󠆾 □ 업계 최초 2억 화소 모바일 이미지센서 ‘아이소셀 HP1’

삼성전자는 0.64 마이크로미터 픽셀 2억개를 1/1.22인치 옵티컬포맷 크기에 구현한 ‘아이소셀 HP1’ 신제품을 공개했다.
※ 옵티컬포맷: 카메라 렌즈를 통해 들어오는 이미지가 인식되는 영역의 지름

삼성전자는 지난 2019년, 메모리 반도체 설계 기술과 노하우를 바탕으로 업계 최초로 1억 8백만 화소 이미지센서를 출시한 이후 2년 만에 다시 업계 최초로 2억 화소 제품을 출시하며 차세대 모바일 기기의 카메라 변화를 주도하고 있다.

특히, 이 제품은 0.64 마이크로미터 픽셀을 이용해 기존 1억 8백만 화소 제품대비 화소 수를 약 85% 많이 탑재하면서도 옵티컬포맷의 크기 증가는 최소화했다.

이 제품의 가장 큰 특징은 촬영 환경에 따라 4개 혹은 16개의 인접 픽셀을 조합할 수 있는 삼성전자의 독자 신기술 ‘테트라 스퀘어드 픽셀(Tetra²pixel)’이 최초로 적용된 것이다.

빛이 충분할 때는 0.64 마이크로미터의 미세 픽셀을 활용하고, 야경이나 실내처럼 어두운 경우에는 1.28 혹은 2.56 마이크로미터 픽셀처럼 수광 면적을 넓혀 밝고 선명한 사진을 찍을 수 있다.

또한, 고화질 동영상을 촬영할 때는 인접 픽셀 4개를 하나처럼 동작시켜 화각 손실 없이 초당 30프레임으로 8K 고해상도 영상을 촬영하는 기술도 탑재했다.

󠆾 □ 업계 최소 크기의 ‘듀얼 픽셀’ 이미지센서 ‘아이소셀 GN5’

‘아이소셀 GN5’는 1/1.57인치 옵티컬포맷에 1.0 마이크로미터 픽셀 5천만개를 구현한 업계 최소 크기의 ‘듀얼 픽셀’ 제품이다.

일반적으로 픽셀에는 빛을 모으는 포토다이오드가 한 개 있는데, ‘듀얼 픽셀’ 제품에는 모든 픽셀이 두 개의 포토다이오드를 탑재한다. 센서의 모든 픽셀이 초점을 맞추는 동시에 색 정보도 받아들일 수 있어서 화질 손상 없이 빠르고 정확한 자동 초점 기능을 구현할 수 있다는 장점이 있다.

삼성전자는 이 제품에 ‘듀얼 픽셀 프로’ 기술을 활용했다. 일반적인 듀얼 픽셀 제품이 자동 초점을 맞추기 위해 피사체의 좌, 우 위상차만 활용하는 반면, 이 제품은 상, 하, 좌, 우 위상차를 모두 활용함으로써 자동 초점 성능을 한층 강화했다.

특히, 삼성전자는 픽셀 사이에 절연부를 형성하는 FDTI(Front Deep Trench Isolation) 공법을 처음으로 듀얼 픽셀 구조에 최적화해 포토다이오드 사이에도 부분적으로 적용했다.

이를 통해 초미세 기술 적용에 따라 발생하는 혼색(Crosstalk)을 최소화하고 전하저장용량(Full Well Capacity)을 극대화해 1.2 마이크로미터 듀얼 픽셀 제품과 동일한 수준의 성능을 구현했다.

또한, 이 제품은 빛이 풍부한 곳에서는 하나의 포토다이오드를 하나의 픽셀처럼 활용하는 컬러 필터 재배치 알고리즘을 통해 1억 화소의 고화질 사진도 촬영할 수 있다.

삼성전자 시스템LSI사업부 센서사업팀 장덕현 부사장은 “삼성전자는 초소형 이미지센서에서의 고감도 촬영을 위한 기술적 난제를 극복하기 위해 독보적인 기술을 확보해 나가고 있다”며 “한계를 뛰어넘는 고화소 아이소셀 HP1과 한 차원 높은 자동초점 기능을 탑재한 아이소셀 GN5는 차세대 모바일 기기에서의 카메라 트렌드를 선도할 혁신적인 제품이다”고 말했다.

▲ 삼성전자 모바일 이미지센서 ‘아이소셀 HP1’

▲ 삼성전자 모바일 이미지센서 ‘아이소셀 GN5’

▲ 삼성전자 모바일 이미지센서 ‘아이소셀 GN5’(왼쪽)과 ‘아이소셀 HP1’(오른쪽)

▲ 삼성전자 모바일 이미지센서 ‘아이소셀 GN5’(왼쪽)과 ‘아이소셀 HP1’(오른쪽)

* 테트라 스퀘어드 픽셀(Tetra²pixel) 명칭은 2022년 7월에 수정되었음

이 제품은 초소형 0.8㎛(마이크로미터∙100만분의 1m) 크기의 픽셀을 적용한 센서로, 지난 5월 공개한 6천 4백만 제품보다 화소 수가 1.6배 이상 늘어나 모바일 이미지센서로는 업계 최대 화소수를 자랑한다.

