정에 대한 연구가 2000년대 초부터 활발히 이루어지고 있음 - 하드 터닝의 경우에는 지금까지 많은 연구가 진행되어 왔으며 그 동안의 연구를 종합해보면 HRC45-60 고경도 소재의 건식 가공 시 최적 공정 조건 하에서 200-300nm 표면 조도를 달성할 수 있는 것으로 문헌에 보고되고 있음 - 국내의 경우 한국 야금 및 대구텍을 중심으로 연구를 진행하고 있으며, 크게 공구 코팅 기술을 적용하여 공구의 수명을 증대시키는 연구를 진행함 - 부산대, UNIST 등 국내 대학에서는 코팅과 압축 냉각공기를 이용한 하드터닝 연구를 진행하고 있음 세라믹 가공기술 현황 - 세라믹은 경도가 높은 취성재료로 표면의 결함이나 크랙을 방지하기 위해서 주로 다이아몬드 가공과 연삭으로 소재를 가공함 - 특히, 자동차 부품 세라믹 재료인 밸브 시트링을 가공하기 위해서 주로 PCD 툴을 사용하고 초경은 낮은 생산성 때문에 사용하지 못함 - 세라믹 가공 공정의 낮은 소재제거율과 짧은 공구 수명의 단점을 보완하기 위해 초음파 보조 가공(ultrasonic assisted machining(uam)) 또는 레이저 보조 가공(Laser assisted machining(lam))에 대한 연구가 활발히 진행되고 있음 - 국내에서는 대학과 연구기관을 중심으로 하이브리드 가공(UAM, LAM) 기술이 개발 중임 국내 외 친환경 가공기술 현황 친환경 가공기술은 주로 극저온가공, 레이저보조가공, 최소윤활가공(MQL) 및 하드터닝 위주로 개발되고 있고, 친환경 가공을 위한 공구개발이 같이 이루어지고 있음 - 응용분야로는 항공, 바이오 및 자동차 등 산업 전반에 걸쳐 있음 [표 1-6] 친환경 가공기술 개발 현황 친환경 가공기술 국내 외 개발현황 극저온 가공 국외 (독) MAG, (영) Bath Univ., (미) U.of Massachusetts, (슬) U. of Ljubljana 국내 - 레이저 보조가공 국외 국내 (미) Purdue Univ., Western Michigan Univ. (호) Swinburne Univ. of Tech. 창원대, 한국해양대, 국민대, 기계연구원 28 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경 난삭재 가공기술 개발동향 친환경 가공기술 국내 외 개발현황 MQL 하드터닝 친환경 공구 국외 국내 국외 국내 국외 국내 (미) MSU.&Georgia Tech.&U of Mich. (미) UNIST, (미) Kennemetal, (스) Sandvik 성균관대(대학), (주)윈앤텍코리아, (주)우남산업 (독) Fraunhofer, Achen, (미) Makino, Georgia Tech., UNIST, 포항공대, 대구텍, 한국야금 (미) Kennemetal, (스) Sandvik, (일) 쓰미모토 외 다수 대구텍, 한국야금, YG-1 [그림 1-18] 친환경 가공기술 적용분야 Aircraft parts Hip joint 항공, 바이오 Bearing Engine blocks Mold 자동차, 금형 Titanium 자동차, 조선 Brake rotors Harden steel 친환경 가공기술 CGI Ceramics Nickel alloy Valve ring 자동차, 바이오 항공, 자동차 Impeller Implant Airplane skin 극저온 가공기술 - 초저온 냉각방식은 연삭가공, 구멍가공 및 밀링가공에도 일부 적용하고 있지만, 아직은 대부분 선삭공정에 집중 하고 있음 한국산업기술평가관리원 29
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 - 선삭공정과 반대로 간헐적인 밀링작업에 초저온 냉각(cryogenic cooling)을 적용할 경우 절삭공구에 열 균열(thermal cracks)이 발생하기 때문에 실용화에 어려움을 겪고 있지만 고속도강 절삭공구로 합금강을 밀링 가공할 경우 초저온 냉각방식이 건식가공(dry cutting)방식보다 10배 이상 공구 수명이 길어지는 장점이 있음 - 극저온 가공법은 일반 습식 공정과 고압 제트 공기압 가공법(high pressure jet air machining)에 비해 매우 단순하고 CO2, water use, 폐기물 등을 생성하지 않는 친환경 가공법임 - 특히, 독일의 MAG사는 세계 최초로 극저온 가공기를 출시하며 세계 시장을 선도하고 있음 * MAG사는 현재 난삭재 가공용 공작기계를 상용화하였고 2013년부터 B787 동체(복합재료)를 가공하기 위한 6 축가공기를 출시할 예정(MQC: Minimum Quantity Cryogenic) [그림 1-19] 가공시스템의 비교(일반, HPJAM, 극저온) 30 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경 난삭재 가공기술 개발동향 [그림 1-20] 복합재료 가공을 위한 극저온 가공시스템 [그림 1-21] 극저온 가공법의 특징 절삭유의 기능 변화 : 윤활 > 냉각 공구수명 증가 및 가공속도 향상 신공정기술 필요 : CGI의 경우 PCD+Cryogenic이 보다 효과적임 부가효과 : Safety, Eco-friendly(no contamination, low energy) 10 0.24 L/min of Liquid Nitrogen(ICS) Phase I Phase II LN2 Cryo Cooling System Flood Cooling Tool Lite(min) 1 10X Improvement 5X Improvement 15 L/min Flood Coolant Tool Lite (min)at VBB = 0.3mm 1000 100 d= 1mm Feed = 0.38min/rev Material = 416 SS Tool Insert = SPG422 0.04 L/min of Liquid Nitrogen titanium 0.1 200 300 400 500 Surface speed(ft/min) 5 L/min of Symthetic Coolant 10 200 300 400 500 600 700 800 Surface speed(ft/min) MQL(극소량절삭유) 가공 - MQL 가공은 기존의 습식가공에 비해 극미량(1-100ml/min이하)의 윤활유를 압축공기와 혼합하여 절삭 부위에 미스트(mist) 형태로 분사하는 윤활가공 방법으로 가공비용을 낮출 수 있고, 공구 수명을 늘릴 수 있음 - MQL 가공의 오일 미스트는 공구와 소재 및 칩과의 마찰부위에 침투하여 마찰력을 줄이는 동시에 고압의 압축공기로 칩 배출을 용이하게 할 수 있음 - 또한 무해한 식물성 절삭유를 사용하고 폐기물이 발생하지 않기 때문에 환경 친화적인 가공기술임 - 최근 그라핀, 나노튜브, HBN(hexagonal born nitride) 등의 나노 입자를 절삭유와 혼합하여 사용한 나노유체 극미량 절삭유(MQL with nano-particle) 가공 방법도 개발되었음 - MQL 가공의 적용분야로는 스틸재의 금형가공, 절단가공, 오일 구멍가공 등 많은 분야에 적용되고 있다. 난삭 재료에서는 티탄합금이나 인코넬 등에 적용 한국산업기술평가관리원 31
