스마트폰 카메라에 대한 소비자들의 눈높이가 높아짐에 따라, 메인 카메라뿐만 아니라 초광각, 망원 등 서브 카메라의 화질, 성능 향상에 대한 요구가 높아지고 있다.

삼성전자는 스마트폰의 메인 카메라와 서브 카메라에 다양하게 적용할 수 있는 첨단 이미지센서 3종을 통해 카메라 화각에 상관없이 일관된 사용자 경험을 제공한다는 계획이다.

▲플래그십 이미지센서 솔루션 3종

업계 최초 망원용 2억 화소 모바일 이미지센서 ‘아이소셀 HP9’

‘아이소셀 HP9’은 0.56㎛(마이크로미터) 크기의 픽셀 2억개를 1/1.4″(1.4분의 1인치) 옵티컬 포맷에 구현한 망원용 이미지센서 제품이다.

^{* 옵티컬 포맷(Optical Format): 이미지 센서 규격으로 카메라 모듈에서 외부 렌즈가 영상을 맺히게 하는 영역의 지름(Diagonal size)을 인치(Inch)로 변환한 값}

‘아이소셀 HP9’은 삼성전자가 신규 소재를 적용해 독자 개발한 고굴절 마이크로 렌즈를 활용해 빛을 모으는 능력을 향상시켜 각 컬러 필터에 해당하는 빛 정보를 더욱 정확하게 전달할 수 있다.

^{* 고굴절 마이크로 렌즈: 외부로부터 들어온 빛을 모으는 역할을 하는 마이크로 렌즈의 집광 능력을 향상시켜 각 컬러 필터를 통과하는 빛 정보를 적은 손실로 정확히 포토 다이오드에 전달 가능}

이를 통해 전작 대비 약 12% 개선된 감광 능력(SNR 10)과 약 10% 향상된 ‘자동초점 분리비(AF Contrast)’ 성능으로 더욱 선명한 색감 표현이 가능하다.

^{* SNR 10(Signal-to-Noise Ratio): 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio)가 10이 되는 조도(lux) 값* 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio): 하나의 픽셀에서 생성된 신호 대비 각종 Noise의 양을 수치화한 값으로, Noise에 의해 손실되지 않는 순수한 신호의 강도. SNR이 큰 이미지 센서일수록 이미지의 품질이 향상됨* 자동초점 분리비(AF Contrast): 위상차 검출 자동초점 방식(Phase Detection Auto Focus, PDAF)을 위한 픽셀 좌우측 광신호의 분리 비율}

특히 ‘아이소셀 HP9’은 저조도 환경에서 상대적으로 취약한 망원 카메라의 감도를 개선하였으며, 인접 픽셀 16개(4×4)를 묶은 ‘테트라 스퀘어드 픽셀(Tetra2pixel)’ 기술을 적용해 12Mp(Megapixel) 빅픽셀(2.24㎛) 인물 모드에서 저조도 감도 향상 뿐만 아니라 드라마틱한 아웃포커싱 효과인 보케(Bokeh)를 경험할 수 있다.

^{* 테트라 스퀘어드 픽셀(Tetra2pixel): 조도 조건에 따라 4개 또는 16개의 인접 픽셀을 묶어 수광 면적을 확대하는 기술. 이 기술을 통해 어두운 날씨 또는 실내와 같은 저조도 환경에서도 선명한 사진 촬영이 가능* 보케(Bokeh): 이미지의 아웃 포커스 부분에 미적인 블러 효과를 만들어내는 표현 방법으로 사진이나 영화에서 몽환적이고 예술적인 흐림 효과를 만드는 데 사용됨}

프리미엄 스마트폰의 광각 카메라 옵티컬 포맷이 대형화되면서 1/1.4″ 이미지센서 또한 망원 모듈로 실장될 수 있고, 리모자이크 알고리즘 기반 2배 또는 4배의 센서 자체 줌 (In-Sensor Zoom) 모드를 지원해 3배 망원 모듈에 탑재시 최대 12배 줌까지 선명한 화질 구현이 가능하다.

‘아이소셀 HP9’은 화질, 자동 초점, HDR(High Dynamic Range) 및 FPS(Frames Per Second) 측면에서도 프리미엄 광각 센서에 준하는 성능으로, 망원 카메라로 활용시 모든 배율에서 더욱 선명한 화질 경험을 선사할 것으로 기대된다.

^{* HDR(High Dynamic Range): 여러 장의 이미지를 다른 노출로 촬영해 합성하는 기술}

▲아이소셀 HP9

새로운 픽셀 기술의 집약체, 이미지센서 ‘아이소셀 GNJ’

‘아이소셀 GNJ’는 1/1.57″(1.57분의 1인치) 크기의 옵티컬 포맷에 1.0㎛ 픽셀 5천만개를 구현한 ‘듀얼 픽셀’ 제품이다.

‘듀얼 픽셀’은 모든 픽셀이 두 개의 포토다이오드를 탑재해 초점을 맞추는 동시에 색 정보도 받아들일 수 있어 화질 손상 없이 빠르고 정확한 자동 초점 기능을 구현할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 센서 자체 줌(In-Sensor Zoom) 모드 동작시 비디오 모드에서 한층 선명한 화질 촬영과 함께 이미지 캡쳐 모드에서도 잔상과 모아레(Moire) 현상이 없는 선명한 해상력을 제공한다.

^{* 모아레(Moire) 현상: 특정 주파수에서 반복되는 두 가지 이상의 패턴 간 상호 간섭으로 인하여 시각적으로 왜곡되는 현상* 해상력: 동영상/이미지가 얼마나 자세하게 표현될 수 있는지를 나타내는 척도}

특히 프리뷰 모드에서는 전작 대비 약 29%, 비디오 모드에서는 4K 60fps 기준 약 34%의 소비 전력이 개선됐다.

‘아이소셀 GNJ’는 ‘고굴절 마이크로 렌즈’와 함께 삼성전자가 신규 개발한 ‘고투과 ARL’ 소재를 적용해, 어두운 부분에도 선명한 화질을 제공하도록 개선했다.

^{* 고투과 ARL(Anti-Reflective Layer): 컬러 필터를 투과한 입사광을 최대화하기 위해 반사 또는 산란되는 광량을 줄이고 투과율을 높이는 기술}

또한, ‘아이소셀 GNJ’는 픽셀과 픽셀 사이 격벽 DTI 물질을 폴리 실리콘(Poly Si)에서 산화물(Oxide)로 변경해 투과된 빛의 손실을 줄이고 픽셀 간 간섭 현상을 줄여 더욱 선명한 이미지를 구현했다.

^{* DTI(Deep Trench Isolation): 픽셀과 픽셀 사이에 절연부를 형성해 인접한 화소들을 서로 격리시켜 픽셀 간 간섭 현상을 줄이는 기술}

▲아이소셀 GNJ

모든 화각에서 일관된 카메라 경험 선사하는 ‘아이소셀 JN5’

‘아이소셀 JN5’는 1/2.76″(2.76분의 1인치) 크기의 옵티컬 포맷에 0.64㎛ 픽셀 5천만개를 구현한 제품이다.

‘아이소셀 JN5’는 ‘Dual VTG(Dual Vertical Transfer Gate)’ 기술을 도입해 픽셀에 들어온 빛이 변환된 전하의 전송 능력을 높이고 극 저조도에서의 노이즈 특성을 대폭 개선하여 어두운 곳에서도 한층 선명한 화질을 선사한다.

^{* Dual VTG(Dual Vertical Transfer Gate): 포토다이오드에서 회로로 전자를 이동시키는 수직 구조의 게이트를 2개 배치해 전자 신호 전달 효율을 극대화하는 기술}

또, 좌/우, 상/하의 위상차를 모두 이용하는 위상차 자동 초점 기술인 ‘슈퍼 QPD(Quad Phase Detection)’기술을 적용해 빠르게 움직이는 피사체의 작은 디테일까지도 흔들림 없이 포착할 수 있다.

‘아이소셀 JN5’는 HDR 기능을 강화한 ‘듀얼 슬로프 게인(Dual Slope Gain)’ 기술도 적용됐다.

‘듀얼 슬로프 게인’ 기술은 픽셀에 들어온 빛의 아날로그 정보를 서로 다른 2개의 신호로 증폭하고 이를 디지털 신호로 변환해 하나의 데이터로 합성하는 기술로, 센서가 표현할 수 있는 색의 범위를 넓혀 준다.

