▲ 박용인 삼성전자 System LSI사업부 Sensor사업팀장

맛있는 음식이나 밤하늘의 보름달, 아이들의 미소 짓는 순간 등 일상을 스마트폰으로 기록하고 공유하는 것은 더 이상 특별한 일이 아니다. 휴대성과 편리성이 강화된 스마트폰의 카메라로 일반인들도 쉽게 실시간 라이브 방송을 할 수 있게 된 것은 물론, 8K 고화질 영상 등 전문가 못지않은 촬영도 가능하다. 이 놀라운 스마트폰 카메라 발전의 중심에는 ‘모바일 이미지센서 반도체’가 있다.

하지만 카메라가 사람의 눈을 따라가려면 아직도 갈 길이 멀다. 사람의 눈은 5억 화소 이상의 해상도를 가지고 있다고 하는데, 현재 DSLR 카메라는 약 4,000만 화소, 플래그십 스마트폰은 1,200만 화소를 주로 사용하고 있다.

단순히 ‘5억 화소를 만들려면 이미지센서의 픽셀 숫자만 늘리면 되지 않나?’라고 생각할 수 있다. 하지만 그렇게 되면 이미지센서가 너무 커지고 두꺼워져, ‘카툭튀’를 넘어 카메라 렌즈 부분이 손잡이처럼 커질 것이다. 지금의 슬림한 스마트폰 외관을 유지하면서 카메라 해상도를 높이려면 이미지 센서의 픽셀은 훨씬 더 작아져야 한다. 하지만, 픽셀이 작아질수록 빛을 받아들이는 면적이 줄어들어 성능은 떨어진다. 픽셀의 크기를 줄이면서도 성능은 유지시키는 것이 이미지센서 기술의 관건이다.

삼성전자의 혁신과 세계 최고의 기술

메모리 반도체 1등 DNA와 세계 최고 공정기술을 가지고 있는 삼성전자는 ‘더 작으면서도 성능 좋은 이미지센서’를 만들고 있다. 2019년 5월에는 세계 최초로 6,400만 화소를 개발했고, 6개월 후에는 1억 8백만 화소 이미지센서를 출시했다.

1억 8백만 화소의 ‘아이소셀 브라이트(ISOCELL Bright) HM1’ 이미지센서는 9라는 의미를 갖는 최첨단 ‘노나픽셀(Nonapixel)’ 구조를 가진 것이 특징이다. 9개의 인접 화소가 마치 한 개의 화소인 것처럼 동작해 어두울 때는 빛을 받아들이는 면적을 9배로 넓힘으로써 밝게 볼 수 있고, 밝을 때는 1억 8백만 해상도로 세세한 부분까지 표현할 수 있다.

픽셀 크기가 0.7㎛(마이크로미터)인 이미지센서를 처음 출시한 것도 삼성전자다. 일부는 0.8㎛가 픽셀 기술의 한계라고 얘기하기도 했었다. 하지만, 삼성전자 엔지니어에게 ‘기술적 한계’란 좋은 동기부여이자, 넘어서야 할 숙명이다.

‘인간을 이롭게 하는 센서, 사람을 살리는 반도체’, 무궁무진한 센서의 세계

현재 대부분의 카메라는 우리 눈에 보이는 가시광선 파장대역(450nm~750nm)이 도달하는 이미지만 촬영할 수 있다. 눈에 보이지 않는, 가시광선 이외의 파장대역이 도달하는 영역을 촬영할 수 있는 센서는 드물고, 가격도 매우 비싸다.

세계 최고 수준의 반도체 기술력을 가진 삼성전자는 가시광선 영역을 넘어 자외선(파장대역 450nm 이하)과 적외선(파장대역 750nm 이상)을 활용할 수 있는 이미지센서도 연구하고 있다. 만약 이미지센서가 자외선 영역을 촬영할 수 있게 되면, 암조직의 색을 다르게 촬영하는 방식으로 피부암을 진단할 수도 있다. 또한 적외선 영역을 촬영할 수 있다면 농업/산업 영역에서도 쉽게 불량품을 구분할 수 있어 생산성 향상에도 활용 가능하다. 사람 눈으로 보이지 않는 세균까지 볼 수 있는 센서를 꿈꾸고 있다.

삼성전자는 카메라센서뿐 아니라 냄새를 맡는 후각, 맛을 느끼는 미각 등 다양한 센서 개발도 준비하고 있다. 인간의 오감을 대신하고 보이지 않는 영역에도 활용되는 센서가 가까운 시일 내에 우리 일상 곳곳에 깊숙이 스며들 것으로 예상된다. 꿈꾸는 만큼 넓힐 수 있는 무궁무진한 세계가 바로 센서 시장이다. 눈에 보이는 것은 모두 찍을 수 있고 보이지 않는 것도 표현하는 센서, ‘인간을 이롭게 하는 센서, 사람을 살리는 반도체’를 향한 삼성전자의 센서 개발은 이제 시작이다.