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 [그림 1-22] 그라핀 나노입자 10µm 10nm 10nm [a] SEM image(diameter) [b] TEM image(thickness) LAM(Laser-Assisted Machining, 레이저예열가공) - LAM은 고출력 레이저의 발전과 활용 가능성의 증가에 따라 난삭재 가공에서 크게 주목받고 있으며 연평균 10% 이상의 고성장을 이루고 있는 가운데, LAM은 세계적으로 대부분 선삭공정에 적용되고 있으며, 마이크로 엔드밀에 일부 적용되고 있음 - 캐나다의 Bejjani는 복합재료의 선삭가공에 LAM 기술을 성공적으로 적용하였고 미국 Purdue대학의 Shin은 세라믹과 티타늄 재료를 위한 LAM 공정 연구를 진행하였음 - 국내에서는 기계연구원, 대학(한국해양대, 국민대) 및 (주)아메코와의 공동연구로 레이저 복합가공기를 출시 하였음 [그림 1-23] 레이저 복합가공기 32 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경 난삭재 가공기술 개발동향 하드터닝(Hard Turning) - 미국은 Purdue 대학의 Liu를 중심으로 베어링 회사(Timken), 자동차 회사(GM), 공구회사(Kennametal) 등이 공동으로 하드터닝을 이용하여 슈퍼피니싱을 이루고자 연구를 해서 목표에 근접한 결과를 얻었음 - 독일의 경우 아헨공대 및 베를린 공대 등을 중심으로 하드터닝에 대한 연구가 활발함. 아헨공대의 Klocke 등은 유정압 베어링이용 고정밀 선반으로 0.86μm의 표면조도를 얻었고, 베를린 공대에서는 하드터닝에 있어서 표면품위, 모니터링 등의 연구가 이루어지고 있음 - 일본 자동차 산업계의 경우 Hard Turning을 이용하여 5등급(IT5)의 치수공차를 가지는 기어부품의 연속 생산을 하고 있으며, 4등급(IT4)을 요하는 ABS용과 연료분사 시스템용 부품을 하드터닝으로 가공하고자 연구가 진행되고 있음 - 국내의 경우, 영남대학교, 서울과기대 및 서울대 등을 중심으로 연구가 이루어지고 있으며, 영남대는 고경도강의 단속하드터닝에 적합한 CBN공구를 선정하고, 선정된 공구로 피삭재의 공구마모, 절삭력 및 진동특성을 분석 - 서울과기대는 하드터닝 시 절삭조건이 공작물의 잔류응력에 미치는 영향을 연구 - 서울대는 표면정도에 영향을 미치는 하드터닝 공정에서의 채터 진단에 Wavelet Transform을 이용한 분석이 효과가 있음을 확인 - 두원공과대는 PCD(Polycrystalline diamond), CBN(Cubin Boron Nitride), PCBN(Polycrystalline Cubin Boron Nitride) 등 공구 재종에 의한 공구 마멸 특성 및 절삭 저항 특성을 분석 [그림 1-24] 하드터닝 가공 新 공구 개발 - 미국의 경우, DCDMM(National Center for Defense Manufacturing and Machining), NSF의 I/UCRC (Industry/University Cooperation Research Center) 프로그램 등을 중심으로 티타늄 및 복합재료 가공을 위한 공구 코팅 개발 연구를 진행 중임 한국산업기술평가관리원 33
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 - Sandvik 및 Kennametal 등의 공구 업체는 CoroMill390, CoroDrill 854 등을 지속적으로 출시하며 난삭재 가공을 위한 공구시스템(밀링, 터닝, 드릴링)을 공급 - 국내 난삭재 가공 관련 기술은 대구텍 및 한국야금 등 공구업체 위주로 진행되고 있으나 연구인력과 기술력의 한계로 일부 초경 공구 형상 및 코팅 개발에 머물고 있음 4. 친환경 가공기술의 시장 동향 및 전망 시장 규모 전망 세계시장규모 - 2011년 세계 절삭공구시장은 360억 불로 추정되며 최근 난삭재 및 신소재의 개발로 매년 10%의 성장률을 보이며 2020년 약 850억 불 규모가 될 전망임 - 특히, 난삭재 가공에 적용되는 초경합금 및 다이아몬드 공구는 비중이 전체시장의 약 70% 정도를 차지하는 것으로 분석됨 [그림 1-25] 절삭공구의 세계시장 규모 900 800 700 세계시장규모(억 불) 600 500 400 300 200 100 0 2000 2002 2004 2007 2011 2013 2015 2017 2020 년도 - 또한 항공/우주 및 자동차 등 첨단 분야의 핵심 소재인 티타늄, CFRP, CGI 등의 사용량이 급격히 증가하고 있어 난삭재 시장은 더욱 성장할 전망임 34 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경 난삭재 가공기술 개발동향 [그림 1-26] 난삭재 사용비중 증가 B787 16% Percent Titanium Operating Empty Weight 12% A350 B777 8% A380 B747 4% B747 B757 B737 B727 A300 B767 0% A330 / 340 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 Year of Roll-out Aerospace Application - Expanding Composite Usage Composites ratio in structural aircfaft Weight 60% A320X AIRBUS BOEING Military 50% B787 A350 F-35(JSF) 40% A400M 30% AV-8B F-22 F/A-18E A380 20% A330 B777 F/A-18A A320 A340-600 A310 10% F-16 B767 A300 B747-400 B737-300 0% 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 Airbus A380 550 Passengers EIS 2008 Boeing B787 250 passengers EIS 2010 Main composite parts Main composite parts Mio. Hybrid. EV Flex-Fuel. CNG. LPG Gasoline Gasoline Diesel PFI-only total incl. DI 30 1.3% 1) Compound Annual 25 0.1% 24 Growth Rate 2004-2016 -total by region 21 21 21 20 19 19 2.1% 17 17 16 17 10.8% 13 12 11 13 15 15 13 11 10 10 9 9.7% 5 5 5 2 2 3 2 0 04 08 09 12 16 04 08 09 12 16 04 08 09 12 16 04 08 09 12 16 04 08 09 12 16 North&Latin Europe Japan& Thailand China India CAGR 1) Diesel 4.9% 1.1% 2.1% 11.1% 11.4% 국내시장규모 - 국내 절삭공구 시장은 2.2조 원(2011)이며 꾸준히 시장이 확대되고 있으나 세계 절삭공구시장의 약 4.8%에 불과하며 세계시장 점유율은 3%로 세계 10위권 밖에 머무르고 있음 - 또한 국내 공구업체는 공구 원자재의 해외수입 의존도가 매우 높고 영세하여 주로 초경 엔드밀과 코팅공구에 집중하고 있어 해외 선진국과의 격차가 있음 - 또한, 원천기술 부족으로 글로벌 트렌드에 발빠르게 대응하지 못하고 있음(신소재 및 난삭재 가공기술) 한국산업기술평가관리원 35
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 [그림 1-27] 절삭공구의 국내시장 규모 60000 국내시장규모(억 원) 50000 40000 30000 20000 10000 0 2002 2005 2009 2011 2013 2015 2017 2020 년도 5. 기술개발 발전 방향 및 정책적 시사점 SWOT 분석 및 극복방안 SWOT 분석 [표 1-7] SWOT 분석 Strengths(강점) Weakness(약점) - 자동차산업의 우수한 경쟁력 - 공작기계 산업의 경쟁력 - 열악한 항공/우주산업 경쟁력 (고부가가치 부품 제조기술 부족) - 공구산업의 주요 기술인 소재관련 원천기술 부족 Opportunities(기회) Threats(위협) - 난삭재 부품의 폭발적 증가 - 가공연구 인프라 감소(인력) - 중국의 우월한 기계가공 인프라 (선진기술 도입의 속도차) 난삭재 가공 기술 개발의 취약 원인 및 극복 방안 - 난삭재 가공기술개발이 취약한 이유는 난삭재를 필요로 하는 항공/우주분야의 미성숙에 따른 고부가가치 부품 개발의 요구가 부족한 것이 한 원인 - 또한, 원천기술개발이 아닌 반복적인 시행착오를 통한 절삭공구/공작기계 개발에 따른 원천기술축적 및 활용이 부족하고, 가공공정 부문의 연구인력이 부족한 것도 한 원인 36 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경 난삭재 가공기술 개발동향 - 이의 해결을 위해서는, 항공/우주분야와 같은 최첨단분야에 있어 산 학 연이 연계하여 산업의 수요를 창출하고, 소재, 공정과 같은 원천기술개발에 노력할 필요가 있음 정책적 시사점 정밀 가공 소성 등 기반공정기술, 메카트로닉스 등 기계분야의 공통기반 원천기술 