이 밖에도 하드웨어 리모자이크 알고리즘을 적용해 카메라 촬영 속도가 향상됐고, 프리뷰와 캡쳐 모드에서 실시간 줌 동작이 가능하다.

^{* 하드웨어 리모자이크 알고리즘(Hardware Re-mosaic Algorithm): 컬러 픽셀을 재정렬해 디테일을 살리는 기술로, 픽셀을 기존 RGB 패턴으로 다시 맵핑해 풍부한 디테일을 살려내는 알고리즘}

‘아이소셀 JN5’는 1/2.76″의 얇은 옵티컬 포맷으로 범용성이 매우 높아 광각과 초광각 카메라는 물론 전면(Front)과 망원 카메라에도 채용될 수 있어 모든 화각에서도 일관된 카메라 경험을 선사한다.

삼성전자 시스템LSI사업부 Sensor사업팀 이제석 부사장은 “전통적인 이미지센서의 성능을 고도화하는 것은 물론, 메인과 서브 카메라의 격차를 줄여 모든 화각에서 일관된 촬영 경험을 선사하는 것이 업계의 새로운 방향으로 자리잡고 있다”며 “삼성전자는 최신 기술이 집약된 새로운 모바일 이미지센서 라인업을 통해 업계 표준을 리드하고, 센서 혁신 기술 개발을 지속해 한계를 돌파해 나갈 것”이라고 밝혔다.

▲아이소셀 JN5

매우 밝은 환경에서도 각 픽셀의 색상과 디테일을 보다 선명하게 표현할 수 있는 듀얼-VTG(Dual Vertical Transfer Gate), 저조도 환경에서 인접한 픽셀을 묶어 수광 면적을 넓게 함으로써 더 또렷하게 촬영할 수 있는 ‘테트라 스퀘어드 픽셀 (Tetra²pixel)’ 등도 이런 노력의 일환으로 개발된 독자 기술이다.

특히 삼성전자는 초고화소 이미지 센서의 사용자 경험을 더욱 향상시키기 위한 여러 솔루션을 지속적으로 도입하고 있다.

자유롭게 줌인하고 피사체를 자동 추적하는 솔루션

삼성전자의 최신 모바일 동영상 기능인 ‘아이소셀 줌 애니플레이스(ISOCELL Zoom Anyplace)’는 더욱 자유롭고 창의적인 스마트폰 촬영을 가능하게 하는 혁신적인 솔루션이다.

2억 화소 이미지센서를 활용한 이 기능은 사용자가 선택한 피사체를 카메라가 자동으로 추적하고 촬영할 수 있도록 돕는다.

지금까지는 동영상을 촬영할 때 사용자가 움직이는 피사체에 직접 초점을 맞춰야 했지만 ‘아이소셀 줌 애니플레이스’와 퀄컴 AI 엔진을 사용하면 카메라가 움직이는 피사체를 놓치지 않도록 신속하게 추적할 뿐만 아니라 화면 흔들림을 최소화할 수 있다.

동영상 촬영 중 움직이는 피사체를 추적하는 작업을 ‘아이소셀 줌 애니플레이스’가 맡아주기 때문에 사용자는 눈앞에서 펼쳐지는 장면을 직접 감상할 수 있다는 장점도 있다.

특히 ‘아이소셀 줌 애니플레이스’ 솔루션은 실시간 리모자이크 기능 덕분에 확대된 영역도 고해상도를 유지할 수 있게 한다. 기존에는 동영상을 촬영한 뒤 특정 피사체를 확대하면 이 부분의 화질이 떨어졌지만 이런 문제를 해결한 것이다.

또한 다양한 앵글에서 역동적으로 촬영할 수 있고, 사용자가 원하는대로 촬영 중에 피사체를 확대 또는 축소할 수도 있어 다양한 예술적 선택을 할 수 있고 전반적인 사용자 경험을 향상시킨다.

특히 테트라 스퀘어드 픽셀의 ‘센서 내 줌’ 기능을 활용하면 촬영할 때 선택의 폭이 한층 넓어지는 효과가 있다.

디지털 줌을 사용하던 예전에는 피사체를 확대하면 이미지의 화소가 떨어졌지만 ‘센서 내 줌’을 사용하면 전체 범위에서 확대할 영역을 선택하고 리모자이크하기 때문에 센서가 원래 화소를 유지하면서 훨씬 더 선명한 동영상을 촬영할 수 있다.

또한 기존에는 3배 이상 확대할 때 카메라가 광각에서 망원으로 전환되어 이미지 품질과 앵글이 바뀌었으나 2억 화소 광각 카메라는 화소 손실 없이 2배 또는 4배까지 매끄럽게 확대할 수 있다. 변함없이 유지되는 화질 덕분에 실제처럼 생생한 촬영 경험을 즐길 수 있게 된 것이다.

이미지 촬영을 위한 E2E AI 리모자이크

삼성전자는 동영상 솔루션인 ‘아이소셀 줌 애니플레이스’ 외에 이미지 촬영을 위한 ‘엔드 투 엔드(E2E) AI 리모자이크’ 솔루션을 도입했다.

현재 2억 화소 이미지 센서의 촬영 후 이미지 처리 단계는 리모자이크 전에 RAW 데이터 출력이 발생, 이미지 신호 처리(ISP)로 이어진 다음 JPEG 이미지 출력으로 마무리된다. 이 과정의 모든 단계는 순차적으로 이루어진다.

E2E AI 리모자이크는 리모자이크와 이미지 신호 처리(ISP)가 동시에 이루어지도록 해서 프로세스를 향상시키는 방식이다.

이미지 프로세싱 시간이 전반적으로 빨라지기 때문에 2억 화소 이미지의 촬영 시간이 단축되고 이미지 품질은 향상된다. 더욱 빠르게 사진을 촬영하고 확인할 수 있으며, 지연으로 인한 데이터 손실에 따른 이미지 품질 저하가 줄어든다. 이로 인해 촬영한 사진의 디테일과 컬러가 더욱 풍부해지는 것이다.

사용자 경험을 개선하기 위한 지속적인 노력

삼성전자는 동영상용 ‘아이소셀 줌 애니플레이스’와 이미지용 ‘E2E AI 리모자이크’의 발전을 바탕으로 동영상 및 사진 경험을 변화시키는 데 있어 주요한 발전을 이루고 있다.

이와 같은 발전은 장기적인 전략의 일부로, 사용자 경험을 더욱 향상시킬 수 있는 솔루션을 계속해서 연구하고 있다. 앞으로도 삼성전자의 초고해상도 아이소셀 이미지 센서와 함께 다양한 순간을 촬영할 수 있기를 기대해본다.

^{*표시된 모든 이미지는 개발 단계에 있는 기술의 예상 성능을 설명하기 위한 것으로, 아이소셀 줌 애니플레이스나 E2E AI 리모자이크로 촬영되지 않았습니다.}

삼성전자는 초지능화(Hyper-Intelligence)·초연결성(Hyper-Connected)·초데이터(Hyper-Data)를 가능하게 할 주요 응용처별 최신 반도체 설계 현황과 비전을 공유했다.

삼성전자는 고객사와 파트너사 관계자 300여명이 참석한 가운데, 시스템 반도체 설계 분야 글로벌 전문가, 석학들과 함께 생성형 AI·대형 언어 모델(LLM, Large Language Model) 기술에 대한 심도 깊은 논의를 진행했다.

삼성전자 시스템LSI사업부 박용인 사장은 “데이터를 생성하고 처리하는 ‘생성형 AI’가 올해 가장 중요한 기술 트렌드로 자리 잡으며 더 고도화된 기반 기술 확보의 필요성이 대두되고 있다” 며 “삼성전자는 고성능 IP부터 장단거리 통신 솔루션, 인간의 오감을 모방한 센서 기반 ‘시스템LSI 휴머노이드(System LSI Humanoid)’를 구현해나가며 생성형 AI에서 더 발전된 ‘선행적 AI(Proactive AI)’ 시대를 열 것이다”고 밝혔다.

최신 그래픽과 생성형 AI 기술로 사용자 경험 극대화한 엑시노스 2400

삼성전자는 이번 행사에서 AMD(Advanced Micro Devices)의 최신 아키텍쳐 RDNA3 기반 엑스클립스 940(Xclipse 940) 그래픽 처리장치(GPU)를 탑재한 차세대 모바일 프로세서 ‘엑시노스(Exynos) 2400’을 공개했다.

