융복합 미래기술 연구회

출처 : 안선영, 주간기술동향 통권 1231호 안선영* 광학 재료 부품은 광통신 장치, 광저장 장치, 결상기기, 광 계측/제어기기, 의료 광학기기 등 각종 광학기기를 구성하는 핵심 광학 소자 및 부품으로서, 렌즈, 프리즘, 반사경, 회절격자 등으로 구성된다. 광학 재료 부품 중 가장 큰 시장을 차지하는 렌즈에는 비구면 렌즈, 플라스틱 렌즈, ball 렌즈, GRIN 렌즈 등이 있으며, 고성능화, 소형화, 경량화, 고휘도화, 고초점율화, 대구경화하는 방향으로 기술 발전이 이루어지고 있다. 비구면 렌즈를 비롯한 광학 재료 부품 시장은 전자제품의 기술 방향이 종래 Meca-electronics에 Optics가 추가되어 광학 제품화되는 추세에 힘입어 급격한 수요 증가가 예상된다. 특히, 카메라폰용 비구면 렌즈, 프로젝터 TV용 렌즈, 광통신용 렌즈, 의료기기용 Micro 렌즈, Pick-up용 렌즈, Laser Printer용 Hologram 렌즈, 2초점 비구면 렌즈, Sensor 렌즈 등의 차세대 광학 렌즈 시장은 IT 산업의 급속한 발전과 더불어 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 예상된다. 현재 수출 전략 품목인 TFT-LCD, 휴대폰, 디지털 제품 등에 요구되는 광학 렌즈 및 모듈 등 핵심 부품의 상당부분을 일본에서 수입하고 있어 대일무역적자 완화와 함께 전략산업의 안정적 기술혁신 기반구축이 요구된다. ▧ I. 서 론 광학 재료 부품은 광통신 장치, 광저장 장치, 결상기기, 광계측/제어기기, 의료 광학기기 등 각종 광학 기기를 구성하는 핵심 광학 부품으로, 크게 비구면 렌즈, 플라스틱 렌즈, ball 렌즈, GRIN 등의 광학 렌즈와 프리즘, 반사경, 회절격자 등을 포함한다. 본 고에서는 광학 부품중 가장 큰 시장을 차지하고 있는 광학 렌즈를 중심으로 기술 동향 및 시장 방향을 기술하였다. 1. 비구면 렌즈 곡률반경이 일정한 구면 렌즈에 비해 주변부로 갈수록 곡률반경이 늘어나는 렌즈로서, 구면 렌즈에 있던 상의 뒤틀림이 감소되고 시계의 어느 곳을 보아도 자연 그대로의 모습을 볼 수 있다. 비구면 렌즈는 1개 이상의 면에 비구면을 이용한 렌즈로 회절 한계에 가까운 마이크로 스폿을 실현하고 싶은 경우에 사용한다. 집점을 일정하게 하고 결합 효율을 좋게 하기 때문에 면 형상을 계산한 것으로 비구면으로 되어 있어, 사용할 수 있는 면이 ball 렌즈보다 넓다. 렌즈 굴절 한계(밀리미터 단위의 구경 및 초점길이) 거리는 1 m에서 수 m에 이르기까지 다양하므로, 비구면 표면 렌즈는 기록저장 분야(CD, DVD, 라이터/레코더), 통신 애플리케이션(레이저, 광섬유 컬리메이터) 등 대부분의 현대 광학 분야에서 활용되고 있다. 2. 플라스틱 렌즈 플라스틱 비구면 렌즈는 초기에는 안경 렌즈나 뷰파인더용으로 많이 사용되어 왔으며 최근에는 PC카메라, 디지털 카메라, 광저장 장치 픽업, IMT-2000용 단말기에 들어가는 소형 렌즈에서 프로젝션 TV에 들어가는 대형 렌즈에 이르기까지 활용 분야가 다양하다. 플라스틱은 비구면화가 가능하고 소재가 가벼우므로 경량화가 가능하고 금형 제작을 통해 염가로 대량 생산이 가능하며 글라스 렌즈에 비해 단품 렌즈의 제조 공정이 간단하다는 장점을 가지고 있다. 반면, 금형 제작에 리스크 부담과 초기 투자 비용이 크다는 단점을 가지고 있다. 모바일폰 렌즈는 가격절감, 환경 내구성, 경량화 등을 위해 플라스틱 렌즈를 사용하고 있는데 모바일폰 카메라 렌즈의 핵심과제는 렌즈의 소재로, 갈수록 작고 환경 내구성에 강한 가볍고 저렴한 조건 등을 시장에서 요구하고 있기 때문에 치열한 시장 경쟁에 따른 원가 절감 요구 등이 작용함에 따라 렌즈 소재로 플라스틱 재질에 대한 개발이 활발하게 진행되고 있다. 