혁신을 위한 진흥전략을 추진 - 주력산업과 신성장산업 분야에서는 소재의 경량화, 고강성화(복합재) 등을 요구하고 있는 바, 이러한 첨단소재의 가공공정기술에 대한 지원 및 원천 기술 확보 필요 - 대외의존도가 높은 핵심 소재 부품 분야를 중심으로 공정기술을 확보하지 못하면 향후 장비도 해외에 의존 하여야 하므로, 공정기술과 장비기술 간 상호 보완이 필요 친환경기술 개발로 가공 생산성 확보 및 가공기술의 친환경화 - 공구수명 및 가공품질의 향상뿐만 아니라 그린 제조 환경의 구축으로 제조 생산성을 확보하여 제조업의 글로벌 경쟁력 키워야 함 대학 연구기반 확대를 위한 기초연구 프로그램의 병행 추진 - 최근의 국가지원 과제는 제품개발에 초점을 맞추고 있어 생산의 근간이 되는 공정 원천기술에 대한 지원이 열악하여, 기업에서 요구하는 공정기술과 관련된 인력의 공급에 차질이 우려 - 직접적인 제품 판매와 직결되지 않지만 다양한 제품, 장비 및 공구 등의 개발 기초가 되는 공정기술의 지속적인 발전 및 원활한 인력 공급을 위하여 연구 및 교육기관을 대상으로 지속적인 지원 필요 - 대학을 통한 인력양성과 더불어 전문가DB 활용 상시 멘토링 시스템, 산업체 기술인력 재교육 등의 프로그램을 통해 교육 R&D 고용 의 긴밀한 양방향적 산 학 연 연계를 강화할 수 있는 방안을 모색 - 기업의 R&D 참여를 위한 산 학 연 공동연구, 기술선진국과의 공동 R&D 및 인력교류 등 Open Innovation 정착 공통 기반기술과 연관 산업의 연계 강화 - 산 학 연 연계 프로그램과 연구 인프라 구축으로 글로벌 경쟁에 공동 대응하여 경쟁력 확보 필요 - 첨단산업에 사용되는 신소재에 대한 공정기술의 지속적 개발 및 데이터 축적 등을 통하여 미래 산업 발전 대비 - 산업별 소재, 공구, 공정 및 품질 관리 기술을 특화하여 제품 개발 지원 한국산업기술평가관리원 37
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 [참고문헌] 1. Transistioning to sustainable production, Franci Pusavec, Peter Krajnik, Janez Kopac, 2010, Journal of Cleaner Production 2. 난삭재에 대한 친환경 절삭가공 기술, 2011년 1월호, Engineering Information 3. 초저온 냉각방식을 적용한 최신 기계가공, 나덕주, 2011년 5월, Machinery Industry 4. 친환경 난삭재 절삭가공기술, 이춘만, 2012, 기계저널 제52권 5. 난삭재와 신소재의 절삭가공기술, 2000년 2월호, Engineering Information 6. 난삭재 가공용 절삭공구, 정현갑, 2007년 4월, Machinery Industry 7. MAG사, www.mag-ias.com 8. Evaluation of Principal wear mechanism of cemented carbides and ceramics used for machining titanium alloys, Dearley&Grearson, 1986, Materials Science and Technology 9. Delamination During Drilling in Composite laminates, Hocheng&Dharan, 1990, Journal of Engineering for Industry 10. Tool Wear in Drilling Composite/titanium stacks using carbide and Polycrystalline diamond Tools, Kim et al., 2011, Wear 11. The Use of PCD Tools for Machining Fiber Reinforce Materials, Klocke&Wurtz, 1998, Preceedings of ECCM-8 12. Use of ultra-hard coatings in drilling CFRP, Wang et al., 2011, Proceedings of NAMRI/SME [국내 외 주요 기술개발 현황] 연구기관명 프로젝트명 개요 연구기간 아메코(주) 레이저 복합가공기 개발 Laser assisted 가공을 위한 CNC 공작기계 개발 2005-2009 프리시전 다이아몬드 건식가공용 정밀 다이아몬드 코팅공구 개발 다이아몬드 코팅공구 개발 2002-2004 (주)우송테크 3차원 형상 나노입자 다이아몬드막 고속합성 및 공구개발 나노입자 다이아몬드 코팅 공구 개발 2002-2005 이화다이아몬드 공업(주) 고기능 다이아몬드 공구 개발 다이아몬드 공구개발 2003-2008 서울대학교 TiC계 밀링용 나노공구 소재 개발 TIC 코팅 밀링 공구 개발 2002-2010 (주)나노테크 난삭재(인코넬) 가공용 공구재료 개발 인코넬 가공용 초경 공구 개발(분말야금) 2009-2012 챔프다디아(주) 요업세라믹기술원 적외선 광학계 렌즈용 난삭재 가공공구개발 난삭재 SiC 세라믹 Glass렌즈 코아의 나노가공 기술 개발 Zirconium 등 난삭재 선삭을 위한 특수공구(연삭) SiC세라믹 경면연삭 기술 개발 2007-2010 2006-2008 38 한국산업기술평가관리원
ISSUE 1 친환경 난삭재 가공기술 개발동향 모바일 기기용 무선충전 기술 및 표준화 동향 SUMMARY l저자l 이현우 PD / KEIT 차세대 이동통신 PD실 박인성 책임 / KEIT 차세대 이동통신 PD실 김근대 책임 / KEIT 차세대 이동통신 PD실 임승옥 센터장 / 전자부품 연구원 무선 충전은 사용자 편의성 대폭 향상 무선 충전 기술은 수십 cm 이내의 거리에서 휴대기기를 충전기 연결 없이 충전하는 것으로 사용자 편의성, 자원 절약 등의 장점으로 시장에 점진적 도입 중 무선 충전 기술의 개발과 표준화가 다각도로 진행 중 무선 기술은 충전 패드와 휴대기기를 밀착해서 사용하며 현재 시장에 제품이 출시되어 있는 유도형 기술과, 수십 cm 정도 떨어져서도 사용할 수 있으나 아직 기술 개발 중인 공진형 기술이 있음 유도형 기술은 WPC라는 국제적 민간단체에서 Qi 라는 규격을 제정하여 제품에 활용 중이나 공진형 기술은 아직 표준화기구 및 포럼에서 초기작업 단계 시사점 무선 충전 기술의 주도권을 잡기 위한 국제적인 산업계의 합종연횡이 활발하고 기업과 연구소의 기술개발 경쟁이 치열하며, 표준화 기구 간에도 협력과 경쟁이 진행 중이므로 어느 때 보다 협력과 조율의 전략이 필요한 시점임 국가적 역량을 모아서 기술개발, 제품개발, 표준화 및 인체영향 분석 등을 집중한다면 새로운 세계 시장을 주도, 선점할 수 있는 계기를 만들 수 있음 한국산업기술평가관리원 39
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 1. 무선 충전 기술의 개요 무선 충전 기술의 정의 무선 충전은 휴대폰 등의 모바일 기기를 전원장치와의 직접 연결 없이 충전할 수 있도록 하는 기술로 크게 유도형과 공진형 으로 구분 - 유도형은 급전기(송신기, Power Transmitter)와 수전기(수신기, Power Receiver)를 밀착 사용하는 방식으로 구조가 간단하나 수 cm 이상 떨어지면 사용이 어려움 - 공진형은 급전기와 수전기가 최대 수 m까지 이격해서 가능하나 구조가 복잡함 무선 충전 기술은 용량에 따라 휴대폰 등의 모바일 기기용의 저출력, TV 등 가전 기기용의 중출력, 전기차 등에 사용되는 대출력 기술로 구분 - 본 글에서는 휴대 기기용인 저출력에 국한하여 기술하나 기본적인 기술의 개념은 중출력 및 대출력도 유사하다고 볼 수 있음 [그림 2-1] 무선 충전 활용 시나리오 2. 무선 충전 기술의 필요성 개인별로 사용하는 정보기기가 증가 하면서 충전에 따른 문제가 대두 휴대전화, PMP, 태블릿, 랩탑 컴퓨터 등 각 기기에 따라 별도로 충전기가 필요 - 휴대폰의 경우 2011년부터 micro USB type으로 국제표준이 정해짐에 따라 최근 신제품은 대부분 이를 따르고 있어 호환성 문제는 줄어 들고 있음 - 그러나 태블릿 등 다수의 기기는 회사별, 종류별로 여전히 별도의 충전기 필요 40 한국산업기술평가관리원