‘엑시노스 2400’은 전작인 ‘엑시노스 2200’ 대비 CPU 성능은 1.7배, AI 성능은 지난 2년간 14.7배 대폭 향상됐다.

삼성전자는 이 제품에 더욱 향상된 레이 트레이싱(Ray Tracing)과 함께 글로벌 일루미네이션(Global Illumination), 리플렉션/쉐도우 렌더링(Reflection/Shadow Rendering) 등 다양한 첨단 그래픽 기술을 탑재해 고성능 게임을 즐기는 유저들에게 최고의 사용자 경험(User Experience)를 제공할 계획이다.

^{* 레이 트레이싱(Ray Tracing): 물체에 투과, 굴절, 반사되는 빛을 추적해 사물을 실감나게 표현하는 기술* 글로벌 일루미네이션(Global Illumination): 직접광, 간접광 포함한 자연광처럼 표면에서 반사되는 빛까지 고려하여 현실감 있는 표현을 위한 그래픽스 기법* 리플렉션/쉐도우 렌더링(Reflection/Shadow Rendering): 빛의 반사효과, 그림자 경계를 현실 세계와 유사하게 자연스럽게 표현하는 기법}

또 삼성전자는 ‘엑시노스 2400’을 레퍼런스 기기에 탑재해 향후 스마트폰에 적용될 문자를 이미지로 변환하는 새로운 생성형 AI 기술도 선보였다.

초연결시대를 향한 삼성전자 시스템반도체 설계 기술 경쟁력 선봬

삼성전자는 이날 엑시노스 오토(Exynos Auto)·아이소셀 오토(ISOCELL Auto)·아이소셀 비전(ISOCELL Vizion) 등 다양한 차세대 시스템반도체 제품 기술을 시연해 고객사와 파트너사들로부터 호평을 받았다.

삼성전자는 2억 화소 이미지센서 기반 초고해상도 특수 줌 기술인 ‘줌 애니플레이스(Zoom Anyplace)’를 처음 공개했다. 이 기술은 움직이는 사물에 대해 풀스크린과 최대 4배 클로즈업 장면까지 화질 저하없이 동시에 촬영할 수 있고, 클로즈업시 AI 기술로 사물을 자동 추적할 수 있어 모바일 사용자에게 완전히 새로운 카메라 줌 경험을 제공한다.

삼성전자는 2025년 양산 예정인 차세대 프리미엄 인포테인먼트(IVI, In-Vehicle Infotainment)용 프로세서 ‘엑시노스 오토 V920’ 구동 영상을 공개했다.

이 제품은 Arm의 최신 전장용 중앙처리장치(CPU) 코어텍스-A78AE 10개를 기반으로 이전 제품 대비 1.7배 강화된 CPU 성능과 최대 6개의 고화질 디스플레이에 동시 연결 가능한 멀티 커넥티비티 기능으로 스마트하고 즐거운 모빌리티 경험을 제공한다.

또 삼성전자는 차량용 이미지센서향 ‘아이소셀 오토’와 사물의 빠른 움직임을 순간적으로 정확하게 포착 가능한 ‘아이소셀 비전’ 제품을 통해 안전 주행 기술도 선보였다.

삼성전자가 이날 공개한 ‘아이소셀 오토 1H1’은 다양한 주행, 조도 환경에서 도로와 사물을 정확히 판단할 수 있는 120dB HDR을 지원하고, 신호등의 깜빡임 현상 등 ‘LED 플리커(LED Flicker)’를 완화할 수 있다.

삼성전자는 운전자에게 최고의 모빌리티 경험을 제공하는 차세대 차량용 핵심 반도체를 통해 전장 기술 경쟁력을 강화해 나갈 계획이다.

한편, 삼성전자는 이날 행사에서 비지상 네트워크(NTN, Non-Terrestrial Network) 사업자 ‘스카일로 테크놀로지스(Skylo Technologies)’와 함께 차세대 5G 모뎀을 통해 모바일 기기와 인공위성을 5G로 연결하는 비지상 네트워크 통신을 선보이며, 초연결시대를 향한 삼성전자의 무선 통신 기술 리더십을 강조했다.

^{* 스카일로사(Skylo Technologies): 인공위성을 사용하는 비지상 네트워크 (NTN, Non-Terrestrial Networks)중 NTN NB-IoT 기능을 별도의 IoT칩이 없이 지원하는 차세대 5G 모뎀으로 인공위성 신호 수신기를 제작}

이외에도 삼성전자는 초광대역(UWB, Ultra-Wideband) 기술을 활용한 ‘엑시노스 커넥트(Exynos Connect) U100·2억 초고화소 이미지센서 ‘아이소셀 HP2’·QD OLED 화질을 위한 디스플레이IC·IoT 보안 솔루션·무선충전향 전력관리IC(PMIC)·스마트 헬스 프로세서 등 다양한 차세대 반도체 솔루션을 소개했다.

▲10월 5일(현지시간) 미국 실리콘밸리 삼성전자 DS부문 미주총괄(DSA)에서 열린 ‘삼성 시스템LSI 테크 데이 2023’에서 시스템LSI 사업부 박용인 사장이 발표를 하고 있는 모습

▲10월 5일(현지시간) 미국 실리콘밸리 삼성전자 DS부문미주총괄(DSA)에서 열린 ‘삼성 시스템LSI 테크 데이 2023’에서 발표를 듣는 청중들의 모습

▲10월 5일(현지시간) 미국 실리콘밸리 삼성전자 DS부문 미주총괄(DSA)에서 열린 ‘삼성 시스템LSI 테크 데이 2023’ 현장

초대형 인쇄 프로젝트를 기획한 삼성전자 DS부문 글로벌마컴팀 김창완 프로는 2억 화소 모바일 이미지센서의 한계가 궁금했다. 그는 “2억 화소 이미지센서가 표현할 수 있는 디테일의 한계가 어디일까 상상하던 중 이 아이디어가 떠올랐다”고 말했다.

촬영 과정을 진행한 시스템 LSI사업부 센서솔루션팀 개발자들에게도 본 프로젝트는 결코 쉬운 도전이 아니었다. 아직 개발 단계인 이미지센서로 촬영을 하는 것이 내부적으로도 쉬운 도전은 아니었던 것. 이민혁 프로는 “2억 화소로 어느 정도 사이즈까지 인쇄할 수 있을지에 대한 궁금증을 갖고 있었다”고 말하면서도 “아직 스마트폰에 탑재되지 않은 이미지센서의 화질을 처음으로 선보이는 것이기 때문에 부담이 컸다”고 덧붙였다. 카메라 모듈의 최적화가 완벽하지 않은 상태였지만, 센서솔루션팀이 선택한 것은 쉬운 피사체보다 생동감 넘치는 피사체였다. “고양이를 피사체로 하기는 쉽지 않은 결정이었다. 개발단계의 모듈로 움직이는 사물을 촬영하는데 어려움이 예상됐지만, 사용자들이 실제로 많이 찍으면서 섬세한 디테일을 보여줄 수 있는 피사체를 골라야만 했다”라고 설명했다.

아무리 완벽하게 준비했다고는 하지만, 촬영에 돌입하면 우리가 전혀 예상하지 못한 변수가 생길 때가 있다. 센서솔루션팀 이가을 프로 역시 변수가 많은 촬영 환경에 대비하기 위해 많은 방법을 고민했다. DSLR용 렌즈를 개발 보드에 부착하기 위한 특수 어댑터를 제작하고 렌즈도 다양하게 준비했지만, 이가을 프로는 스마트폰 모듈 자체로 촬영을 결정했다. “최종적으로는 사용자들이 사용하는 환경 그대로 보여주는 것이 중요하다고 판단해, 스마트폰 모듈 그 자체로 촬영했고, 만족할만한 결과물을 얻었다”고 소감을 전했다.

개발 보드 특성상 사진작가가 화면을 보고 구도를 잡으면, 개발자들이 노출과 초점 등을 세팅하고 촬영하는 방식으로 진행됐다. 고양이의 자연스러운 움직임을 관찰하며 다양한 시도를 한 끝에 촬영팀은 마침내 결정적인 한 장의 사진을 찍을 수 있었다. 사진 촬영을 진행한 김현중 작가는 2억 화소는 DSLR에서도 만나보기 어려운 화소였기에 결과물이 궁금했다며 “촬영된 결과물의 원본을 100%로 확대해 봤을 때, 눈을 의심할 정도로 뛰어난 디테일 덕에 내가 가진 스마트폰 카메라에 대한 선입견을 완전히 바꿀 수 있었다”고 밝혔다.

