미래기술/미래전망/첨단산업

Nikkei Electronics_2020.2 특집 (p20-60)

Techno Trend beyond 2020
2030년 전망, 기술로 미래를 말한다

2020년을 맞이해 Nikkei Electronics는 올해를 전망하며 2030년을 내다보는 특집을 기획했다. 디스플레이, 5G/beyond 5G/6G, HDD, 실장, 로봇, VR/AR, 배터리, 반도체, AI의 9개 분야(키워드)를 들어 미래기술 동향을 전문 기자가 해설한다.

제1부 디스플레이
2020년에 유기EL로 주역 교대 / 다음은 마이크로 LED로 탈∙텔레비전

20년 가깝게 디스플레이의 주역을 담당했던 액정이 이제 그 자리를 넘겨주게 됐다. 하이엔드 제품인 디스플레이의 거의 대부분에 유기EL이 채용되면서 기업의 제품 전략이나 투자 전략은 유기EL 중심으로 확실하게 바뀐다. 그 다음의 세대 교체는 액정도 유기EL도 패널도 아닌 신기술의 대두다. 마이크로LED가 탈∙텔레비전을 외치며 이름을 올렸다.

20년부터 30년에 걸쳐 디스플레이에서는 2개의 세대교체가 일어난다. 20년에 일어나는 것은 액정(LCD)에서 유기EL(OLED)로의 주역 교체다. 하이엔드 제품인 디스플레이는 유기EL이 되고, 기업은 유기EL을 디스플레이 전략의 중심으로 삼는다. 그 다음 세대교체는 액정도 유기EL도 패널도 아닌 신기술의 대두다. 디스플레이 개발의 원동력도 더 이상 텔레비전이 아니다. 이 세대교체에서 주역을 담당하는 것은 마이크로LED다. 점광원 기술인 마이크로LED가 면광원 패널과는 다른 전혀 새로운 디스플레이 세계를 창출한다.

-- 2020년, 주역은 액정에서 유기EL로 --
-- 제2차 유기EL 투자 붐 도래 --
-- 게임에 주목한 삼성 --
-- 필사적으로 유기EL을 가속 --
-- ‘탈∙텔레비전’ ‘탈∙스마트폰’에서 주역은? --

제2부 5G/beyond 5G/6G
2030년을 목표로 5G를 고도화 / 미지의 테라헤르츠를 개척

20년 봄, 일본에서는 5G의 본격 상용서비스가 시작된다. 그리고 R&D 현장에서는 10년 후인 30년을 위한 ‘5G의 다음(beyond 5G 혹은 6G)’의 연구개발이 시동을 건다. 목표 스펙은 ‘100G비트/초’ ‘1000만대/㎢’ ‘지연 거의 제로’다. 밀리파를 초월하는 새로운 주파수대의 개척이 필요하다.

드디어 일본에서도 5G의 본격적인 상용서비스가 시작된다. 일본보다 앞선 형태로 19년에 서비스를 시작한 한국에서는 19년에 300만 가입을 돌파하는 등 착실하게 수치를 쌓아가고 있다. 미국이나 중국의 통신사업자도 이미 제공을 시작했으며, 25년에는 모바일 전체의 약 30%를 5G가 차지할 전망이다.

5G에 대한 검토가 시작된 것은 2010년 무렵이다. 상용화까지 약 10년을 소요했다고 볼 수 있다. 그리고 지금 세계의 R&D 현장에서는 10년 후인 30년을 목표로 ‘beyond 5G’나 ‘6G’라 불리는 ‘5G의 다음’에 대한 연구개발이 시작됐다.

예를 들면 일본에서는 NTT도코모가 ‘5G Evolution and Beyond’를 제창하며 1월에 개최하는 ‘DOCOMO Open House 2020’에서 최신 연구 성과를 선보일 예정이다. 또한 세계에서 가장 먼저 6G의 연구개발에 착수한 핀란드 오울루대학은 19년 9월에 ‘세계 첫’이라는 타이틀을 건 6G 백서를 공개했다. 이 외에도 중국의 화웨이나 ZTE와 같은 기기벤더도 6G 연구를 시작했다.