ISSUE 2 모바일 기기용 무선충전 기술 및 표준화 동향 특정 Category 별로 표준화된 무선 충전이 가능하다면 사용자 편의성, 자원의 절약, 미려한 생활환경 등 여러 가지 측면에서 장점이 있음 [그림 2-2] 무선 충전이 가져오는 편리성 사용자 선호 조사에 따르면 무선 충전에 대한 선호도는 월등히 높음 Qualcomm의 조사에 따르면, 원격 충전에 대한 선호도는 95%, 무선 충전에 대한 선호도는 85%, 동시에 여러 기기를 충전하는 방식에 대한 선호도는 81% 에 달함 WPC(Wireless Power Consortium)의 조사에 따르면, 소비자가 원하는 기술의 상위 20% 안에 무선충전 기술이 포함됨 개인용 정보기기 외에도 주방용품, 청소용품, 장난감 등의 가정용 기기 및 내시경, 심박기 등의 의료용 기기에도 무선 전력 기능에 대한 수요가 커지고 있음 [그림 2-3] 휴대기기 충전기술의 진화 과 거 현 재 미 래 유선 충전기 무접점 충전기 자기공진유도 충전기 유선케이블 기반 무접점 자기유도 기반 - 사용자 편의성 제약 - 1:1 충전 접촉 거리 충전 - 사용자 이동성 제약 - 핸드폰, 전동칫솔, 전자캔들 등 근접 거리 원격 충전 한국산업기술평가관리원 41
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 3. 무선 충전 시장 동향 무선 전력 전송기기의 세계 시장은 매년 80% 이상 성장할 것으로 예상 2012년 약 3조 원으로 예상되며, 2016년에는 24조 원 규모로까지 성장 예상 - 현재의 유도형 충전기는 충전기 한 대가 하나의 휴대기기만 충전 할 수 있는 구조이지만 향후 보급될 공진형 충전기에서는 동시에 복수의 휴대 기기를 충전할 수 있게 될 전망이어서 수신기가 송신기보다 3배 이상 많이 팔릴 것으로 예상됨 (단위: 십억 원) 25000 [그림 2-4] 무선 전력 전송 기기 세계시장 예측 무선전력전송 세계시장 20000 15000 80% 10000 5000 0 2012 2013 2014 2015 2016 - 응용기기로는 휴대전화가 대부분이나 태블릿 랩탑 등의 비중도 증가할 것으로 예상되며, 전기차는 수량은 적으나 금액으로는 상대적으로 클 것으로 예상 [그림 2-5] 무선 전력 전송 기기의 응용별 비중 Unit Shipments - Wireless Power Receivers Share of Total Revenues by Application - 2010 to 2020(m) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 2012 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 Other Applications Hearing Aids Power Tools Electric Vehides Small Home Appliances Home Peripherals PC Peripherals Tablets Notebooks/Netbooks Personal Nedia Players Digital Cameras Wireless Headsets Mobile Phones Source : IMS Research 42 한국산업기술평가관리원
ISSUE 2 모바일 기기용 무선충전 기술 및 표준화 동향 - 기술적으로는 현재 유도형이 대세이나 이르면 2014년 전후로 해서 공진형이 유도형을 추월할 것으로 예상 - 시장 조사 기관에 따라서는 2017년 이후에 가서야 공진형이 유도형을 추월할 것으로 예상하는 경우도 있는데, 현재 시장에 보급이 시작된 Qi 규격의 유도형 기기의 단가 인하 여부, 그리고 공진형 기기에서 사용 거리의 확대 여부가 시장전이 시점을 좌우할 변수가 될 것으로 예상 * 현재 공진형 기술로 사용할 수 있는 거리는 적정효울을 전제로 할 때 수십 cm 수준임 [그림 2-6] 무선 전력 전송 기기의 기술방식별 추이 (단위 : 백 만 달러) 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 2009 2010 2011 2012 2013 2014 자기유도제품 자기공진유도제품 전자기파제품 * 출처: "Wireless Charging Eliminates Tangle Cords", isuooli Corp, June 2010, "Cut the Cord: Wireless Charging Systems Analysis and Forecast", In-Stat 2010 4. 무선 충전 기술 동향 자기 유도 방식과 자기 공진 방식의 전력 전달 기술 자기 유도 방식의 무선 전력 전송 기술 - 100여 년 전부터 알려진 전자유도 현상을 적용한 것으로 자속(magnetic flux)의 발생과 집속을 이용하여 에너지를 전달하는 방식 - 전기 칫솔 등 습기가 많은 환경에서 사용하는 기기에서 감전을 방진하기 위해서 오래전부터 사용됨 - 다만 사용 거리가 수 cm 이내로 제한되어 거의 밀착해서 사용하지 않으면 효율을 내기 힘듬 자기 공진 방식의 무선 전력 전송 기술 - 자기 공진 방식 기반의 무선 전력 전송 기술은 2007년 MIT Marin Soljacic 교수팀에서 처음 선보인 기술로 근거리 자기장 내에서 송수신 코일 간의 주파수가 공진할 때 감쇄파 결합에 의하여 에너지가 전달되는 현상을 이용한 기술 한국산업기술평가관리원 43
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 - 자기 유도 무선 전력 전송 기술과 비교하여 원거리에 전력 전송이 가능하며, 공진 송수신 코일의 크기 및 특성에 따라서 수십 cm에서 수 m 의 전력 전송이 가능 - 또한, 송수신 코일의 방향성의 자유도가 매우 높아서 근거리 장 이내에서는 충전기기의 위치에 관계없이 전력 수신이 가능 - 같은 주파수를 갖는 물질에만 전력을 전송하므로 충전 시스템 및 충전기기 사이에 위치한 다른 기기들에 의한 영향이 없음 [그림 2-7] 무선 전력 전송 개념도 * 출처: WiTricity - 공진 주파수가 일치하는 전자기기에 동시에 전력 전송이 가능한 특징이 있어 자기 유도 방식과는 달리 한 개의 송신 코일을 사용하여 다수의 충전기기에 전력 전송이 가능함 [그림 2-8] 복수기기에 대한 무선 전력 전송 개념도 Primary coil Secondary coils * 출처: WiPower - 현재 국내 외 Qualcomm, Intel, Witricity, 전자부품연구원 등 많은 연구기관 및 업체에서 연구 개발을 진행하고 있으며, 송수신 코일의 크기, 공진주파수 연구, 자기장에 의한 인체 안전성 및 EMI/EMC(ElectroMagnetic Interference/ElectroMagnetic Compatibility) 등의 연구 과제가 남아 있음 44 한국산업기술평가관리원
ISSUE 2 모바일 기기용 무선충전 기술 및 표준화 동향 국외 기술 개발 동향 MIT Marin Soljacic 교수팀은 30cm의 반지름을 갖는 송수신 공진 코일을 사용하여 1m, 2m 거리에서 약 70%, 40%의 전력 전송 효율을 갖는 시스템을 개발하여 60W 전력 전송 시연을 보임 [그림 2-9] MIT 에서 제안한 자기 공진 무선 전력 전송 시스템 Light-bulb * 출처: Science Vol 317, July 2007-10MHz 공진주파수를 사용하며 IEEE Standard for safety levels with respect to human exposure to radio frequency electromangetic fields 의 안전성 기준을 따름 미국 WiTricity는 MIT 대학에서 기술이전 및 spinoff를 통하여 설립된 회사로 TV, 노트북 등에 사용되는 중전력 전송 및 전기자동차를 위한 대전력 전송 기술을 연구 중 - CES2010에서 Haier 사와 합작으로 약 30cm 거리에서 Full HD TV 무선 전원 공급 시연을 보임 - 전기자동차용 무선 전력 전송 기술 개발을 위하여 3.3kW 대용량 전송 기술을 연구 중에 있으며 90% 효율을 목표로 하고 있음 [그림 2-10] WiTricity 무선 TV 시연 * 출처: CES2010 Intel은 IDF2008에서 무선 공진 에너지 링크(WREL, wireless resonant energy link) 시스템을 발표하였으며, 약 70cm 거리에 80% 효율을 가지고 60W급 전력 전송을 시연하였음 - 2010년 3feet 거리에서 12W 전력 전송을 사용하여 전원을 공급하는 넷북을 선보였으며 코일을 netbook 덮개에 설치하여 상용화 가능성을 보였음 한국산업기술평가관리원 45