‘아이소셀 브라이트 HMX’는 1억 개가 넘는 화소를 구현해 기존에 모바일 기기에서 표현하지 못했던 세세한 부분까지 이미지로 담아내는 초고해상도 촬영이 가능하다.

삼성전자는 ‘1/1.33 인치’ 크기의 센서를 적용해 빛을 받아들이는 면적(수광면적)을 넓혔으며, 4개의 픽셀을 합쳐 하나의 큰 픽셀처럼 활용하는 ‘테트라픽셀 기술’을 적용해 어두운 환경에서도 밝고 선명한 고화질 사진을 촬영할 수 있게 했다.

또한 빛의 양이 너무 많거나 적은 환경에서도 선명한 사진을 찍을 수 있도록 색 재현성은 높이고 노이즈를 최소화하는 ‘Smart-ISO(스마트 ISO) 기술’이 적용됐다.

‘Smart-ISO(스마트 ISO) 기술’은 바닷가와 같이 햇빛이 강한 환경에서는 Low-ISO 모드로 작동해 색 재현성을 높이고, 빛이 적은 환경에서는 High-ISO 모드로 작동해 노이즈를 개선한다.

이 밖에도 동영상 녹화시 화각 손실 없이 최대 6K(6,016 × 3,384) 해상도로 초당 30프레임의 영상을 담을 수 있어 개인용 동영상 촬영을 넘어 영화와 방송 콘텐츠 등 전문가 수준의 영상 촬영에도 활용할 수 있다.

한편 이번 삼성전자 ‘아이소셀 브라이트 HMX’ 출시에는 샤오미와의 협력이 큰 역할을 했다.

샤오미 공동 창업자 린빈 총재는 “프리미엄 DSLR에서나 가능하다고 생각했던 1억 8백만 화소 이미지센서를 작고 얇은 스마트폰에 최초로 적용하기 위해 삼성전자와 개발 초기부터 긴밀히 협력해왔다”라며, “지속적인 협력을 통해 사용자들에게 새로운 경험과 창의적인 콘텐츠 생산을 위한 플랫폼을 제공하겠다”라고 밝혔다.

삼성전자 시스템 LSI사업부 센서사업팀장 박용인 부사장은 “인간의 눈과 같은 초고화질로 세상을 담는 모바일 이미지센서 개발을 위해 혁신적인 노력을 지속했고, 그 목표에 조금씩 다가가고 있다”라며, “아이소셀 브라이트 HMX는 ‘1억 8백만 화소’와 ‘테트라픽셀’, ‘아이소셀 플러스’ 등 삼성전자의 기술이 집약되어 고객들에게 한 차원의 높은 섬세한 이미지를 제공할 것”이라고 말했다.

삼성전자는 이달부터 ‘아이소셀 브라이트 HMX’를 본격 양산할 예정이다.

▲ 삼성전자 아이소셀 브라이트 HMX

* 테트라픽셀(Tetrapixel) 명칭은 2022년 7월에 수정되었음

이 제품은 1600만 화소 이미지센서에 현재 구현 가능한 가장 작은 크기의 1.0㎛ 화소를 적용해 센서와 렌즈 사이의 촛점거리를 줄일 수 있어 카메라 모듈 크기와 두께를 최소화할 수 있게 했다. 

이번 제품은 고화질의 카메라 기능과 얇은 두께를 요구하는 초슬림 모바일 기기에 최적화된 제품이다. 이번 이미지센서를 적용한 카메라 모듈의 경우 두께를 5mm 이하까지 줄일 수 있어, 기존의 1.12㎛ 화소를 채용한 1600만 화소 카메라 모듈 대비 약 20% 정도 두께가 얇아져, 스마트폰의 두께를 최소화할 수 있다. 

동일한 화소 수의 센서 모듈을 더 작게 만들기 위해서는 화소의 크기를 줄여야 하는데, 화소의 크기를 줄이면 흡수하는 빛의 양이 감소해 화질이 떨어질 우려가 있다. 삼성전자는 각 화소를 서로 격리시켜 간섭현상을 최소화하는 독자 기술 ‘아이소셀(ISOCELL)’ 공정 기술을 적용해 빛의 손실을 줄임으로써 1.0㎛ 화소로 기존 1.12㎛ 화소와 동등한 수준의 화질을 구현했다.

홍규식 삼성전자 시스템 LSI 사업부 마케팅팀 상무는 “삼성전자는 1600만 화소를 필두로 초소형 화소 이미지센서 제품군을 확대하여 고화질 초박형 모바일기기 시장을 선도할 것” 이라고 밝혔다.

삼성전자는 업계 최초로 14나노 핀펫 공정을 적용한 모바일 AP를 양산한데 이어, 모바일 이미지센서 분야에서도 독자 기술인 아이소셀 공정 기술을 통해 업계 최초로 화소 크기를 1.0㎛ 까지 줄이는 등 모바일 시스템 반도체 시장에서 기술력을 선도해 나가고 있다. 

▲1.0㎛  화소 기반 1600만 화소 모바일 이미지센서