촬영은 물론, 인쇄하는 과정도 쉽지 않았다. 총 616m²에 달하는 사이즈를 한 번에 출력할 수 없었던 것. 제작진은 출력물을 특수 제작하기에 이르렀다. 가로 폭 약 2.3m 길이의 기다란 천에 분할 인쇄하고 총 12개의 조각을 재봉하는 방식을 택했다. 트럭에 실려 설치 현장으로 옮겨진 출력물은 대형 크레인을 이용해 설치됐고, 마침내 그 엄청난 크기를 드러냈다. 현장에서 이를 본 김창완 프로는 “출력물의 크기가 숫자 그 이상으로 크게 다가와 정말 놀랐다. 고양이의 눈과 털에서 2억 화소의 경이로운 디테일을 본 순간, 이 제품 개발을 위해 땀을 흘린 임직원들의 노력이 느껴지는 듯했다”고 말했다.

이번 프로젝트는 2억 화소 이미지센서의 한계를 테스트하는 작은 실험에 불과했지만, 삼성전자는 앞으로도 초고화소 분야의 리더십 확대를 위해 노력해 나갈 계획이다. “사용자들이 촬영된 사진을 보고 마음껏 줌인하고 잘라내도 화질 손상이 적은 결과물을 얻을 수 있는 것. 그것이 2억 화소 이미지센서가 주는 큰 이점이다”고 말한 이가을 프로는 “앞으로 2억 화소 이미지센서가 8K 비디오 촬영을 위한 최적의 솔루션으로 자리매김할 것”이라고 덧붙였다. 크기는 손톱만큼 작지만, 압도적인 경험을 선사하는 아이소셀 이미지센서의 앞날을 기대해보자.

1억 8백만 화소가 구현하는 놀라운 디테일

초고화소 이미지를 구현하기 위해 아이소셀 HM3는 0.8㎛(마이크로미터, 100만 분의 1미터) 크기의 픽셀 1억 8백만 개를 집적해, 이미지를 매우 세밀하게 포착해낸다. 각 픽셀에 삼성의 차세대 화소 격리 기술인 아이소셀 2.0을 적용해 빛에 대한 감도와 색 재현력을 높였다. 아이소셀 기술은 인접한 픽셀 간의 물리적 벽을 이용해, 색 간섭을 줄이고 빛 손실을 차단한다. 특히 아이소셀 HM3에 탑재된 아이소셀 2.0은 컬러 필터 사이에 업그레이드된 소재를 적용해, 감도를 높이고 색 재현력을 개선했다.

아이소셀 HM3에는 어두운 환경에서 성능을 개선해주는 노나픽셀(Nonapixel) 기술이 적용됐다. 빛이 적은 환경에서 이미지 센서는 9개의 픽셀을 하나로 묶는다. 합쳐진 9개의 픽셀은 마치 한 개의 큰 픽셀과 같은 효과를 내 더 많은 빛을 받아들이고, 노이즈가 줄어든 밝고 선명한 사진을 만들어낸다. 뿐만 아니라, 아이소셀 HM3 센서에는 향상된 재배치(re-mosaic) 알고리즘도 포함됐다. 해당 알고리즘은 밝은 환경에서 1억 8백만 개의 픽셀을 효과적으로 재배치해 최적화된 이미지 해상도를 구현한다.

다양한 빛에도 선명한 색으로 스마트하게 사진 포착

탁월한 기능의 이미지센서라면 다양한 밝기 환경에서도 고품질의 사진을 촬영할 수 있어야 한다. 스마트 ISO를 탑재한 아이소셀 HM3는 어두운 환경과 밝은 환경에서 각각 활용할 수 있는 고감도(High ISO), 저감도(Low ISO) 모드를 모두 제공하며, 밝기에 따라 적절한 설정을 스스로 선택한다. 밝은 환경에서는 저감도 모드로 촬영해 색을 더욱 생생하게 표현하고 색상 과포화를 줄여준다. 또, 빛이 부족한 환경에서 촬영할 때에는 고감도 모드로 전환해 밝고 깨끗한 사진을 만들어 준다.

야간 촬영 성능을 한층 끌어올리기 위해 ‘멀티 샘플링 기술’도 적용됐다. 한 개의 장면을 여러 프레임으로 읽고, 이들의 평균을 산출해 최종 이미지에서 노이즈를 줄여주는 것. 덕분에, 야간 촬영에도 선명하면서 노이즈가 적은 결과물을 얻을 수 있다.

또, 스마트 ISO 프로는 여러 밝기가 뒤섞인 환경에서도 폭넓은 다이내믹 레인지로 탁월한 이미지를 포착할 수 있게 도와준다. 이미지센서가 고감도와 저감도 정보를 합성해 색감이 풍부한 12비트(687억 색상) 이미지를 만든다.

다이내믹 레인지가 넓은 이미지를 적은 전력으로 빠르게 생산하는 스태거드 HDR(Staggered High Dynamic Range) 기능도 HM3의 장점이다. 스태거드 HDR은 동일한 픽셀 어레이(Array)에 롤링 셔터를 사용해 짧은 노출, 중간 노출, 장시간 노출로 총 세 개의 프레임을 포착하고 각 픽셀 열을 모바일 프로세서로 전송해 합성한다. 그 결과 사용자는 일몰이나, 창문을 등지고 실내에서 촬영할 때와 같이 여러 밝기가 혼재된 경우에도 깨끗하고 생생한 이미지를 얻을 수 있다.

활발한 움직임에도 깨끗하게

움직이는 장면을 찍을 때 가장 중요한 것은 ‘자동초점’이다. 아이소셀 HM3은 이를 위해 위상검출 초점 기능(Phase Detection Auto-Focus, PDAF)에 최적화된 마이크로 렌즈를 탑재한 ‘슈퍼 PD 플러스‘ 기술을 제공한다. 사용자는 이를 활용해 어두운 환경에서 기존보다 50% 빠르게 초점을 검출할 수 있어 흔들림 없는 이미지를 촬영할 수 있다.

고화질 영상을 촬영할 때도 아이소셀 HM3는 특히 유용하다. 8K 고해상도 영상 레코딩을 지원해 정교하면서도 선명한 영상을 촬영할 수 있기 때문. 또, 초당 120프레임의 4K 영상과 초당 240프레임의 풀 HD 영상을 촬영할 수 있어 슬로우 모션 영상도 촬영할 수 있다.

새로운 차원의 사진과 영상을 촬영할 수 있도록 도와주는 아이소셀 HM3. 이를 활용한 스마트폰으로 촬영의 재미를 함께 누려보는 건 어떨까.

특히 삼성의 아이소셀(ISOCELL) 이미지센서는 사람들의 소중한 순간을 더 완벽한 사진으로 담기 위해 끊임없이 진화하고 있다. 삼성전자가 최근 선보인 ‘아이소셀 GN1’은 라인업 최초로 하나의 화소에 두 개의 포토다이오드를 배치하는 ‘듀얼 픽셀(Dual Pixel)’ 기술과 4개의 인접 픽셀을 하나로 묶는 ‘테트라픽셀(Tetrapixel)’ 기술을 동시에 탑재했다. 1.2μm(마이크로미터·100만분의 1m) 크기의 픽셀을 적용한 5천만 화소의 아이소셀 GN1은 빠른 자동 초점, 고해상도의 디테일, 저조도 환경에서도 뛰어난 색조를 자랑한다. 다재다능한 이미지센서 아이소셀 GN1을 아래 영상에서 자세히 살펴보자.

하나의 픽셀에 두 개의 포토다이오드로 빠르고 끊김 없는 초점

아이소셀 GN1은 ‘듀얼 픽셀’ 기술로 빠르고 정확하게 초점을 맞춘다. 듀얼 픽셀 기술은 마치 사람이 양쪽 눈을 이용해 초점을 맞추는 것과 비슷한 원리다. 하나의 픽셀은 두 개의 포토다이오드로 구성되고, 각각의 포토다이오드가 빛을 받아들여 두 개의 이미지를 만든다. 이 두 이미지의 위상차를 계산해 보다 빠르게 초점을 맞추는 것.