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 [그림 2-11] Intel WREL 기술을 통한 60W 전구 및 넷북 시연 * 출처: Intel seattle Lab Sony사는 자기공진유도 방식을 이용하여 60W급 전력을 50cm 거리에 전송하여 22인치 LCD TV를 구동하는 기술을 시연하였으며 최대 80%의 효율을 보였음 [그림 2-12] SONY의 LCD TV 시연 * 출처: Sony - 송수신 코일 사이에 공진주파수가 일치하는 리피터 코일을 설치하여 최대 80cm에서 같은 전송 효율을 얻는 기술을 선보였음 46 한국산업기술평가관리원
ISSUE 2 모바일 기기용 무선충전 기술 및 표준화 동향 [그림 2-13] 리피터를 통한 거리 연장 리피터 디바이스 없음 리피터 디바이스 있음 급전 효율 80% 급전 효율 80% 50cm 80cm 송전 디바이스 수전 디바이스 송전 디바이스 리피터 디바이스 수전 디바이스 * 출처: sony.net Qualcomm은 CES2009에서 자기공진 무선전력 전송 시스템인 ezone을 선보였으며 충전 매트위에 2개의 기기들을 최대 20cm 거리에서 충전하였음 -다수 충전 기기들의 관리를 위하여 Bluetooth, NFC, Wi-Fi 등의 별도의 통신 프로토콜을 접목하였음 [그림 2-14] Qualcomm의 ezone 서비스 * 출처: Qualcomm 2010년 일본 Fujitsu는 자기 공진 유도 무선 전력 전송 방식 기반의 다수 기기 충전 시스템을 개발하였음. 프로토 타입으로 매트 타입 위에 2개의 휴대폰이 동시에 충전 가능한 데모 시스템 및 3개의 기기에 에너지를 동시에 전송하는 시스템 개발하였음 한국산업기술평가관리원 47
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 [그림 2-15] Fujitsu의 무선 전력 전송 시연 * 출처: Fujitsu 국내 기술 개발 동향 전자부품연구원(KETI)에서는 자기에너지를 이용한 무선 통신을 하는 자기장 통신 기술을 개발 중에 있으며, 이 기술은 자기장을 이용한 에너지를 전송하는 기술에 활용되고 있음 - 전자부품연구원에서는 국내 최초로 박막형의 소형화된 장치로 50cm 떨어진 전자기기에 0.6W의 전력을 전송하는 시스템 개발에 성공하여, 원격 에너지 전송을 이용한 능동적 다중 디바이스 충전 기술 개발의 가능성을 보임 [그림 2-16] 전자부품연구원 박막형 무선전력전송 시스템 * 출처 : 전자부품연구원 - 전자부품연구원에서는 자기공진유도 방식을 이용하여 복수 개의 휴대단말기기에 충전하는 시스템을 개발 중에 있으며, 공진주파수로 100KHz부터 10MHz 대역까지 다양한 시스템 개발을 연구 중임 48 한국산업기술평가관리원
ISSUE 2 모바일 기기용 무선충전 기술 및 표준화 동향 한국전자통신연구원, 한국전기연구원, LG전자, 삼성전자, LG이노텍, 한림포스텍 등 국가 연구기관 및 기업체에서 자기공진 무선전력전송 기술을 연구 중에 있음 - 2010년 삼성전기에서 공진주파수를 이용하는 매트형 무선 충전 시스템을 개발하였으며 삼성전자는 A4WP 결성을 주도하고 공진형 제품 출시 준비 중 - LG 전자는 공진형 연구와 함께 CES 2010에서 유도형 제품 출시했으며 LS 전선도 유도형 제품 출시 - 한림 포스텍, 와이즈 파워 등의 중소 기업들도 유도형 제품 출시 5. 무선 충전 표준 동향 국제 표준화 동향 유동형 기술의 표준화 단체로 2008년 WPC(Wireless Power Consortium)가 결성되어 현재 단체 표준 규격인 Qi Spec. ver. 1.0 발표 - Fulton, Philips, LG 전자 등 100여 개 업체가 회원사로 가입되어 있으며 다양한 제품이 출시 중 ISO/IEC JTC1 산하 SC6에서 무선 충전 및 제어 프로토콜 표준화 중 - 미국, 한국, 일본, 중국 위주로 활동 중이며 무선충전 incubator group 결성 IEC 산하 TC100에서는 무선 충전 관리 방식 표준화 진행 중 - 미국, 한국, 일본, 중국 위주로 활동 중이며 무선충전 TR Project group 결성 표준 단체 간의 협력 기구인 GSC(Global Standard Collaboration)에서는 2011년 무선 충전을 중점 표준화 항목 (High Interest Subject)으로 선정하고 국제협력 권장 - ITU, TTA, ETSI, ARIB, TTC, ATIS, TIA, CCSA 등 표준화 기구를 회원으로 함 한 중 일 이동통신 협력회의인 CJK IMT WG에서도 2012년 WG 산하에 무선 충전 SIG(Special Iterest Group)을 두기로 결정 - 한 중 일의 협력을 바탕으로 아태지역, 세계 표준화를 주도하고자 하는 목적을 가짐 일본은 BWF(Broad Wireless Forum) 산하에 WPT(Wireless Power Transfer) WG을 구성하고 표준화 작업을 준비 중 - 휴대기기용 소출력부터 전기차용 대출력까지 넓은 범위를 담당하고 있음 - SONY, Thoshiba, Toyota 등이 주도 한국산업기술평가관리원 49
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 미국 CEA(Consumer Electronics Alliance)는 산하에 무선 충전을 담당하는 R6.3 WG를 구성하고 공진형 표준작업 중 - Intel, Qualcomm, Fulton 등이 주도 중국 통신 표준화 기구인 CCSA(China Communication Standard Associoation)에서는 TC9 산하에 무선 충전 WG를 구성하기로 하고 표준작업 준비 중 - CCSA와 별도로 정부 산하에도 연구반 구성 삼성전자, Qualcomm, SKT 등을 중심으로 A4WP(Alliance For Wireless Power)가 결성되어 공진형 무선 기술의 promotion 을 준비 중임 국내 표준화 동향 TTA에서는 모바일 기기용 무선 충전 표준화 그룹(PG 709, 2011) 및 IT 응용기기용 무선 충전 표준화 그룹(PG 422, 2012년)을 구성하고 표준 작업 진행 중 - 이와 병행하여 자기장 통신 그룹(PG318 ) 및 전자파 인체영향 연구 그룹(PG309) 등이 활동하고 있음 - PG 709에서는 일본의 BWF WPT WG와 정례 전문가 회의를 교대로 진행하고 있으며 미국 CEA R6.3과도 상호 협력하기로 합의함 기표원 산하에 무선 충전 연구반 가동 중 - ISO/IEC JTC 1 및 IEC 업무 대응 민간 포럼으로 자기장통신 융합포럼(2008) 및 한국무선전력전송 포럼(2011)이 구성되어 요구사항, 서비스, 인체 영향 연구 등을 하고 있음 6. 시사점 및 정부 정책 지원 방향 국제 표준화 관련 국가적 역량의 집중이 필요 단기간에 가시화 될 휴대기기용 시장과 함께 전기자동차용 무선 충전 시장을 합하면 수십 조 원 규모의 시장이 새롭게 형성되므로 주도 및 선점이 필요함 - 중장기적으로는, 현재 분산되어 진행되고 있는 국제표준화의 통폐합이 필요 - 공진형 기술의 확산을 위해서는 사용 거리의 확대가 필수적이므로 소재, SoC, 부품 등에서 국가차원의 원천적인 연구가 지속되어야 할 필요가 있음 - 또한 휴대기기용 소출력, 가전기기용 중출력, 차량용 대출력 기술 등이 병행적으로 발전되어야 함 - 마지막으로 전자기파에 노출되는 인체에 대한 안전성 연구가 반드시 병행 되어야 함 50 한국산업기술평가관리원
ISSUE 2 모바일 기기용 무선충전 기술 및 표준화 동향 [참고문헌] 1. 무선충전 산업의 육성, 표준화 및 대외 협력, 이현우(KEIT, 2012), 산업교육연구소 2. 모바일 무선전력 기술 동향, 문연국(KETI, 2012), 전자공학회 세미나 3. 무선전력전송기술, 임승옥(KETI, 2012), 내부 자료 4. 휴대단말용 Dual band 멀티모드 인터랙티브 무선충전 융합기술개발 중간보고서 (KETI, 2011) [국내 외 주요 기술개발 현황] 연구기관명 프로젝트명 개요 연구기간 한국전자부품연구원 휴대단말용 Dual band 멀티모드 인터랙티브 무선충전 융합기술개발 단파와 중파를 사용해서 복수개의 디바이스에 공진형 무선충전을 할 수 있는 기술 개발 및 시제품 개발 2010. 03-2013. 02 한국산업기술평가관리원 51