-- 5G로 분출된 산업계의 기대 --
-- 밀리파를 초월, 통신조차도 초월 --

제3부 HDD
2020년대 후반에 50TB 초월 / 정보 폭발 시대를 지원하다

HDD의 용량이 2020년대 후반에 50TB(테라바이트)를 넘을 것으로 보인다. 기록 밀도가 현재의 4~5배로 높아질 가능성을 안고 있는 신기술이 실용화되기 때문이다. 이르면 20년에 용량 20TB의 3.5인치형 용량에 적용된다. 그 후에도 연율 15~20%의 속도로 용량을 계속 확대하고 있다. 20년대의 HDD는 용량당 단가를 계속 내리는 방법으로 SSD와 분담한다.

20년은 HDD에게 전환의 해가 된다. 우선 주류 제품인 3.5인치 HDD 1대당 용량이 20TB대에 달한다. 다음으로 향후 10년 정도를 견인할 신기술의 실용화가 드디어 시작된다. 이 신기술은 25~26년에 50TB를 초월하는 용량을 달성할 전망이다. 수십 TB의 대용량을 비교적 저가에 제공함으로써 20년대의 HDD의 주요 용도는 대량 데이터의 아카이브가 될 것이다.

20TB 제품의 실용화에 불을 붙인 것은 미국의 Western Digital이다. 통상의 전기기록(CMR: Conventional Magnetic Recording) 방식으로 18TB, 이른바 싱글자기기록(SMR: Singled Magnetic Recording) 방식으로 20TB의 3.5인치 HDD를 연내에 샘플 출하한다고 19년 9월에 발표했다. 양산 예정 개시는 20년 전반이다.

20년에는 타사에서도 이와 같은 제품을 출시할 것으로 보인다. 미국 Seagate Technology는 19년 11월에 열린 2020년도 제1분기 결산발표회에서 20년 전반에 18TB 제품을 출하한다고 표명. 이 제품은 CMR방식이며, SMR 방식을 적용하면 20TB를 실현할 수 있는 숫자다. 도시바도 19년 11월에 열린 기술전략설명회에서 20년도에 18TB의 3.5인치 HDD를 투입하는 것을 밝혔다.

-- MAMR이나 HAMR이 실용화 --
-- SSD와는 다른 계층에서 분담 --
-- 성능의 향상은 정체 중 --

제4부 반도체 실장 기술
미세화의 종착점이 가까워진다 / 2020년에 다양화가 가속

향후의 고밀도 실장기술은 20년부터 23년에 걸쳐 속속 등장할 것으로 보이는 5G 스마트폰이 견인한다. 가일층의 소형화가 요구되는 적층세라믹콘덴서(MLCC)는 20년에 ‘0201부품’의 채용이 시작될 것이다. 메인 기판인 ‘2층’이 일반화되며, 반도체 실장이나 프린트 기판에서는 ‘3차원화’가 진행될 것으로 보인다.

20년부터 30년에 걸쳐서도 계속해서 스마트폰이 고밀도 실장을 견인한다. 특히 20년부터 23년에 걸쳐서는 5G 대응 기기가 속속 등장할 것으로 보여 이러한 방향성이 더욱 강해진다. 기존의 LTE(4G) 등을 위한 안테나에 더해 5G용 안테나 모듈을 3~4개 설치해야 하기 때문에 배터리도 대용량화가 요구된다. 그 반대로 메인 기판 등 실장 주변은 더욱 소형화할 필요가 발생하기 때문이다.

대표적인 것이 IC와 조합하는 ‘바이패스 콘덴서’ 등에서 많이 사용되는 적층세라믹콘덴서다. 20년부터는 ‘0201부품’(외형 치수는 0.25ⅹ0.125ⅹ0.125mm)을 채용하기 시작할 것으로 보인다. 무라타제작소는 바이패스 콘덴서의 ‘기본 용량’인 0.1μF의 0201부품을 개발해 20년에 양산을 시작한다고 발표했다.