최근에는 100만 화소급 이상의 카메라 모듈이 상품화되면서, 화질 및 신뢰성의 문제로 비구면 프레스 몰딩 글라스 렌즈가 적용되고 있다. 3. GRIN 렌즈 GRIN 렌즈(Gradient-Index(GRIN) Rod Lens)는 굴절율이 유리판 내부에 구배(句配)를 갖는 굴절율 분포 렌즈이다. ball 렌즈에 비해 집점성이 좋기 때문에 결합 효율은 높지만, 비구면 렌즈에 비해 한계가 있다. GRIN 렌즈는 평면위치 및 단면에서 초점까지의 거리가 렌즈의 길이에 대해 주기적으로 변화하며, 보통 1/4 피치, 1/2 피치, 3/4 피치 등의 렌즈를 사용 목적에 따라서 적당히 선택하여 사용한다. GRIN 렌즈는 마이크로 광학에 있어 가장 중요한 광학 소자의 하나로 광원과의 결합, 평행광선의 형성, 집광 등에 사용되고 있으며, 주로 이온 교환법으로 제조된다. GRIN 렌즈는 독특한 형상을 가지며 접착제로 고정할 수 있기 때문에 취급성이 용이해 인라인형, 아이솔레이터용, MUXDEMUX용 DWM 필터 등의 광통신용 Passive Device에 많이 사용되고 있다. 유리의 재료가 한정되어 있다. 4. ball 렌즈 마이크로 ball 렌즈는 미세한 유리알을 렌즈로 이용한 것으로 반경(R)이 일정한 구면 렌즈이다. 양산성이 뛰어나고 고정밀도를 가진 것이 제작되고 있으며, 저전력 분야, 저가격 통신 분야에 사용되고 있다. 콘텍트 렌즈와는 달리 광 축의 방향이 자연스럽게 설정되므로 어느 방향으로나 집광이 가능하고, 발광 및 수광 소자와 광섬유 사이의 결합, 광섬유 시광 등에 이용되고 있다. 5. 프리즘 프리즘은 빛의 방향을 바꾸거나 더 나은 packaging을 위해 상이 바르게 맺히도록 상의 방향을 바꾸는 역할을 하는 광학 소자로, beam-splitters, 편광소자 및 간섭계에 널리 이용된다. 크게 분산 프리즘, 반전 프리즘, 역전 프리즘 그리고 beam을 편향시키는 프리즘이 있다. 6. 반사경 반사경은 광학 소자로서 광로를 바꾼다거나 광학계를 좀더 컴팩트하게 하기 위해 사용된다. II. 광학 재료 부품의 시장 동향 1. 세계 광학 부품 시장 동향 가. 전체 렌즈 시장 전세계적으로 광 응용기기 분야의 시장 규모는 2005년 약 2,200억 달러에 이를 것으로 추정된다. 이러한 광 응용기기 분야의 시장 규모중 초정밀 비구면, 자유곡면 가공 분야는 1,680억 달러로 약 76%의 시장점유율을 차지하고 있는 가장 유망 분야이다. 비구면 렌즈 시장은 전자제품의 기술 방향이 종래 Meca-electronic에 Optics가 추가되어 광학 제품화되는 추세에 힘입어 급격한 수요 증가가 예측되는 시장이다. 특히, 카메라폰용 비구면 렌즈, 프로젝터 TV용 렌즈, 광통신용 렌즈, 의료기기용 마이크로 렌즈, 광 픽업용 렌즈, 레이저 프린터용 홀로그램 렌즈, 2초점 비구면 렌즈, 센서 렌즈 등의 차세대 광학 렌즈 시장은 IT 산업의 급속한 발전과 더불어 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 예상된다. 일본의 경우 렌즈 산업이 우리나라보다 대략 10년 정도 앞서 있으며, 소수의 기업이 독자적으로 비구면 글라스 렌즈 초정밀 금형 및 성형 기술을 개발하여 판매하고 있으나, 철저한 보완으로 기술을 공개하지 않고 있다. 우리나라의 경우, 일부 전자제품에 비구면 글라스 렌즈를 사용하고 있으나 국내에서 완전 조달하지 못하고 일본에서 상당 부분 수입하고 있으며, 이 또한 수급 부족으로 제품 생산에 차질을 겪고 있어 원가 경쟁력에서도 취약할 수 밖에 없는 실정이다. 