모바일 CPU 기술 동향 및 산업 전망 l저자l 한태희 PD / KEIT 시스템반도체 PD실 이유상 책임 / KEIT 시스템반도체 PD실 SUMMARY 모바일 CPU: 인텔 vs ARM 모바일기기에서는 PC와 달리 다양한 OS가 경쟁하고, 배터리 사용시간이 중요해 인텔의 x86 CPU보다 전력효율이 높은 ARM CPU 코어가 선호되고 있음 인텔은 자사 x86아키텍처를 모바일 向 으로 저 전력화 한 Atom 프로세서를 발전시키고 있으며, 압도적인 공정 소자기술과 기존 PC 用 SW와의 호환성이 강점임 ARM은 v7에서 Out-of-order 수퍼스칼라를, v8에서 64비트를 지원하며 고성능화를 추구하는 동시에, 에너지 효율적 big.little 구조를 제안하면서 데스크톱, 서버용 프로세서 시장에서도 인텔과 경쟁 관계에 돌입 모바일 CPU 기반의 Application Processor(AP) 시장 급신장 스마트폰, 태블릿의 등장으로 AP 시장이 확대되고 있으며, 2011년 82억$에서 2015년 362억$로 PC 用 CPU 시장을 넘어설 전망임 향후 2-3년간은 스마트폰과 태블릿 제품군 중심으로 성장하다 디지털가전, 자동차 등 IT 전 분야로 확산 전망 마이크로프로세서의 발전 방향 전력소모 및 발열 문제로 인해 무어의 법칙에 의한 발전이 둔화될 것으로 전망되는 가운데, 클럭 속도 향상은 더디어지고 멀티/매니코어가 보편화되며 구조적으로 이종 코어(Heterogeneous core), 또는 소수의 고성능 向 big 코어와 다수의 고에너지효율 向 little 코어의 조합이 될 가능성이 높음 커스텀 하드웨어 가속기 사용을 병행하여 에너지 효율을 극대화하고 효율적인 메모리 계층구조, 새로운 인터커넥션 방식, 특화 SW를 통해 데이터 이동을 최소화하는 추세로 발전될 전망
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 1. 개요 모바일 CPU(모바일 프로세서) 배터리로 구동되는 모바일 임베디드 컴퓨팅 用 으로 특화 설계된 CPU를 의미하며 초기에는 노트북/넷북/UMPC 및 PDA 등 포터블 PC에 탑재되었고, 현재는 스마트기기에 사용되는 SoC형태의 AP(Application Processor)가 모바일 프로세서의 대명사가 됨 - CPU, GPU 코어를 포함하며 운영체제(OS) 및 응용 프로그램을 실행하고, 주변 칩셋을 제어하는 기능을 수행함 일반적으로 AP는 CPU, 2D/3D 그래픽스를 처리하는 GPU, ISP(Image Signal Processor) 및 멀티 포맷 비디오 코덱, 오디오 및 음성 처리를 담당하는 DSP, 각종 인터페이스 IP 등으로 구성됨 * 그래픽 및 비디오 처리 기능을 묶어 VPU(Visual Processing Unit or Video Processing Unit)라고도 함 [그림 3-1] 일반적인 AP 구조 MPU GPU Connectivity I/D Cache SIMD 2D Shader Shader 3D Shader Shader Timer Keypad Haptics I2S/AC97/SPDIF MMP Control processor Video Decoder (720p, 1080p) Video Encoder ISP, JPEG DSP HQ Audio Decoder HQ Audio Encoder Effector(BBE) Codec modules UART/I2C/SPI USB/IrDA/MMC SDRAM/Flash BB GSM/HSDPA WCDMA - CPU는 OS 및 미들웨어, 어플리케이션 SW를 실행하는 중앙처리 프로세서이며, 현재 ARM 社 의 Cortex-A 프로세서가 주류를 차지하고 있음 - GPU는 OpenVG, OpenGL ES와 같은 그래픽 언어 및 라이브러리를 지원하여 동작하며 Imagination Technologies 社 의 PowerVR 및 ARM 社 Mali가 대표적인 GPU IP임 - H.264, MPEG2, DivX, Xvid와 같은 다양한 멀티미디어 코덱을 지원하기 위해서 전용 하드웨어 IP와 컨트롤을 위한 프로세서를 동시에 사용하고 있음 54
ISSUE 3 모바일 CPU 기술 동향 및 산업 전망 CPU 시장의 경쟁 CPU 시장은 현재 대부분의 PC 및 서버용 마이크로프로세서 시장을 선점한 인텔과 스마트폰과 태블릿용 임베디드 코어 시장을 거의 독점한 ARM의 兩 强 구도임 - 전력효율에 대한 요구는 CPU시장을 재편하고 있으며, PC시장 성장세가 둔화되면서 인텔은 2011년 5억 대 규모에 달할 정도로 빠르게 성장한 스마트폰 시장에 진입하고자 하고 있으며, ARM은 소셜네트워킹 및 클라우드 컴퓨팅의 성장으로 확대된 500억$에 달하는 서버 시장에 눈을 돌리고 있음 최근 저 전력 특화의 ARM과 고성능을 앞세운 인텔 간에 기존의 전통적 시장 경계를 탈피한 경쟁이 나타나고 있음 [1, 2] - 창업 초기 팹리스 기업인 Calxeda는 32-비트 ARM 프로세서 기반으로 서버용 프로세서 칩을 출시할 예정인 동시에 64-비트 ARM 기반 칩 분야의 선구자인 AppliedMicro사와 합병을 추진하고 있음 - 반면, 올해 4월 인도 기업인 Lava International을 필두로 금년 말 경엔 레노보와 모토롤라도 저 전력 인텔 Atom 프로세서를 채용한 스마트폰을 출시하면서 인텔은 모바일 시장에 본격적으로 뛰어들 예정임 - 전력소모나 성능 각각의 지표 대신 소비 전력 당 성능 비에 의해 두 계열 간의 시장 주도권 성패가 판가름될 전망임 전력 효율을 위한 아키텍처 변화 데스크톱 CPU 제조사들은 2006년 이후 폭증하는 성능 요구와 전력 소모 문제를 해결하기 위해 멀티코어 아키텍처로 전환 [그림 3-2] Pollack's rule Die size(transistors) 2x Performance 1.4-1.5x 연산 처리 기능 강화 면적 2 성능 1. 4 전력 2 면적 4 성능 2.8 전력 4 CPU Transistor Frequency Power Performance Performance Watt Architecture Enhancement CPU Transistor Frequency Power Performance Performance Watt 면적 1 성능 1 전력 1 연산 처리 병렬화 면적 2 성능 2 전력 2 면적 4 성능 4 전력 4 * 출처: 전자통신동향분석 제25권 제5호(2010. 10) - Pollack s rule로 설명되는 성능 효율에 의해 병렬화는 같은 성능을 가지면서 보다 적은 전력소모와 보다 적은 면적 증가를 이룰 수 있게 해줌 * Pollack s rule: 반도체의 성능은 면적(복잡도)이 2배 증가할 때 1.4( )배 증가하며 또한, 전력소모는 면적에 비례한다는 관측결과로, 성능 향상을 위하여 연산처리 기능을 강화함으로써 복잡도를 증가시킨 고성능 싱글코어 보다는 복잡도가 작으면서 적정수준의 연산능력을 가지는 프로세서를 복수 개 병렬로 사용하는 것이 더 효과적임을 보여줌 55