스마트폰에서는 10년 전에 애플의 iPhone 채용을 계기로 0402부품이 증가하며 보급되기 시작했다. 전체적으로도 2030년을 대비해 외형 치수가 0.6ⅹ0.3ⅹ0.3mm의 ‘0603부품’이나 0.4ⅹ0.2ⅹ0.2mm의 ‘0402부품’이 더욱 증가한다.

-- 5G로 스마트폰은 메인 기판 2층으로 --
-- 미세화에 의한 비용 상승을 실장으로 해결 --
-- 프린트 기판도 미세화보다 3차원화 --

제5부 로봇
서비스 로봇의 보급이 진행 / 입는 로봇으로 시스템과 융합

20년 이후, 제조업 이외에서 이용되는 ‘서비스 로봇’의 보급이 가속될 것으로 보인다. 25년에는 세계에서 4.5조엔의 시장이 될 것으로 예측된다. 일본에서는 노동력 부족을 원동력으로 보급이 진행될 것 같다. 자동화의 물결은 보이지 않는 곳부터 시작해 서서히 공공의 장으로, 그리고 50년에는 가정에까지 보급될 것이다.

로봇에 의한 자동화는 20년부터 30년에 걸쳐 공공시설부터 시작된다. 일반인이 일상적으로 존재하는 구역까지 파급되고, 50년에는 가정 내에까지 보급된다. 청소, 세탁, 조리와 같은 가정이나 생활에 필요한 기능이 로봇 기술로 자동화된다.

그러나 그 모습은 사람의 모습으로 사람과 동일하게 작업하는 로봇과는 격차가 있을 것이다. 파나소닉에서 오랫동안 로봇 개발을 담당해 온 안도(安藤) 과장은 “50년에는 우리들이 상상하는 로봇은 가정에는 없다”라고 말한다.

-- 공장 밖에서 자동화가 시작된다 --
-- 벤처가 선행, 대기업은 관제를 목표 --
-- 로봇을 전제한 시스템 정비가 시작된다 --
-- 자동화의 빈틈에서 활약하는 파워 슈트 --
-- 2050년에는 ‘벽장’이 로봇화 --
-- 파워 슈트는 사람과 시스템을 연결한다 --

제6부 VR/AR
2030년의 경제 효과는 30배 이상 / 가속되는 디바이스의 진화가 지원

VR(가상현실)이나 AR(증강현실)과 같은 기술은 일상에 ‘편리함’을 초래하는 기술로서 침투하고 있다. 업무나 생활을 일변시킬 가능성이 있다. 보급의 진전을 따라서 경제 효과는 커져간다. VR/AR의 보급에는 편리함을 초래하는 콘텐츠가 필수하다. 디바이스 진화의 가속이 지속적으로 이를 지원하면서 콘텐츠 확충의 시대가 도래한다.

시장조사회사인 PwC는 세계에서 VR/AR이 초래하는 경제 효과는 20년에 957억달러로, 19년의 464억달러의 약 2배로 확대된다고 한다. 또한 30년까지는 1.54조달러에 달할 것으로 예측, 19년의 33배 이상이 될 전망이다. 특히 AR 분야는 VR 분야의 2배 이상의 경제 효과를 창출한다고 한다.

AR 분야의 경제 효과가 커지는 이유는, 업무개선이나 업무방식 개혁과 같은 BtoB용도로, 실제 공간을 바탕으로 정보를 확장하는 AR과 MR(혼합현실)이 미치는 영향이 크기 때문이다. 예를 들면 마이크로소프트의 ‘Holo Lens’는 MR용 헤드마운트 디스플레이(HMD)의 선구자로서 현장에 광범위하게 도입되었다. MR용 HMD는 업무효율화나 노동자에게 새로운 업무방식을 초래하는 역할을 담당한다. “(Holo Lens를 사용함으로써) 편리성이 향상되고 현재의 업무 형식이 크게 변할 것이다. 2차원에서 3차원으로 변화한 3D공간에서의 업무로, 새로운 업무 방식을 만들어 내고 싶다”(일본 마이크로소프트).