특히, 광통신 및 광 정보기기의 발달에 따라 비구면 광학 소자의 필요성이 증대함과 더불어 가공, 계측, 제어 등의 제반 기술의 발달에 따른 공작기계의 초정밀도가 요구됨과 동시에 광 응용 계측 시스템 및 평가 기술의 국산화가 절실하다. 나. 비구면 렌즈 최근 광학 장비의 첨단화로 렌즈의 고성능화, 소형화, 대구경화, 경량화 등의 요구가 커지면서, 이를 실현할 비구면 렌즈에 대한 세계 시장 규모가 급격히 증가하고 있다. 비구면 렌즈 시장은 최근에 와서 급속도로 증가하고 있으며, DVD, 디지털 카메라, 카메라폰, 프로젝터 TV, 프린터 등의 물량 확대로, 비구면 렌즈의 시장은 매년 주목할 만한 성장세를 이루라스틱 렌즈를 채용하는 카메라폰용 렌즈의 세계 시장은 2003년에 7천만 매로 전년 대비 550% 증가하였으며, 2004년에는 약 220% 증가한 1억 5천~7천만 매로 추정된다. 2004년 카메라폰용 렌즈의 세계 시장은 2,138억 원 규모로 추정된다. 카메라폰용 렌즈 세계 시장은 2003년에 1,380억 원 규모에서 2006년에는 4,500억 원 규모로 증가할 것으로 예측된다. 카메라폰용 렌즈 제조업체는 주로 일본과 한국, 대만업체가 대부분을 차지하며 일본의 N-plus, Kanto Tatsumi Electronics社와 대만의 Lagan, Asiaoptics 등이 있다. 현재 일본업체와 국내의 세코닉스와 같은 소수의 업체들만이 비구면 플라스틱 렌즈에 대한 대량생산이 가능하며, 향후 플라스틱 렌즈의 수요는 줄어들지 않을 것으로 전망된다. 한국업체로는 세코닉스, 코웰월드옵틱스, 코렌웨이텍 등이 있으며 이중 세코닉스는 세계 카메라폰용 렌즈 시장의 10%를 점유한다. (2) 디지털 카메라용 비구면 렌즈 디지털 카메라용 비구면 렌즈의 세계 시장은 2003년에 5,600만 매로 전년 대비 22.3% 증가하였으며, 2004년에는 약 10.7% 증가한 6,200만 매로 추정된다. 금액 규모에서는 2003년 760억 원에서 전년 대비 7.9% 향상된 820억 원으로 추정된다. 비구면 렌즈는 거의 전량 일본에서 생산되고 있다. 생산은 프레스 성형을 통해 이루어지고 있는데 금형의 문제와 재료의 문제가 있다. 디지털 카메라용 비구면 렌즈 제조업체로는 HOYA, 富士寫眞光機, 오하라 등이 있다. (3) 캠코더용 비구면 렌즈 캠코더용 비구면 렌즈의 세계 시장은 2003년에 2,120만 매로 전년 대비 7.6% 증가하였으며, 2004년에는 약 7.1% 증가한 2,250만 매로 추정된다. 금액 규모에서는 2003년 290억 원에서 전년 대비 7.9% 향상된 310억 원으로 추정된다. 캠코더용 비구면 렌즈는 일본업체가 주도하고 있으며, 한국의 삼성전자의 자회사인 Samsung Techwin이 국내에서 생산하고 있다. 캠코더용 비구면 렌즈 제조업체로는 HOYA, 松下日東電器, Samsung Techwin, 키야논 등이 있다. (4) 광 픽업용 비구면 렌즈 광 픽업용 렌즈의 세계 시장은 2003년에 8억 7천여만 매로 전년 대비 27% 증가하였으며, 2004년에는 약 7.3% 증가한 9억 3천여만 매로 추정된다. 금액 규모에서는 2003년 3,630억 원으로 최고치를 기록한 후 점차 조금씩 감소될 것으로 보인다. 수량이나 금액 규모에서 모두 시장이 정체된 상황이다. 비구면 렌즈를 사용하는 광 픽업용 렌즈는 크게 대물 렌즈, 콜리메타 렌즈, 센서 렌즈로 구분된다. 광 픽업용 렌즈업체는 일본업체가 대부분을 차지하며 코니카, 富士寫眞光機, 소니, 맥, 松下電子部品 등이 있다. (5) 프로젝터용 비구면 렌즈 프로젝터용 렌즈의 세계 시장은 2003년에 250만 매로 전년 대비 36.4% 증가하였으며, 2004년에는 약 24% 증가한 311만 매로 추정된다. 