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 ARM으로 대변되는 모바일 CPU 역시 모바일 기기에 대한 성능 요구량이 증가하면서 같은 도전에 직면 - 사람들은 모바일 기기에 PC와 같은 수준의 기능과 성능을 요구하면서 배터리 수명 시간 연장을 원하지만, 배터리 수명 증가 속도는 매우 느리므로 결국 고성능일지라도 프로세서의 전력 소모를 감소시키거나 증가를 최소한으로 억제해야 함 - 오늘날 모바일 CPU는 HD 비디오 재생, 스트리밍 AV 서비스, 멀티태스킹, 웹브라우징, 3D 게임 등 싱글코어 프로세서로는 감당하기 어려운 성능이 요구됨 인텔 vs. ARM CPU 시장은 PC환경에 적합한 인텔의 고성능 x86계열과 모바일환경에 적합하고 저 전력 특성을 가지는 ARM 계열로 양분 - PC용 CPU 시장에서는 인텔이 86%, AMD 12% 등 x86 계열 프로세서 업체들이 독점적 시장지배를 가지는데, 이는 MS의 OS 독점 구조가 인텔의 CPU 독점 구조로 연결되어 신규 업체들의 진입이 사실상 어려운 상황임 인텔 x86프로세서는 CISC(Complex Instruction Set Computing)방식으로 출발했고 ARM은 처음부터 RISC (Reduced Instruction Set Computing) 방식을 사용 * CISC는 RISC에 비해 동일한 태스크를 더 적은 개수의 명령어로 처리할 수 있는 보다 다양한 명령어를 가진 반면, RISC는 자주 사용되는 명령어 위주의 단순화를 통해 하드웨어 구조의 복잡도를 감소시켜 고속 파이프라이닝 처리에 용이한 장점을 가짐 * 지난 30년간 RISC와 CISC는 서로의 장점을 흡수하여 진화 발전하면서 경계가 모호해져 현재 시점에선 두 아키텍처의 구분은 큰 의미가 없음 두 계열의 주요한 차별성은 캐시, 레지스터 등의 프로세서 리소스의 배치 및 명령어의 구성 등과 관련한 마이크로 아키텍처이며, 이는 인텔과 ARM 사이의 시장 주도권 경쟁의 주요 승부처이기도 함 - 최신 고성능 프로세서들은 Out-of-Order 실행을 지원하는데 이런 방식은 웹 검색 같은 어플리케이션에서 성능 대비 전력소모에 매우 큰 영향을 끼칠 수 있음을 보여줌 * Out-of-Order 수행이 가능한 서버용 인텔 Xeon 프로세서에 비해 In-Order 수행만 가능한 인텔 Atom 프로세서가 웹서치 벤치마킹에서 2.5배 우수한 성능 대 전력소모비를 보임 [2] ARM 기반 서버용 프로세서 제조사들은 복잡한 연산을 위한 고성능이 아닌 단순 작업 위주의 웹호스팅용 시장을 추구 * 페이스북 등 빅데이터 기업들의 서버는 단지 컨텐츠를 업로드하는 등의 간단한 작업을 수행하기 때문에 단일 서버의 성능 보다는 서버의 개수가 더 중요함 - Calxeda의 ARM기반 듀얼코어 서버 칩의 경우, 비슷한 인텔의 Xeon 칩에 비해서 1/10 이하에 해당하는 1.5W 전력을 소모하며, 낮은 전력소모로 인하여 열 방출이 적어 보다 저가의 컴팩트한 패키징이 가능한 장점이 있음 56
ISSUE 3 모바일 CPU 기술 동향 및 산업 전망 * Calxeda 첫 번째 고객인 HP는 8개의 인텔칩이 차지하는 공간에 288개의 Calxeda 칩으로 대체가 예상될 정도로 발열 및 공간적인 면에서 ARM 프로세서가 장점을 지님 인텔은 서버 프로세서가 高 수익을 창출하는 시장이기 때문에 적극적인 방어를 취할 것으로 예측됨 - 또한, 인텔은 경쟁사 대비 3-4년 이상 앞선 공정 미세화와 3D 트랜지스터 기술을 강점으로 활용할 수 있음 모바일 기기는 PC와 같은 고성능의 프로세서를 요구하지 않으며, 다양한 OS가 존재하여 업체 간 경쟁이 심화되고 있음 - AP시장은 ARM 社 가 설계 기술을 제공하고, 각각의 반도체 업체(삼성전자, 엔비디아, 퀄컴, 마벨, TI 등 600개 기업)들이 ARM 코어 설계기술을 공유하여 자사 경쟁력과 타겟 시장 니즈에 커스터마이즈한 AP를 생산하고 있음 인텔은 노트북/넷북 이외의 모바일 시장에 진입하기 위해서 x86 아키텍처 엔지니어링을 강력하게 추진하고 있으나 ARM계열의 시장을 좀처럼 잠식하지 못하고 있음 - 인텔의 새로운 x86아키텍처로 구현된 Medfield 칩은 CPU, GPU, 메모리 컨트롤러, I/O 컨트롤러를 모두 집적한 것으로 2012년도에 출시될 스마트폰에 탑재될지 여부는 불투명하지만 22나노 공정의 3D Tri-gate 트랜지스터 기술로 제조된 Medfield의 후속 제품이 2013년도에는 출시될 것으로 예상됨 - 근본적인 아키텍처상의 이유로 여전히 ARM이 인텔 CPU보다 전력효율에서 우위에 있으며, 반면 인텔은 제조와 설계를 모두 갖춘 IDM(Integrated Device Manufacturer)으로서 반도체 소자 공정기술 면에서 배타적 우위에 있음 인텔과 마이크로소프트 간의 굳건한 동맹관계의 대명사인 윈텔(Win-Tel) 은 MS가 ARM을 지원하는 Windows 8 버전인 Windows RT(RunTime)을 출시하면서 사실상 폐기될 것이며 CPU시장은 새로운 판도로 전개될 것으로 예측됨 - Windows 8(Windows RT)가 ARM CPU를 지원하더라도 기존 Windows용 SW는 새로운 ARM 프로세서에서 再 컴파일해야하는 문제가 발생하나, MS의 Silverlight, Adobe는 Flash10과 AIR를, Mozilla의 Firefox도 Windows 8에서 ARM을 지원하기로 하는 등 SW 제공 기업의 ARM계열 CPU 지원이 확산될 것으로 예상됨 - 인텔에 호의적인 애널리스트들도 2015년까지 인텔이 스마트폰 시장의 13%를 차지할 것으로 예측하고 있으며, 모바일 PC(노트북/넷북)에서는 ARM 프로세서가 8%의 시장 점유율을 차지할 것으로 예측하고 있음 * 모바일 PC용 CPU 단가는 평균 107$인데 비해 스마트폰이나 태블릿 프로세서 가격은 20$에 불과하므로 오히려, 인텔은 2015년까지 매출에서 2.2B$의 이익 감소가 예상됨 57
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 2. 모바일 CPU 시장 현황 IT기기의 스마트 化 에 따른 AP 시장 성장 AP는 스마트폰, 태블릿 등 다양한 디지털기기에 채용되고 있는 모바일 CPU기반의 SoC로 향후 5년간 반도체 제품 중 가장 높은 성장세를 보일 전망 - AP 시장은 연평균 45.0% 성장하여 2015년에는 362억$에 이를 것으로 전망됨 - 성능이 강화된 신제품들이 빠르게 등장하면서 평균 판매가격이 상승하는 AP시장의 특성으로, 2015년에는 AP 시장이 PC용 CPU시장(약 342억$) 규모를 넘어서 시스템반도체의 주력으로 자리 매김할 것으로 예상됨 최근 디지털기기들은 인터넷, 동영상, 3D 게임 등 고성능을 요구하는 어플리케이션을 위해 PC 수준의 CPU가 필요 스마트폰, 태블릿 등에 한정된 현재의 AP시장은 2011년 스마트폰(4.9억 대), 태블릿(5,500만 대), 디지털 TV(700만 대) 정도에서, 2015년 스마트폰(9.6억 대), 태블릿(2.6억 대), 스마트 TV(0.9억 대) 정도로 지속적인 확대가 전망됨 8비트 및 16비트 MCU(Micro Controller Unit)로 기능 구현이 가능했던 가전, 자동차 등에 스마트 기능이 부가되면서 AP를 장착할 것으로 예상되며, 전력효율 및 가격 경쟁력에 의해 PC용 CPU도 일부 대체할 것으로 예상됨 - 가전기기의 원격제어와 같은 스마트 가전기기 분야 및 편의성과 안전성 강화를 위한 자동차 분야 등에서도 AP가 필요할 것으로 예측되며, 2015년 냉장고 등 스마트 가전(0.3억 대), 자동차(0.3억 대), 헬스케어 기기 시장과 스마트 그리드(0.2억 대) 분야에서의 AP 시장이 확대될 것으로 예상됨 AP 시장은 PC용 CPU 시장과 달리 소수 업체의 독점이 아닌 다양한 업체가 다양한 영역에서 입지를 구축하는 등 새로운 경쟁구도를 형성하고 있으나, 장기적으로 AP 시장도 소수 업체에 의한 과점 체제가 형성될 것으로 예상됨 1 스마트폰 - 휴대폰 시장에서 스마트폰 비중은 2009년 13%에 2015년에는 48% 수준까지 확대되면서 연간 9.6억 대 생산이 예상되며, 가격이 저렴한 대중적인 제품 출시 등으로 스마트폰 시장이 치열한 경쟁으로 인해 빠르게 성장해 나갈 것으로 예상됨 58