VR분야는 트레이닝이나 시뮬레이션, 프로토타이핑 등에서 기업에 도입되고 있다. 앞으로는 의료분야나 교육분야 등의 BtoB 용도에서도 더욱 시장이 확대될 것이다. 그러나 현재의 VR의 주 용도는 게임이나 음악 엔터테인먼트 등의 BtoC 용도다. 민생 용도에서 큰 경제 효과를 창출하기 위해서는 스마트폰처럼 우선은 하드웨어 디바이스가 소비자에게 보급돼야 한다.

-- 진화를 이어가는 VR/AR 디바이스 --
-- 2020년은 콘텐츠 확충의 해 --
-- 편리성의 핵심은 ‘공간UI’의 확립 --
-- 실현을 앞둔 ‘소리 AR’ --
-- 매일 보는 거리가 AR의 무대로 --
-- ‘10년 후의 미래는 알 수 없다’ --

제7부 배터리
현행 LIB를 초월하는 배터리 대두 / 2020년에 Li-S계가 실용화

현행 리튬이온이차전지(LIB)의 개발자가 노벨화학상을 수상한 것은 2019년. 그 이듬해인 올해는 LIB를 초월하는 리튬황(Li-S) 이차전지가 실용화된다. 리튬이온을 사용하지 않는 신형 배터리도 실용화가 가까워지고 있다. 대부분이 현행 LIB의 2~5배의 에너지밀도를 갖는다. 그럼에도 양산 시의 가격은 대폭 싸진다. 배터리의 혁신이 새로운 용도 개척으로 이어지는 흐름은 당분간 계속된다.

19년은 현행 LIB를 초월하는 ‘Beyond LIB’에 대한 기대가 지금까지 이상으로 높아진 해였다. 이유는 현행 LIB의 2개의 한계가 현재화되기 시작했기 때문이다. 2개의 한계는 (1)에너지밀도의 눈에 띄는 향상을 더 이상 전망할 수 없다는 것, (2)가격 저하 속도가 기존의 예측보다도 둔해졌다는 것이다.

(1)에 대해 현행 LIB의 중량 에너지밀도는 셀에서 최대 약 270Wh/kg, 체적에너지 밀도는 약 700Wh/L다. 현행 LIB의 틀에서는 280Wh/kg과 800Wh/L이 거의 한계로 보이고 있어 향후 성장 가능성은 작다. 이를 초월하기 위해서는 정극 재료에 큰 브레이크스루가 필요하지만 ‘선진 LIB’라고도 불리는 후보 기술은 모두 충방전 사이클 수명이 짧고 실용화 전망은 아직이다. 이전에는 30년의 실용화가 목표였지만 최근 상황을 보면 35년 이후로 미뤄질 것으로 보인다.

(2)의 가격은 가장 싼 셀에서 140달러/kWh대 전후로 보인다. 기존의 예측에서는 30년에는 70~80달러/kWh가 될 것으로 예측했다. 그러나 전기자동차(EV) 시장의 둔화를 배경으로 LIB의 대폭 증산에 신중한 업체가 많아 가격 저하 속도는 더딜 것으로 보인다. 코발트(Co)나 리튬(Li) 가격의 변동이 심하다는 것과, 자동차회사가 요구하는 고품질 LIB를 제조할 수 있는 업체가 한정적이라는 것도 저가격화가 둔화된 요인이라고 생각된다.

성능이 이미 정점에 달한데다 가격도 싸지지 않는다. 때문에 LIB와는 다른 기술의 실용화를 모색하는 움직임이 활발해지기 시작했다.