금액 규모에서는 2004년 2,830억 원 규모로 전년 대비 22.5% 증가하였다. (6) 광통신용 비구면 렌즈 광통신용 비구면 렌즈 시장은 2003년에 6백만 매로 전년 대비 11.1% 증가하였으며, 2004년에는 약 33.3% 증가한 8백만 로 추정된다. 광통신용 렌즈 제조업체는 주로 일본이 차지하고 있으며, 일본전기초자, 모리테크, 일본판유리, 일본 알프스전기, 삼정송도산업, HOYA 등이 있다. 국내 업체는 주로 렌즈 제조보다는 렌즈를 재료로 하는 광통신 부품 시장에 진출하고 있는 정도이다. 다. GRIN 렌즈, ball 렌즈, 프리즘 및 반사경 (1) GRIN 렌즈 광통신용 GRIN 렌즈 시장은 2003년에 120만 매로 전년 대비 20% 증가하였으며, 2004년에는 약 25% 증가한 150만 매로 추정된다. 금액 규모로는 2003년 70억 원에서2001년부터 생기기 시작한 재고의 부분적인 해소와 일본 내의 FTTH 시장의 확대로 인한 것이다. 日本板硝子에서 거의 독점 시장을 형성하고 있으며, 기타업체로는 미국의 코닝이 독자적인 기술로 은을 베이스로 하여 유리를 사용한 렌즈를 개발 제품화하고 있다. GRIN 렌즈의 주 용도는 LD 모듈, PD 모듈 등 능동형 부품 중심이며 WDM 필터, 인라인용 아이솔레이터로도 사용된다. (2) ball 렌즈 광통신용 ball 렌즈 시장은 2003년에 148만 매로 전년 대비 48% 증가하였으며, 2004년에는 약 18% 증가한 175만 매로 추정된다. 금액 규모로는 2003년 90억 원에서 2004년 11% 증가한 100억 원으로 추정된다. 금액 규모로는 2003년 970억 원에서 2004년 1% 증가한 980억 원으로 추정된다. (3) 광 픽업용 Mirror 광 픽업용 Mirror 시장은 2004년에 47억 5천만 매로 전년 대비 5.3% 증가하였으며, 2004년에는 약 4.0% 증가한 49억 5천만 매로 추정된다. (4) 광 픽업용 프리즘 광 픽업용 프리즘 시장은 2004년에 11억 4천만 매로 전년 대비 5.2% 증가하였으며, 2005년에는 약12억여만 매로 추정된다. 2. 국내 광학 부품 시장 동향 가. 비구면 렌즈 국내 비구면 렌즈 시장은 최근에 와서 급속도로 증가하고 있으며, 수출주력품목으로 자리잡고 있는 카메라폰, 프로젝션 TV, DVD, Camera, 프로젝터 등의 물량 확대로 비구면 렌즈의 시장은 매년 주목할 만한 성장세를 이루고 있다. 최근에는 기존의 비구면 렌즈 생산업체의 생산시설 부족으로 신규로 진입하는 업체가 눈에 띄게 증가하고 있다. 향후 국내의 비구면 렌즈 수요는 렌즈가 채택되는 제품의 수요에 달려 있다. 정보기기로 대표되는 이들 산업의 생산, 수출, 수요가 증가하는 한 비구면 렌즈의 시장 규모는 커질 것이다. 국내에서 비구면 글라스 렌즈는 디지털 카메라용의 줌 렌즈, 가상현실게임의 HMD(Head Mount Display), 레이저 프린터의 LSU(Laser Scanning Unit) Collimater용으로 사용되고 있다. 국내 비구면 렌즈의 시장 규모는 전세계 비구면 렌즈의 시장 규모에서 국내 시장이 차지하는 비중을 고려하여 추정하였다.1) 국내에서는 카메라폰의 급격한 시장 확대에 따라 세코닉스ㆍ코웰월드옵텍ㆍ코렌ㆍ웨이텍 등 광픽업 렌즈ㆍ광학 렌즈를 생산하던 렌즈 업체들이 카메라폰용 비구면 렌즈 생산으로 전환하고 있으며, 업체들의 생산능력 확장으로 생산 규모도 급격히 증가하는 추세이다. 나. ball 렌즈, GRIN 렌즈, 프리즘, 반사경 (1) ball 렌즈 국내 ball 렌즈 시장은 최근에 와서 서서히 증가하고 있다. 