이 ‘위상차 검출 방식’은 이미지 윤곽의 대비를 분석해 초점을 조절하는 ‘콘트라스트(대비) 검출 방식’보다 훨씬 빠르고 정확하게 초점을 잡는다. 또한 전체 픽셀 중 5~10% 정도만 위상차 검출을 하는 이미지센서들에 비해, 아이소셀 GN1은 5천만 개의 모든 픽셀에서 위상차 검출을 할 수 있어 더 빠르고 정확하게 초점을 잡아낸다.

어둠 속에서도 깨끗하고 밝은 이미지 만드는 ‘큰 픽셀’

픽셀은 받아들인 빛을 데이터로 전환한다. 픽셀의 크기에 따라 받아들일 수 있는 빛의 양이 다르고, 이미지 해상도에 차이가 생긴다. 같은 크기의 센서에서 픽셀 크기가 작아지면 초고해상도 구현이 가능해, 작은 디테일까지 선명하게 포착할 수 있다. 반면 크기가 큰 픽셀은 저조도 조건에서 더 많은 빛을 받아들일 수 있어 더 밝은 사진을 만들어 낼 수 있다. 큰 픽셀에서부터 미세픽셀까지 다양한 시장의 요구를 만족시키기 위해 삼성전자는 다채로운 이미지센서 제품 라인업을 제공하고 있다.

아이소셀 GN1은 5천만 화소(8,160×6,144)의 고해상도이면서 픽셀 크기는 1.2μm로, 일반적인 고해상도 센서의 픽셀 크기 0.8μm의 약 두 배 정도다. 덕분에 어두운 환경에서도 밝고 깨끗한 사진을 촬영할 수 있다. 또 픽셀 사이에 물리적인 벽을 만드는 기술인 ‘아이소셀 플러스(ISOCELL PLUS)’기술로 인접 픽셀로부터의 간섭현상을 줄여 더 정확한 색을 재현할 수 있다.

뿐만 아니라 5천만 화소에 ‘듀얼 픽셀’ 기술과 소프트웨어 알고리즘을 더해 최대 1억 화소의 해상도와 비슷한 수준의 이미지도 출력 할 수 있다.

눈에 보이는 야경을 그대로 사진으로 옮기는 ‘테트라픽셀’ 기술

아름다운 야경을 마주했을 때, 눈에 보이는 만큼 사진에 담기지 않아 촬영을 포기할 때가 있다. 하지만 아이소셀 GN1은 1.2μm의 큰 픽셀 사이즈에 테트라픽셀 기술까지 적용돼, 밤에도 선명한 사진을 찍을 수 있다.

다른 색 필터를 가진 픽셀들이 모자이크 패턴으로 배열된 기존의 RGB 센서들과 달리, 테트라픽셀 센서는 같은 색 필터를 가진 네 개의 픽셀이 인접하게 배열돼 하나의 그룹을 이룬다. 어두운 곳에서 사진을 찍을 땐 같은 색상 네 개의 픽셀이 하나의 큰 픽셀처럼 작동해, 더 많은 빛을 포착하는 것. 반면 밝은 환경에서는 재배치(re-mosaic) 알고리즘으로 픽셀을 기존 RGB처럼 재배열해 고해상도 이미지로 촬영한다.

강렬한 햇빛 아래, 선명한 사진을 만들어내는 ‘실시간 HDR’

역광이나 햇볕이 강하게 내리쬐는 곳에서 인물 사진을 잘 찍기는 쉽지 않다. 사람의 눈과 달리 카메라는 밝은 부분과 어두운 부분 모두를 적절한 밝기로 찍기 어렵기 때문. 기존 HDR(High Dynamic Range) 기술은 다른 노출로 촬영한 여러 장의 이미지를 합성해 폭넓은 명암을 얻는 방식으로 문제를 해결했다.

아이소셀 GN1의 ‘실시간 HDR’도 이와 비슷한 원리를 활용한다. 차이점이 있다면 순차적으로 사진을 찍고 이를 합성하는 기존 방식과 달리, 아이소셀 GN1은 테트라픽셀 구조를 활용해 한번에 다양한 노출로 촬영하고 실시간으로 합성해 낸다는 것.

먼저, 하나의 그룹에 속한 네 개의 픽셀은 동시에 각각 노출 시간을 달리해 사진을 찍는다. 두 개의 픽셀은 중간 정도로, 하나는 길게, 나머지 하나는 짧은 노출 시간으로 다양한 밝기의 정보를 얻는다. 노출 수준이 다른 3가지 정보는 실시간으로 하나로 합쳐져, 밝기와 명암이 최적화된 HDR 이미지를 생성한다.

‘찰나’의 순간도 놓치지 않는 최적의 감도

기본 감도(Native ISO)는 이미지 센서가 빛을 얼마나 민감하게 받아들일지 정하는 값이다. 이는 포토다이오드가 받아들일 수 있는 빛의 양과 노이즈 수준에 영향을 끼친다. 일반적으로 기존의 이미지 센서들은 하나의 높은 기본 감도만 가지고 있어, 어두운 환경에서 노이즈를 줄이는 데 용이하지만 밝은 환경에서 빛을 많이 받는 부분을 처리하는데 아쉬움이 있었다.

아이소셀 GN1의 ‘스마트 ISO’ 기술은 높은 감도와 낮은 감도 두 가지 세팅을 갖게 하며, 빛 환경에 따라 적절한 감도로 자동 조절된다. 햇빛이 강한 환경에서나 어두운 환경에서도 최적의 명암비와 최소한의 노이즈로 선명한 사진을 촬영할 수 있는 것.

가령 한낮의 해변에서 인물 사진을 찍을 때는 자동으로 ‘낮은 기본 감도’가 선택돼, 각 픽셀이 받아들이는 빛의 양을 늘리고 명암비를 확장해 희뿌옇지 않은 선명한 이미지를 얻을 수 있다. 반면 한밤중에 열린 파티에서 친구들과 셀카를 찍을 때는 ‘높은 감도’가 선택돼 노이즈를 줄이고 어둠에 가려진 디테일까지 선명하게 잡아낸다.

더 다양한 아이소셀의 이야기를 ‘여기‘에서 만나 볼 수 있다.

* 테트라픽셀(Tetrapixel) 명칭은 2022년 7월에 수정되었음

삼성전자는 ‘아이소셀 GN1’에 최초로 하나의 화소(Pixel)에 두 개의 포토 다이오드를 배치하는 ‘듀얼 픽셀(Dual Pixel)’ 기술과 4개의 인접 픽셀을 하나로 묶는 ‘테트라픽셀(Tetrapixel)’ 기술을 동시에 적용했다.

‘아이소셀 GN1’은 DSLR 수준의 업계 최고 ‘위상검출자동초점(Phase Detection Auto-Focus, PDAF)’ 성능을 제공한다.

사람이 양쪽 눈을 이용해 피사체에 초점을 맞추는 것처럼, 이 제품은 각 화소에 좌우로 위치한 두 개의 포토 다이오드에서 검출된 이미지의 위상차를 계산해 피사체에 정확하고 빠르게 초점을 맞춘다. 축구, 야구 등 스포츠와 같이 역동적인 장면을 찍을 때도 선명한 이미지 촬영이 가능하다.

각 화소에 두 개의 포토 다이오드가 있어 5천만화소의 경우, 1억개의 포토 다이오드가 받아들이는 빛을 이용해 1억화소 수준의 이미지를 출력할 수 있는 것도 특징이다.

또한, 이 제품은 1.2 μm의 비교적 큰 픽셀 면적으로 빛을 더 많이 받아들일 수 있다는 장점이 있다. 특히 어두운 환경에서는 4개의 픽셀을 하나로 결합하는 테트라픽셀 기술로 감도를 4배 높여 1,250만 화소의 밝고 선명한 이미지 촬영이 가능하다.

삼성전자는 빛에 따라 자동으로 ISO 값을 조정하는 ‘Smart-ISO’, 이미지 촬영 시 밝기와 명암을 자동으로 최적화하는 ‘실시간 HDR’, ‘전자식 이미지 흔들림 보정(EIS)’ 등의 최신 이미지센서 기술도 함께 탑재했다.

삼성전자 시스템LSI 사업부 센서사업팀 박용인 부사장은 “‘아이소셀 GN1’은 강화된 자동초점기능으로 어떤 환경에서도 밝고 선명한 사진을 촬영할 수 있는 제품”이라며, “삼성전자는 지속적인 픽셀 기술 혁신으로 시장이 요구하는 차세대 고성능·다기능 이미지센서 개발을 선도해 나가겠다”고 말했다.