사람 눈을 능가하는 6억 화소 이미지센서를 향해

이미지센서는 스마트폰을 넘어, 자율주행차·IoT(사물인터넷)·드론 등에서도 본격적으로 사용될 것으로 예상된다. 삼성전자는 다양한 응용처에서 증가하는 고객 수요에 대응하기 위한 제품 라인업을 갖춰나갈 예정이다.

이미지센서의 화소 수를 늘리면서 픽셀을 작게 줄이는 트렌드는 2020년에도 계속될 것이고 삼성전자는 그 중심에 서 있다. 사람 눈을 능가하는 6억 화소 이미지센서를 포함한 무궁무진한 혁신을 위해 삼성전자는 계속 도전할 것이다.

* 노나픽셀(Nonapixel) 명칭은 2022년 7월에 수정되었음

‘아이소셀 브라이트 HM1’은 0.8㎛ 크기의 작은 픽셀 1억 8백만 개를 ‘1/1.33인치’의 크기에 구현한 제품으로 신기술 ‘노나픽셀’ 기능을 탑재해 어두운 환경에서도 밝은 이미지를 촬영할 수 있다.

‘노나픽셀’은 9개의 인접 픽셀을 하나의 큰 픽셀(3×3)처럼 동작하게 하는 것으로 촬영 환경에 따라 어두울 때는 밝게, 밝을 때는 더욱 세밀한 이미지를 구현할 수 있는 삼성전자만의 이미지센서 기술이다.
* 노나(Nona): 그리스어로 ‘숫자 9’를 의미

병합하는 픽셀 수가 많아질수록 인접 픽셀 간 색상 간섭이 민감해지기 때문에 이론적으로는 가능했지만 실제로 구현하기에 매우 어렵다.

삼성전자는 픽셀 간 분리막을 만드는 특허 기술, ‘아이소셀 플러스(ISOCELL Plus)’를 적용해 ‘노나픽셀’ 구현으로 발생할 수 있는 인접 픽셀 간 간섭과 빛 손실, 산란 현상을 방지했다.

‘노나픽셀’ 기술을 활용한 ‘아이소셀 브라이트 HM1’은 어두운 환경에서 0.8㎛(마이크로미터, 100만분의 1미터) 크기의 작은 픽셀을 2.4㎛의 큰 픽셀처럼 활용해 고감도 촬영이 가능하다.

4개의 픽셀을 활용하는 ‘테트라셀(Tetracell, 2×2)’과 비교할 때 빛을 2배 이상 많이 받아들일 수 있다.
* 테트라(Tetra): 그리스어로 ‘숫자 4’를 의미

삼성전자는 지난 해 8월 업계 최초로 1억 8백만 화소의 이미지센서 ‘아이소셀 브라이트 HMX’를 선보인 바 있다. 이어 6개월 만에 추가로 ‘향상된 컬러필터 기술’을 적용하며 초고화소 이미지센서 시장 혁신을 선도하고 있다.

이 제품은 최근 모바일 기기에 탑재되는 카메라의 수가 많아지고 사양이 높아지는 트랜드에 최적화된 초고화소·초소형·고성능 이미지센서로 초고화질 이미지와 최대 8K(7680×4320) 해상도로 초당 24프레임 동영상 촬영이 가능하다.

‘강화된 이미지 줌(Zoom)’을 이용한 프리뷰기능도 주목할 점이다. 피사체를 확대 촬영하기 위해 줌 기능을 활용할 경우, 이미지의 화질이 저하돼 보이는 것이 일반적이다.

‘아이소셀 브라이트 HM1’은 1억 8백만 화소 통해 피사체를 최대 3배(천 2백만)까지 확대해도 화질 저하 없이 촬영하는 이미지를 볼 수 있는 특징이 있다.

이 외에도 ‘아이소셀 브라이트 HM1’은 ‘스마트 ISO(Smart-ISO)’, ‘실시간 HDR(High Dynamic Range)’, ‘전자식 이미지 흔들림 보정(EIS)’ 등 최신 이미지센서 기술을 탑재해 어떠한 환경에서도 선명한 사진 촬영이 가능하다.

삼성전자 시스템LSI 사업부 센서사업팀 박용인 부사장은 “일상 속 소중한 모든 순간들을 촬영할 수 있도록 삼성전자는 끊임없이 이미지센서 기술을 혁신하고 있다”며 “‘아이소셀 브라이트 HM1’에 내장된 ‘노나픽셀’ 기술은 어떠한 환경에서도 생생한 사진을 찍을 수 있도록 도와줄 것”이라고 말했다.

삼성전자는 현재 ‘아이소셀 브라이트 HM1’을 양산하고 있다.

▲ 삼성전자 ‘아이소셀 브라이트 HM1’

* 노나픽셀(Nonapixel)과 테트라픽셀(Tetrapixel) 명칭은 2022년 7월에 수정되었음