최근 광통신 시스템의 국내 사용이 급격히 증가하는 추세에 힘입어 주로 광원과 광섬유간의 광결합, 광통신 부품에서의 광결합, 수신 모듈에서의 광결합 등에 활용될 전망이어서 국내 시장 규모는 증가할 전망이나 현재 국내 생산 실적은 없는 상황이다. 국내에서의 초고속 인터넷 서비스가 급속히 증가함에 따라 광섬유와 광통신 부품간의 광결합에 대한 수요가 증가될 것으로 전망되어 향후 ball 렌즈에 대한 국내 수요도 증가 추세를 보일 전망이다. (2) GRIN 렌즈 현재는 GRIN 렌즈에 대한 수요가 미미한 실정이다. 그러나 국내 GRIN 렌즈 시장은 국내에서 의료용 내시경이나 산업용 내시경의 국산화가 이루어지고 ball 렌즈의 경우처럼 국내 광통신망의 활발한 수요가 증가하는데 비례하여 국내 수요도 증가할 것이다. 향후 국내의 GRIN rod 렌즈 수요는 ball 렌즈의 경우처럼 초고속 인터넷 서비스가 증가함에 따라 그 수요도 함께 증가될 것이며 특히, 의료용과 산업용 내시경의 국산화가 이루어지는 시점부터 이 분야에 대한 국내 수요도 증가될 것이다. 현재 광통신용 ball 렌즈와 GRIN 렌즈는 국내에서 생산되지 않고 전량 일본 및 중국 부품 제조를 위하여 전량 수입에 의존하고 있으며, 동아시아 수입 규모인 280만 개에서 상당부분으로 차지하는 것으로 추정되는 정도이다. 주로 광통신용으로 ball 렌즈를 수입(250만 개 규모)하고 있으며, 다음으로 GRIN 렌즈(30만 개 규모)를 수입하며, 비구면 렌즈의 수입은 거의 없는 실정이다. 프리즘 및 반사경은 시장에서 가장 큰 규모를 차지하고 있는 광픽업용 부품을 중심으로 조사하였다. III. 광학 부품의 향후 전망 렌즈 시장은 전자제품의 기술 방향이 종래 Meca-electronic에 Optics가 추가되어 광학 제품화되는 추세에 힘입어 급격한 수요 증가가 예측되는 시장이다. 특히, 휴대폰용 비구면 렌즈, 프로젝션 TV용 렌즈, 광통신용 렌즈, 의료기기용 Micro 렌즈, Pick-up용 렌즈, Laser Printer용 Hologram 렌즈, 2초점 비구면 렌즈, Sensor 렌즈 등의 차세대 광학 렌즈 시장은 IT 산업의 급속한 발전과 더불어 수요가 폭발적으로 증가할 것으로 예상된다. 모바일용 CCD/CMOS 촬영 소자의 제조 기술의 발전은 메가 픽셀급이 급속도로 증가될 것으로 추정된다. 향후 디지털 카메라 수준인 고화질을 요구하는 단말기의 경우 플라스틱 렌즈보다 비구면 글라스 렌즈만을 사용할 것으로 보인다. 향후 줌(Zoom) 기능을 갖춘 모바일용 렌즈도 출시될 것으로 예상되며, 최우선 과제는 성능과 소형 설계, 제조 기술을 갖추는 것이 시급하다. 광학관련 기술의 국내 특허출원이 활성화되고 있으며, 특허청(2003년) 자료에 따르면 1997년 이후부터 2000년까지 광학 소자에 관한 특허가 매년 300건 이상으로 집중 출원되고 있다. 광학계에 대한 출원이 853건으로 20%, 렌즈/프리즘/광필터에 대한 출원이 18% 정도로서, 렌즈에 대한 국내 출원도 활성화되고 있다는 것은 바람직한 현상으로 판단된다. <참 고 문 헌> [1] 일본 후지키메라총연, 유망전자부품재료조사총람, 2003년 [2] 일본 후지키메라총연, 광산업 예측 편람, 2002년 [3] 일본 후지키메라총연, 광산업 예측 편람, 2003년 [4] 전자신문, http://www.etimesi.com/ [5] 전자부품종합연구원, 일본전자소재산업의 현황과 Industry Shift, 주간전자정보, 제5권 18호, 2002. 11. 18. [6] 산업연구원, 국내외 광산업․ 기술의 현황과 전망, 2000. 11. [7] 한국광학기기협회, 광학세계, 2003년, 2004년 [8] 동양종합금융증권, 카메라폰 부품산업 대해부, 2004. 5. 18. [9] 하나증권, 기업분석, 세코닉스, 2003. 9. 24.