삼성전자는 이번 달부터 ‘아이소셀 GN1’을 양산하고 있다.

▲ 삼성전자 모바일 이미지센서 ‘아이소셀 GN1’

* 테트라픽셀(Tetrapixel) 명칭은 2022년 7월에 수정되었음

특히 필름 카메라에서 디지털카메라의 발전은 우리 생활에도 큰 변화를 가져왔습니다. 콤팩트형의 소형 카메라에서 전문가용 고사양 DSLR까지 그 종류도 다양해졌고 휴대폰, 태블릿PC, CCTV, 블랙박스에 이르기까지 다양한 기기에 카메라 기술이 적용됐습니다.

▲ 디지털카메라 속 반도체 기술

이렇게 우리의 소중한 추억을 기록해주는 디지털카메라에도 반도체 기술이 숨어 있습니다. 렌즈를 통해 들어오는 빛을 전기적인 영상 신호로 바꿔 주는 CMOS 이미지센서(CIS), 이미지 신호를 처리하는 이미지 신호 처리 장치(ISP), 데이터 처리속도를 빠르게 해주는 D램, 사진파일을 저장하는 낸드플래시 등 많은 반도체가 우리 카메라에서 중요한 역할을 하는데요.

오늘은 카메라의 필름 역할을 하는 ‘CMOS 이미지센서’에 대해 알아보겠습니다.

카메라의 필름역할을 하는 ‘이미지센서’

디지털카메라에는 여러 반도체 기술이 필요하지만, 가장 중요한 역할을 하는 부품이 바로 ‘이미지센서’입니다. 이미지센서는 피사체 정보를 읽어 전기적인 영상신호로 변환해주는 장치입니다. 즉 빛에너지를 전기적 에너지로 변환해 영상으로 만드는데 카메라의 필름과 같은 역할을 합니다.

쉽게 말해 렌즈를 통해 들어온 빛을 전기적 디지털 신호로 변환해주는 역할로, 영상신호를 저장하고 전송해 디스플레이 장치로 촬영한 사진을 볼 수 있도록 만들어 주는 반도체입니다. 이러한 이미지센서가 사용되는 디지털카메라는 일반 필름카메라와 달리 필름, 인화 과정을 필요로 하지 않는데요. 사진을 찍은 후 바로 디스플레이 화면에서 사진을 확인하거나 삭제할 수 있는 것이죠!

이미지센서는 응용 방식과 제조 공정에 따라 CCD 이미지센서와 CMOS 이미지센서로 나눌 수 있습니다. CCD 이미지센서는 전자 형태의 신호를 직접 전송하는 방식으로 아날로그 제조 공정이 사용되는데요.

CMOS 이미지센서 대비 노이즈가 적다는 장점을 가지고 있습니다. 반면 CMOS 이미지센서는 신호를 전압 형태로 변환해 전송하는 방식으로 CMOS 제조 공정이 사용되어 가격경쟁력이 있다는 장점이 있습니다.

이러한 특징 때문에 과거 CCD 이미지센서는 디지털카메라에 사용되고, CMOS 이미지센서는 주로 휴대폰에 사용됐습니다.

하지만 휴대폰, 태블릿PC 등 카메라 기능이 탑재된 모바일 기기의 시장이 확대되면서 핵심 부품으로 CMOS 이미지센서가 주목받기 시작했습니다. 특히 모바일 기기는 전력 소비를 줄이는 것이 중요한데 이는 배터리 사용 시간 연장과 직결되기 때문입니다. 때문에 CCD 이미지센서 대비 저전력 공정으로 소비전력에서 강점을 가지는 CMOS 이미지센서가 핵심 부품으로 떠오르게 된 것입니다.

또한, CMOS 이미지센서는 노이즈 등 성능이 매우 개선되고 동영상 지원 기능과 가격 측면에서도 지속적인 우위를 가지면서 최근에는 DSLR 카메라에도 많이 탑재되고 있습니다.

이외에도 CMOS 이미지센서는 CCD 이미지센서에 비해 많은 장점을 가지고 있는데요, 일반 반도체 공정인 CMOS 공정을 사용하기 때문에 가격 경쟁력을 가지며 이미지센서와 주변 회로를 원칩화할 수 있어 소형화 및 관리가 용이합니다.

CMOS 이미지센서의 혁신, ISOCELL

일반적으로 이미지의 화질은 센서를 구성하는 각 픽셀(Pixel, 화소)에 모이는 빛의 양에 많은 영향을 받습니다. 최근 CMOS 이미지센서의 칩 크기는 작아지고 픽셀 수는 늘어나 픽셀의 크기가 계속 작아지고 있는데요. 작은 픽셀일수록 충분한 빛을 흡수하기 어려워 CMOS 이미지센서 기술은 ‘수광율(이미지센서가 빛을 받아들이는 정도)’을 높이는 방향으로 발전해 왔습니다.

그래서 기존 후면조사형(BSI) 센서는 ‘수광부(빛을 받아들이는 부분)’를 센서의 가장 윗부분으로 옮겨 ‘수광율’을 높여 왔는데요, 하지만 픽셀의 크기가 계속 작아짐에 따라 최근 한계에 봉착했습니다.

이에 작년 9월 삼성전자는 업계 최초로 기존 CMOS 이미지센서의 성능 한계를 극복한 ‘아이소셀(ISOCELL)’ 개발에 성공했는데요,

‘아이소셀(ISOCELL)’은 ‘격리하다(isolate)’와 ‘세포(cell)’의 뜻이 합쳐진 어원으로, 용어에서도 알 수 있듯이 픽셀과 픽셀 사이에 절연부를 형성해 인접한 픽셀들을 서로 격리시키는 구조입니다. 즉 이미지센서를 구성하고 있는 수백만 개의 픽셀 각각의 테두리에 물리적인 벽을 세워 픽셀로 들어온 빛이 밖으로 나가지 않도록 하는 첨단 이미지센서 기술인데요,

각 픽셀에 들어온 빛이 주변 픽셀에 영향을 주는 ‘간섭현상’을 최소화해 빛의 손실을 줄인 것이 특징입니다. 때문에 빛이 적은 어두운 공간에서도 보다 깨끗한 이미지를 얻을 수 있어 모바일기기 사용자들의 카메라 성능 만족도를 더욱 높일 수 있답니다.

삼성전자는 이번 MWC 2014(Mobile World Congress)에서 아이소셀을 기반으로 한 1600만 화소 이미지센서와 적층형 구조의 1300만 화소 이미지센서를 새롭게 공개하며 모바일 이미지센서 분야의 기술 리더십을 더욱 강화하고 있습니다. 우리의 소중한 추억 순간순간을 간직해주는 반도체, ‘이미지센서’의 활약을 앞으로도 기대해주세요~!

원문 링크: http://samsungsemiconstory.com/642

에디터S는 요즘 스마트폰으로 사진을 찍고 SNS에 올리는 재미에 푹 빠졌는데요~
스마트폰 카메라는 전문가용 카메라와 비교해도 뒤지지 않을 정도로 화질이 훌륭할 뿐 아니라 휴대가 간편하다는 장점이 있답니다^^.

삼성전자는 지난달 스페인 바르셀로나에서 열린 MWC(Mobile World Congress) 2014를 통해 차세대 기술인 ‘아이소셀(ISOCELL)’을 적용한 1300만, 1600만 화소 모바일 CMOS 이미지센서(CIS)를 공개했습니다.

아이소셀은 지난해 9월 삼성전자가 업계 최초로 개발한 차세대 이미지센서 기술로, CIS 구성 화소에 모이는 빛을 최대한 활용할 수 있도록 센서 구조를 바꾼 게 특징입니다. 이를 통해 어두운 환경에서도 사진을 선명하게 촬영할 수 있고, 색 재현성(reproducibility)을 높여 피사체 고유의 색에 가까운 이미지를 표현할 수 있습니다^^.

이번에 에디터S가 소개할 이야기는 이처럼 사진의 품질을 향상시키는 CIS와 아이소셀입니다.

▲차세대 CMOS 이미지센서 신기술 ‘아이소셀(ISOCELL)’을 적용한 800만화소(1/4인치) 모듈

에디터S는 CIS의 개념을 이해하기 위해 전문 용어부터 하나씩 공부해보기로 했답니다^^.

CMOS는 집적 회로를 구성하는 기술입니다. 이렇게 배경지식을 쌓았으니 이제는 CIS에 대해 살펴볼 차례죠?