ISSUE 3 모바일 CPU 기술 동향 및 산업 전망 주요 Device 출하량 (백만 대) AP 장착 비율 AP 적용 시장 (백만 대) Device 당 장착량(개) [표 3-1] AP 시장 규모 2009 2010 2011E 2012E 2013E 2014E 2015E Total 890 1,125 1,384 1,615 1,848 2,022 2,276 YoY 11.9% 26.5% 23.0% 16.7% 14.5% 9.4% 12.5% PC 316 363 381 398 425 451 478 스마트폰 180 307 485 620 749 845 960 태블릿 4 16 55 109 155 191 256 디지털 TV 170 205 217 226 238 242 268 가전 156 162 169 176 185 191 198 자동차 64 72 77 83 88 92 95 기타 - - - 3 8 10 20 PC - - - 1% 8% 12% 15% 스마트폰 80% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 태블릿 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 디지털 TV - 1% 3% 8% 15% 25% 35% 가전 - - - 1% 3% 12% 18% 자동차 1% 3% 4% 7% 10% 16% 25% 기타 - - - 100% 100% 100% 100% Total 148 328 550 761 996 1,198 1,461 YoY 43.5% 121.4% 67.8% 38.3% 30.9% 20.3% 21.9% PC - - - 4 34 54 72 스마트폰 144 307 485 620 749 845 960 태블릿 4 16 55 109 155 191 256 디지털 TV - 2 7 18 36 61 94 가전 - - - 1 6 23 36 자동차 1 2 3 6 9 15 24 기타 - - - 3 8 10 20 PC - - - 1 1 1 1 스마트폰 1 1 1 1 1 1 1 태블릿 1 1 1 1 1 1 1 디지털 TV - 1 1 1 1 1 1 가전 - - - 1 1 1 1 자동차 1 1 1 1 2 2 3 기타 - - - 1 1 1 1 Total 148 328 550 761 1,005 1,213 1,509 YoY 43.5% 121.4% 67.8% 38.3% 32.1% 20.7% 24.4% PC - - - 4 34 54 72 스마트폰 144 307 485 620 749 845 960 태블릿 4 16 55 109 155 191 256 AP 출하 디지털 TV - 2 7 18 36 61 94 (백만 대) 가전 - - - 1 6 23 36 자동차 1 2 3 6 18 29 71 기타 - - - 3 8 10 20 ASP(달러) 18 16 15 18 20 22 24 YoY -10.0% -11.1% -6.3% 20.0% 11.1% 10.0% 9.1% AP 시장규모(억 달러) 27 52 82 137 201 267 362 CPU 시장규모(억 달러) 323 355 384 407 399 369 342 YoY(%, AP) 29.2% 96.8% 57.3% 66.0% 46.8% 32.8% 35.7% YoY(%, CPU) -1.8% 9.8% 8.2% 6.1% -2.2% -7.3% -7.3% * 출처: Gartner, 메리츠종금증권 리서치센터 59
PD ISSUE REPORT JULY 2012 VOL 12-6 2 태블릿 - 태블릿은 기존 PC 및 노트북을 상당 부분 대체하면서 새로운 디지털 기기로써 수요를 창출하고 있으며 PC 用 CPU보다 훨씬 저렴한 AP를 채용 전력소모량이 20W 이상인 인텔의 x86칩에 비교할 경우 ARM CPU기반 AP의 전력소모는 0.5W에 불과하여 배터리의 중량을 낮출 수 있으며, 성능도 지속적으로 향상되고 있음 - 태블릿 시장은 연평균 46.9% 성장하여 2015년 노트북 시장과 비슷한 수준인 2.6억 대규모를 형성할 것으로 예상됨 3 자동차 - 차량용 전장부품은 차량 자체 진단 등 사고 예방 기능, 차량의 편의성 향상을 위한 인포테인먼트 시스템, 차내 정보 전달 및 무선망을 통한 차량 간 통신 등을 지원하는 방향으로 발전할 전망으로 다양한 기능을 구현하기 위한 OS 및 AP가 요구됨 자동차 생산량은 연간 7천만 대 수준으로 스마트기기에 비해 적지만 인포테인먼트, 차체 제어, 주요 안전과 관련된 메인 AP의 오류발생에 대비한 보조 AP 등이 필요하여 차량 1대당 5개 이상의 AP가 소요될 전망임 4 스마트 가전기기 - 가전제품에 원격제어, 인터넷과 연동된 각종 인터넷 검색 등 편의기능이 부가되면서 AP 및 OS가 필요하게 되었고 가전시장은 연간 1.7억 대 수준의 포화 상태에 있으나 새로운 수요 창출이 가능한 시장으로 여겨짐 현재 가전제품의 AP 적용은 초기단계이나 2015년에는 가전제품의 18%정도(3.6천만 대)가 AP를 내장할 것으로 예측됨 5 PC - PC에서 AP 적용은 다른 제품군과는 달리 Windows 8(Windows RT)부터 ARM CPU를 지원함에 따라 넷북 등 일부 시장을 AP가 대체하는 방식으로 이루어질 것으로 판단됨 현재 PC용 CPU는 클럭 속도가 3.0GHz, 쿼드코어, 64비트 방식을 적용하는 반면, ARM 계열의 AP는 클럭 속도가 1.5 GHz, 쿼드코어, 32비트 방식으로 5년 정도의 성능격차를 보이고 있으나, Windows 8(Windows RT)부터는 저가의 ARM 코어 사용이 가능해지기 때문에 태블릿과의 가격 경쟁이 가능한 중저가 노트북시장 진입을 위하여 ARMv7 아키텍처 기반의 Cortex-A15가 적용되면서 동작 속도도 2GHz 이상으로 향상 가능하며, 메모리 사용량도 증가할 것으로 예상됨 - ARM 코어 기반 AP는 인텔 CPU에 비해 저가 저 전력이고 주변 칩셋과 SoC 형태로 제작되어 가격경쟁력을 가지므로, 저가형 노트북시장을 잠식할 것으로 예상됨 인텔 CPU를 사용한 노트북의 평균 제조원가는 608$이지만, AP를 장착할 경우 499$에 불과해 18%의 원가 절감이 가능하며, SoC 형태로 제작되어 칩수가 감소되어 20$ 가량의 추가 비용 및 배터리 가격 등도 절감할 수 있음 60
ISSUE 3 모바일 CPU 기술 동향 및 산업 전망 따라서, 주요 타겟은 노트북 시장의 40% 정도를 차지하는 600$ 이하의 저가형 노트북으로, 인터넷 검색 위주의 개인 사용자를 위한 제품임 - 웹호스팅이나 클라우드 서비스에 사용되는 기업용 서버 이외에는 고성능을 요구하지 않고 전력소모가 더 중요한 서버에는 ARM 코어 기반 AP가 활용될 것으로 예측됨 CPU에 맞먹는 AP 성능 강화 전망 PC의 경우와 마찬가지로 사용자들은 스마트폰, 태블릿 등 AP를 내장하는 스마트기기를 통하여 다양한 어플리케이션과 HD급 고화질 영상 등을 요구하게 되어 AP 성능은 수년 내에 현재 PC CPU에 버금가는 성능을 가질 것임 - AP 내의 멀티코어 CPU와 고성능화(그래픽 기능 강화 등)로 더 많은 트랜지스터가 집적되면서 칩 크기가 증가하게 되어 평균 생산 원가의 상승이 수반됨 * 애플의 듀얼코어 AP인 A5(122mm 2 )는 싱글코어인 A4(53mm 2 ) 보다 2배 이상의 면적 3. 모바일 CPU 시장을 위한 인텔의 시도 인텔 CPU 아키텍처 Intel Architecture(IA)는 1978년 출시된 인텔의 PC용 CISC(Complex Instruction Set Computing) 마이크로프로세서인 8086에 뿌리를 두고 있으며 32비트 버전인 IA-32와 64비트 버전인 x86-64가 현재 시장의 주류임 [3] * IA는 명령어집합 아키텍처(ISA: Instruction Set Architecture) 차원에서 x86 아키텍처와 동일한 의미이나 x86 ISA 호환 프로세서는 AMD, Via 등에서도 제조하기 때문에 인텔의 ownership을 강조하기 위해 IA로 명칭을 구분하고 있음 * IA-32는 x86 아키텍처의 32비트 명령어 확장 버전으로 1986년 발표된 80386 마이크로프로세서에 처음 도입되어 2000년대 초반 Pentium4까지 이어짐 [4] * IA-64는 1994년 인텔과 HP가 공동으로 개발한 VLIW(Very Long Instruction Word) 계열의 EPIC(Explicit Parallel Instruction Computing) 64비트 마이크로프로세서인 Itanium의 아키텍처를 지칭함. IA-64는 x86과 호환성이 없으며 이러한 요인으로 시장에서 성공하지 못한 이유이기도 함 * 따라서 x86 호환성을 갖는 64비트 아키텍처는 IA-64가 아닌 x86-64이며 AMD에 의해 AMD64라는 명칭으로 처음 구현되어 Athlon 64, Opteron 등에 채용됨. 인텔은 AMD64를 따라가게 되었고 이름을 IA-32e, EM64T로 부르다가 2006년 이후 Intel 64로 변경하였으며 Intel 64는 2004년 Xeon 프로세서에 최초로 적용됨 [5] - 인텔의 모바일용 CPU는 Atom 프로세서로 x86 아키텍처 호환성을 가지고 있으며 저 전력 타겟으로 설계됨 61