-- ‘그림의 떡’에서 탈피 --
-- 시대가 차세대 배터리를 요구하기 시작했다 --
-- 사이클 수명이 5,500회 초월 --
-- 이온전도율에서 Na이온이 Li 초월 --
-- 고성능 전고체 배터리는 25~30년일까? --

제8부 반도체
MPU 일변도의 시대 종료 / 연구 개발은 1nm로

반도체의 미세화, 이른바 무어(Moore)의 법칙의 종언이 제기된 지 오래다. 이제 끝났다, 아직 이어진다는 논의가 반복돼 왔다. 어느 분야에서는 주로 비용 면에서 미세화의 매력은 없어졌다. 다른 분야에서는 주로 성능 면에서 미세화의 혜택을 지금도 받고 있다. 실제로 미세화 피치의 둔화와 미세화의 혜택을 받는 분야의 감소가 발생하고 있다.

컴퓨팅 분야에서는 마이크로프로세서(MPU)의 미세화는 계속되지만 그 속도는 둔화되고 있다. 이로 인해 MPU 일변도의 시대가 끝난다. 미세화의 속도 둔화로 인해 지금까지의 성능 향상의 트렌드를 유지할 수 없기 때문이다. 이를 보상하기 위해 다양한 연산 리소스에 특정 워크로드를 실행시킨다. 이로 인해 성능 향상의 트렌드 유지를 도모한다. 다양한 연산 리소스를 조합하는 Heterogeneous Computing이 20년 무렵부터 본격적으로 발전해 나간다.

현재 컴퓨팅 분야, 특히 서버용 프로세서는 미국 인텔의 MPU ‘Xeon’의 독무대다. 무어의 법칙의 무어 박사는 인텔의 공동설립자중 한 사람으로, 무어의 법칙은 인텔의 기본 방침이다. 인텔은 대만 TSMC, 한국 삼성전자와 나란히 지금도 미세화를 추구하는 반도체업체다. 그러나 그것만으로는 안 된다는 것을 인텔은 잘 알고 있다. 인텔은 다음 시대 즉, Heterogeneous Computing 시대를 위한 준비를 추진해 왔다.

-- EUV가 당연시 --
-- 벨기에의 imec가 1nm까지의 로드맵 --

제9부 AI
스스로 배우고 생각하고 설명하는 AI / 이르면 2025년에 등장?

인공지능(AI)의 연구개발에 있어서 20년대는 CNN이나 트랜스포머와 같은 ‘요소기술’을 통합해 보다 복잡한 ‘세계’를 스스로 학습해 나가는 AI 시스템이 등장하는 시대가 될 것이다. 지금까지 경쟁했던 기호추론과의 연계나 융합도 시작된다. 학습만 하는 것이 아니라 인간이 알 수 있는 말로 스스로 생각하고 설명하는 AI의 등장도 가시화되기 시작했다.

현재 AI의 연구개발이 맹렬한 기세로 추진되고 있다. 다른 분야와는 속도감이 완전히 다르다. 예를 들면 최속 AI 연산시스템의 연산 능력은 3.4개월마다 2배가 된다는 보고가 있다. 반도체의 무어의 법칙에서 말하는 1.5~2년에 트랜지스터 밀도가 2배, 기존형 슈퍼컴퓨터에서의 연산 능력이 2년에 3배가 된다는 속도를 훨씬 능가한다. 이 속도가 계속되면 5년 후, 10년 후의 AI를 예측하는 것은 무어의 법칙에서의 약 18년 후와 약 35년 후, 즉 2038년이나 2055년의 세계를 예측하는 것과 같다. 역으로 기존의 감각으로 개발에 10년 걸릴 것으로 예측한 AI연구테마는 실제로는 3년 이내에 결과가 나올 가능성이 있다.

-- ‘시각’에 이어 ‘말’도 인간을 초월 --
-- 다양한 데이터가 내부 표현을 키운다 --
-- 2020년은 모덜ⅹ태스크 전성시대 --
-- 수년 내에 대학생 수준의 지능으로? --
-- 그래프로 세계의 학습이 가속 --
-- 적용 대상이 확산, 학습 효율도 높다 --
-- 기호추론과의 연계∙융합 시작되다 --
-- 인간=패턴인식ⅹ기호추론? --
-- 연구자의 부담을 대폭 경감 --

 -- 끝 --

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