CIS는 CMOS 기술로 생산된 이미지 센서를 말합니다. 수많은 감광 픽셀 센서들이 배열된 집적 회로로서 각각의 픽셀은 빛을 감지하는 광검출기(photodetector)와 신호를 증폭하는 능동증폭기(active amplifier)로 구성됩니다.

CIS는 사진의 품질을 결정하는 핵심 부품입니다. 빛을 받아들여 전기 신호로 변환하는 역할을 한다는 점에서 특히 디지털 영상 기기에 많이 활용되는데요. 디지털 카메라, 스마트폰, 태블릿, 통신 장치 등이 대표적입니다.

아이소셀은 CIS 구성 화소에 모이는 빛을 최대한 활용할 수 있도록 센서의 구조를 혁신적으로 변화시킨 기술입니다. ‘격리하다(isolate)’와 ‘세포(cell)’가 합쳐진 어원처럼 픽셀(pixel) 각각의 테두리에 물리적 벽을 형성해 픽셀 간 간섭 현상을 줄임으로써 어두운 공간에서도 보다 깨끗한 이미지를 얻을 수 있답니다^^.

아이소셀에 대해 더 잘 살펴보기 위해 CIS에 적용되는 픽셀 기술부터 살펴보겠습니다.

픽셀 기술은 전면조사형(FSI, Front Side Illumination)에서 후면조사형(BSI, Back Side Illumination)으로 발전했습니다. 후면조사형은 웨이퍼를 뒤집어 얇게 가공, 후면에서 빛을 받아들이도록 한 방식입니다.

빛이 들어오는 경로가 짧고 많은 양의 빛을 받아들일 수 있어 전면조사형 방식보다 40% 이상 감도를 높여 영상 품질을 획기적으로 개선할 수 있습니다.

하지만 후면조사형은 많은 빛과 색상을 흡수해 이웃한 픽셀 사이에서 색상이 혼합될 수 있다는 게 문제였는데요.

▲아이소셀 기술 모식도

삼성전자가 최초로 도입한 아이소셀 기술은 후면조사형의 이 같은 한계를 극복했다는 점에서 의미가 있습니다. 앞서 설명 드린 것처럼 픽셀 간 장벽을 만들어 색상 혼합 문제를 해소했으니까요.

▲아이소셀(ISOCELL) 기술로 찍은 영상

그 결과, 픽셀 간 간섭 현상이 후면조사형보다 30% 이상 줄어 이미지의 색상 재현성을 높였습니다. 또한 수광면적이 30% 늘어나 어두운 환경에서도 보다 선명하고 깨끗한 이미지를 얻을 수 있게 됐습니다.

 
CIS와 아이소셀은 추억의 흔적을 좀 더 선명하고 깨끗하게 남길 수 있도록 돕는다는 공통점을 갖는데요. 삼성전자는 디지털 시대에도 변함없이 아날로그적 정취를 되살릴 수 있도록 더욱 노력하겠습니다^^.

삼성전자는 스마트폰에서 두뇌 역할에 해당하는 모바일AP 신제품 2종(엑시노스 5422, 엑시노스 5260)을 공개했는데요. 엑시노스 5422(옥타코어 기반)는 프리미엄 모바일 기기용, 엑시노스 5260(헥사코어 기반)은 미드엔드 스마트폰용으로 각각 개발됐습니다. 이는 시장별로 최적화된 제품을 통해 사업 영역을 확대하기 위한 전략에 따른 것입니다.

 헥사코어(hexa-core) : 6개의 코어를 말합니다.

또한 삼성전자는 모바일 기기의 카메라 성능을 좌우하는 이미지센서 신제품 2종인 1600만 화소 이미지센서와 적층형 구조의 1300만 화소 이미지센서도 공개했는데요. 두 제품 모두 삼성전자가 지난해 개발한 차세대 이미지센서 기술 ‘아이소셀’을 기반으로 한 제품입니다.

이뿐 아니라 삼성전자는 모바일 결제 생태계를 확장시킬 수 있는 NFC칩과 초소형 원칩 솔루션으로 적용범위를 넓힌 Wifi 커넥티비티 신제품도 선보였습니다.

삼성전자는 이번 신제품 출시를 통해 모바일 반도체 종합 솔루션 업체로서의 위상을 더욱 공고히 해나갈 계획입니다.

모바일AP : 엑시노스 5 시리즈, 저전력으로 고해상도 디스플레이 지원

프리미엄 모바일 시장을 겨냥한 엑시노스 5422는 저전력으로 고해상도 디스플레이를 지원하는데요. 멀티미디어 재생과 컴퓨팅 능력을 향상해 모바일기기 사용자들이 고화질 동영상이나 고사양 게임 등을 더욱 원활히 즐길 수 있도록 했습니다.

엑시노스 5422 제품은 삼성전자가 지난 2013년 개발한 ‘옥타코어 빅리틀(big.LITTLE) 멀티프로세싱 솔루션’을 적용해 8개의 코어(2.1GHz 고성능 코어 4개와 1.5GHz 저전력 코어 4개)가 작업의 종류에 따라 필요한 만큼 개별적으로 작동하며 기존 제품 대비 데이터 처리 능력이 34% 개선되는 등 성능과 효율성이 크게 향상되었는데요.

그뿐만 아니라 엑시노스 5422에는 ‘모바일 이미지 압축 기술(MIC)’ 과 ‘하이버네이션(Hibernation) 알고리즘’ 기능이 탑재되어 기존 해상도에 비해 넓은 대역폭과 빠른 데이터 처리 속도를 요구하는 초고해상도 디스플레이 규격 WQHD(2560×1440)와 WQXGA(2560×1600)를 지원할 수 있습니다.

‘MIC’ 기술은 디스플레이 데이터를 절반 수준으로 압축해 필요한 메모리 대역폭을 최소화하며, ‘하이버네이션 알고리즘’은 영상 재생 중 색 변화가 필요하지 않은 픽셀을 감지해 불필요한 데이터 전송을 차단하게 됩니다.

‘MIC’ 기술과 ‘하이버네이션 알고리즘’은 삼성전자의 모바일DDI(Display Driver IC)와 함께 작동하며, 이 기술을 통해 기존 제품 대비 10%의 전력 절감 효과를 볼 수 있습니다.

또한 엑시노스 5422는 4K UHD 해상도가 지원되는 멀티 포맷 코덱(MFC)을 내장하는 등 멀티미디어 기능을 향상해 모바일기기 사용자가 좀 더 다양하고 풍부한 멀티미디어 콘텐츠를 제작하고 공유할 수 있도록 했습니다.

한편 함께 발표된 엑시노스 5260은 미드엔드 모바일 시장에 최적화된 성능과 전력 소비율을 보여주는 제품인데요. 1.7GHz 고성능 코어 2개와 1.3GHz 저전력 코어 4개로 구성된 6개의 코어가 ‘big.LITTLE 멀티프로세싱 기술’을 기반으로 동작해 엑시노스 듀얼시리즈 대비 속도가 최고 42% 향상되었습니다.

또 임베디드 디스플레이 포트(eDP) 인터페이스와 초당 12.8GB의 메모리 대역폭으로 WQXGA 해상도를 지원하고 Full-HD(1920×1080) 화질로 초당 60장의 속도로 인코딩할 수 있으며 H.264, MPEG4, VP8 등 다양한 디코딩 코덱을 내재하고 있습니다.

엑시노스 5422는 올해 1분기에 양산될 예정이며, 엑시노스 5260은 현재 양산 중에 있습니다.

CIS : 1600/1300만 화소 차세대 이미지센서 소개

삼성전자는 차세대 이미지센서 기술인 ‘아이소셀(ISOCELL)’을 적용한 모바일 이미지센서 신제품 2종을 함께 공개했습니다.

‘아이소셀’은 2013년 9월 삼성전자가 업계 최초로 개발한 차세대 이미지센서 기술인데요. 픽셀(Pixel) 각각의 테두리에 물리적인 벽을 형성하여 픽셀 간의 간섭현상을 줄이고, 빛이 적은 어두운 공간에서도 보다 깨끗한 이미지를 얻을 수 있어 모바일기기 사용자들의 카메라 성능 만족도를 극대화하는 역할을 합니다.

2013년 11월부터 800만 화소 아이소셀 이미지센서를 양산하고 있는 삼성전자는 이번에 1600만 화소 이미지센서와 스마트 WDR기능을 탑재한 적층형 구조의 1300만 화소의 이미지센서를 새롭게 선보이며 아이소셀을 통해 모바일 이미지센서 분야의 기술 리더십을 더욱 강화했습니다.

삼성전자의 1600만 화소 이미지센서는 1.12um 크기의 아이소셀을 적용한 것으로, 색 재현성이 높아 피사체 고유의 색에 가까운 이미지를 표현할 수 있습니다. 또한 업계 최초로 1600만 화소에서 초당 30프레임의 속도로 촬영할 수 있도록 지원해 고속으로 움직이는 피사체도 보다 매끄럽고 자연스럽게 표현할 수 있습니다.

이번 제품을 통해 사용자들은 16:9 화면 비율을 지원하는 스마트폰으로 사진을 찍었을 때 주변 화면 손실 없이 넓은 시야의 사진을 즐길 수 있게 됩니다.

적층형 1300만 화소 아이소셀 이미지센서는 65nm 적층형 공정으로 넓어진 회로 영역에 계조 차이가 큰 환경에서 한 번의 촬영으로 피사체 고유의 색감을 표현할 수 있는 ‘스마트 WDR(Smart Wide Dynamic Range)’과 같은 부가 기능을 추가하여 별도의 프로세서 없이 이미지센서 단독으로 처리할 수 있습니다.

 스마트 WDR(Smart Wide Dynamic Range)
기존의 HDR(High Dynamic Range) 기술은 조도를 달리하여 2~3번을 촬영한 후 이를 합성하는 반면, 스마트 WDR 기술은 하나의 프레임에 장 노출 픽셀과 단 노출 픽셀이 모자이크 형식으로 배치된 구조를 기반으로 합니다. 이 구조를 통해 역광 등 계조(Gradation) 차이가 큰 촬영 환경에서도 한 번의 촬영으로 피사체 고유의 색감을 보다 선명하게 표현할 수 있으며, 기존에는 WDR 기능이 동영상 촬영에만 적용되었지만 스마트 WDR은 사진 촬영까지 적용할 수 있습니다.

1600만 화소 아이소셀 이미지센서는 2014년 1분기에 양산되고 적층형 1300만 화소 아이소셀 이미지센서는 2분기에 양산될 예정입니다.

3세대 NFC칩 : 업계 최저 소비전력 구현, 펌웨어 업데이트 편리

삼성전자는 업계 최초 45나노 임베디드 플래시 공정을 적용해 최소 수준의 전력 소비와 간편하고 안전한 펌웨어 업데이트가 가능한 NFC칩 솔루션을 선보였습니다.

RF(Radio Frequency, 무선주파수) 성능을 향상함과 동시에 삼성전자의 스마트 안테나 기술로 안테나 크기를 세계 최소 수준으로 줄여 이 제품을 탑재하는 업체들의 제품 개발 다양성을 높여 주는 한편, 송수신 임피던스 최적화로 전파 민감성과 전력 효율을 향상시켰습니다.

 임피던스(Impedance)
주어진 주파수에서 디바이스나 회로가 교류(AC) 흐름에 제공하는 총 저항을 의미합니다.

삼성전자는 업계 최초로 NFC칩을 통해 Mobile POS(Point of Sales) 기능을 구현해 이번 3세대 NFC칩이 최근 빠르게 성장하고 있는 모바일 결제 시장에 차별화된 솔루션을 제공할 것으로 기대하고 있는데요. 이번 NFC칩 솔루션은 현재 샘플이 제공되고 있으며 올해 2분기부터 본격적으로 양산될 예정입니다.

 POS (Point of Sales)
금전등록기와 컴퓨터 단말기의 기능을 결합한 것으로 판매 시점 정보관리 시스템입니다.

Wifi 커넥티비티 : MCU 내장 초소형 저전력 원칩 솔루션

삼성전자가 무선 Wifi 커넥티비티 솔루션 ‘S5N2120’을 처음으로 공개했습니다. 이번 제품은 IEEE 802.11 b/g/n Wifi 2.4GHz를 지원합니다.

또한 초소형임에도 MCU(Micro Controller Unit)을 내장해 전력 증폭, 전력 관리, 오디오 코덱과 다이렉트 마이크로폰 기능을 사용할 수 있습니다.

이를 통해 OEM 고객들은 큰 디자인 변화 없이 Wifi 커넥티비티 기능을 손쉽게 추가할 수 있어 개발 기간을 단축하고 투입되는 자원을 절약할 수 있습니다.

이번 제품은 크기와 성능은 물론, 낮은 전력소모를 요구하는 Wifi 스피커, 헤드셋, 리모컨, 디지털&스포츠 카메라, 스마트 미터 등 다양한 종류의 IoT(Internet of Things, 사물인터넷)와 M2M(Machine to Machine, 사물통신) 분야의 기기에 최적화되어 있습니다.

‘S5N2120’은 현재 샘플을 제공하고 있으며 올해 2분기에 양산될 예정입니다.

삼성전자가 업계 최초로 기존 CMOS 이미지 센서의 성능한계를 뛰어넘는 차세대 신기술 ‘아이소셀(ISOCELL)’ 개발에 성공했습니다.

CMOS 이미지 센서의 ‘광효율’을 크게 높여 기존 센서 한계 극복

‘아이소셀’이란 CMOS 이미지 센서를 구성하는 화소에 모이는 빛을 최대한 활용할 수 있도록 센서의 구조를 혁신적으로 변화시킨 기술인데요.

일반적으로 이미지의 화질은 센서를 구성하는 각 화소(Pixel)에 모이는 빛의 양에 많은 영향을 받습니다.

최근 CMOS 이미지 센서의 칩 크기는 작아지고 화소 수는 늘어나 화소의 크기가 계속 작아지고 있는데, 작은 화소일수록 충분한 빛을 흡수하기 어려워 CMOS 이미지 센서의 기술은 ‘수광율’을 높이는 방향으로 발전해 왔습니다.

기존의 이면조사형(BSI: Back Side Illumination) 센서는 ‘수광부’를 센서의 가장 윗 부분으로 옮겨 ‘수광율’ 을 높여 왔으나 이 역시 화소의 크기가 계속 작아짐에 따라 최근 한계에 봉착했는데요.

 수광율 : 이미지 센서가 빛을 받아들이는 정도
 수광부 : 빛을 받아들이는 부분

이번에 삼성전자가 개발한 ‘아이소셀’은 화소와 화소 사이에 절연부를 형성해 인접한 화소들을 서로 격리시키는 새로운 구조로 각 화소에 들어온 빛이 주변 화소에 영향을 주는 ‘간섭현상’을 최소화해 빛의 손실을 줄인 것이 특징입니다.

이에 ‘아이소셀’을 적용한 이미지 센서는 기존의 이면조사형 센서 대비 ‘수광면적’이 30% 가량 증가해 어두운 환경에서도 보다 선명한 이미지를 구현하고 깨끗한 이미지를 얻을 수 있습니다.

 수광면적(FWC, Full Well Capacity)
센서 내 화소에서 빛을 받아들이는 부분으로, 면적이 증가할수록 수광율이 올라가 좋은 화질의 이미지 확보가 용이합니다.

또한 기존 대비 ‘간섭현상’도 30% 이상 감소돼 이미지의 색상 재현성을 높였고, 센서의 두께를 줄여도 충분한 빛을 확보할 수 있어 슬림한 모듈을 만들 수 있습니다.

 ‘아이소셀’ 적용한 1/4인치 800만 화소 샘플 칩 출시

삼성전자는 올해 1월 ‘아이소셀’ 기술에 대한 특허를 출원했으며 이를 적용한 1/4인치 800만화소 CMOS 이미지 센서 ‘S5K4H5YB’를 4분기부터 본격 생산합니다.

현재 삼성전자는 모바일용 CMOS 이미지 센서 부문에서 5년 연속 업계 1위를 지키고 있으며 미러리스 카메라, 노트북 등 다양한 어플리케이션으로 사업영역을 확장하고 있는 가운데 차세대 ‘아이소셀’ 기술 개발로 시장 리더십을 더욱 강화할 계획입니다.

 “이번 아이소셀 기술은 기존 CMOS 이미지 센서의 한계를 극복한 혁신적인 기술입니다. 아이소셀 기술을 적용한 센서를 통해 더 높은 수준의 화질을 원하는 소비자들의 요구를 만족시켜 나갈 것입니다.”

– 삼성전자 시스템LSI 마케팅팀 김태훈 상무

▲BSI와 ISOCELL 이미지 비교 모습