▲‘아이소셀 HP3’의 개발을 담당한 삼성전자 반도체연구소 최성수 님(왼쪽)과 시스템 LSI사업부 Sensor선행개발팀 기명오 님(오른쪽)

모바일 기기에 달린 손톱만 한 카메라 렌즈의 혁신이 예사롭지 않다. 삼성전자는 업계 최초로 2019년에 1억 800만 화소, 2021년 9월에 2억 화소 이미지센서(CIS)를 선보이더니 최근 또 한 번 ‘세상에서 가장 작고, 성능은 업그레이드된 0.56㎛(마이크로미터･100만분의 1m) 픽셀 2억 화소 이미지센서’로 시장을 깜짝 놀라게 했다.

독자적인 기술력과 노하우를 바탕으로 세상에 없던 수준의 고화소 이미지를 만들어 이미지센서 시장 트렌드를 선도하는 삼성전자. 업계 최소 크기인 0.56㎛ 픽셀 2억 개를 탑재한 초고화소 이미지센서 ‘아이소셀(ISOCELL) HP3’의 양산 예정 소식을 알리며, 2억 화소 모바일 이미지센서의 본격 개막을 예고했다.

전작을 발표한 지 1년이 채 되지 않은 시점에서 또다시 놀라운 기술 혁신을 이룬 개발 배경은 무엇인지 궁금해진다. 뉴스룸이 신제품 ‘아이소셀 HP3’의 주역인 시스템 LSI사업부와 반도체연구소의 개발진, 기명오 님과 최성수 님을 만나 이야기를 들어봤다.

‘더 작고 더 강력해졌다’ 업계 최초 0.56㎛ 픽셀 상용화

이미지센서는 카메라 렌즈를 통해 들어온 빛을 디지털 신호로 바꿔주는 시스템반도체다. 디지털카메라, 스마트폰은 물론이고, 노트북, 자동차 등 카메라가 있는 모든 전자 제품에 들어간다. 삼성전자가 이번에 발표한 ‘아이소셀 HP3’는 0.56㎛ 픽셀 2억 개를 1/1.4인치 옵티컬포맷^[1] 크기에 구현한 이미지센서다. 다시 말해, 업계에서 가장 작은 크기인 0.56㎛ 픽셀 2억 개가 모여 있는 구조다.

삼성전자는 매년 픽셀 크기를 업계 최소 수준으로 줄이는 데 성공해왔다. 근본적으로 픽셀 크기를 줄이는 기술이 중요한 건 왜일까? 기명오 님은 “단위 픽셀이 작아질수록 센서와 모듈의 크기가 물리적으로 작아져 렌즈 크기와 두께도 최소화된다. 소위 ‘카툭튀(‘카메라가 툭 튀어나옴’의 줄임말)’와 같은 디자인 방해 요소가 없어지고, 또 전력 소모도 줄어든다”고 설명했다. 다만, 작아진 픽셀에서도 고품질의 촬영 결과물을 유지하는 것이 관건이라는 것.

첨단 기술이 집약된 ‘아이소셀 HP3’는 전작 ‘아이소셀 HP1’ 대비 픽셀 크기가 12% 작아져 모바일 기기에 탑재할 카메라 모듈 면적을 최대 20%까지 줄일 수 있다. 픽셀 크기는 줄였지만, 전자저장용량(FWC)은 극대화하고, 감도 손실은 최소화하는 기술이 적용됐다. 또 전화소 자동 초점 기능과 고속 동영상 동작에 유리한 성능을 탑재하고, 색 표현력도 강화했다.

독자 기술력으로 빛 흡수량↑, 포토다이오드 용량↑

일반적으로 픽셀 크기가 작아지면 받아들이는 빛의 양이 줄어들고, 인접한 픽셀 간 간섭현상이 증가할 수 있다. 삼성전자가 세상에서 가장 작은 픽셀 크기를 만들면서 성능은 더 높일 수 있었던 배경은 무엇일까? 기명오 님은 “삼성전자가 확보하고 있는 독자적인 기술력 덕분이다. 더욱 작아지는 소자에서 원하는 성능을 구현할 수 있는 공정 기술을 확보하고 있기 때문”이라고 강조했다.

삼성전자는 0.56㎛에서 고성능을 확보하기 위해 독자 기술인 ‘풀 뎁스 DTI(Full Depth Deep Trench Isolation)’ 공법을 적용해 픽셀 간 물리적 벽을 더 얇고 깊게 형성하는 데 성공했다. 아이소셀의 핵심 기술인 DTI는 픽셀과 픽셀 사이에 절연부를 형성하는 공법이다. ‘격리 벽’의 역할을 통해 빛의 손실을 막고 광학 성능을 향상시킨다. 최성수 님은 “쉽게 말하자면, 옆방과의 벽간 소음은 벽체가 얇을수록 커지는데, 벽체를 더 얇게 하면서도 소음 방지는 그대로 유지하려는 것과 비슷한 이치다”라고 설명했다.

픽셀 사이의 절연부가 커질수록 빛의 손실도 커지므로, 더 얇고 더 깊은 실리콘 벽을 만들어 감도를 높이고 혼색(crosstalk)^[2]을 줄이는 것이 핵심이라는 것. 삼성전자는 0.56㎛ 픽셀에 이 공법을 적용해 빛의 흡수량은 높이고, 포토다이오드(PD) 용량은 극대화했다. 따라서 기존 대비 작아진 수광부 면적에서도 단위 면적당 광량을 유지하고 처리하면서 광 손실을 최소화할 수 있게 돼 초고형 픽셀 상용화가 가능해졌다.

2억 개 모든 픽셀에 자동 초점 기능… 속도·정확성 높여

‘HP3’에 처음 적용된 ‘슈퍼 QPD(Quad Phase Detection)’ 기술은 자동 초점 픽셀 밀도를 100%까지 끌어올려 2억 개의 모든 픽셀이 초점을 잡을 수 있도록 했다. ‘슈퍼 QPD’는 4개의 픽셀마다 하나의 렌즈를 적용해 피사체의 좌-우-상-하 위상차를 모두 측정할 수 있게 지원함으로써 이전보다 빠르고 정확한 자동 초점 기능을 제공한다. 어두운 상황에서도 자동으로 초점을 정확하게 맞춰줄 뿐 아니라, 줌인(zoom in)해도 고화질이 유지된다.

픽셀 크기가 작으면, 빛이 부족한 환경에서는 불리하지 않을까? 최성수 님은 “빛이 부족한 환경에서는 4개 혹은 16개의 인접 픽셀을 조합해 하나의 큰 픽셀처럼 동작시키는 독자 기술인 ‘테트라 스퀘어드 픽셀(Tetra²Pixel)’ 기술을 업그레이드해서 적용했다”고 말했다. 한층 발전된 이 픽셀 조합 기술로 화각 손실 없이 초당 30프레임의 8K 초고해상도 또는 120프레임의 4K 고해상도 촬영을 지원한다. 무엇보다 사진 촬영과 동일한 화각에서 초고해상도 8K 영상 촬영까지도 가능하다.

반대로 햇빛이 너무 쨍한 순간에도 촬영이 쉽지 않은 법. 기명오 님은 “빛이 과하게 많거나 적을 때, 사람이 실제 눈으로 보는 것과 같은 자연스러운 촬영을 하려면 다이내믹 범위(dynamic range)^[3]를 높이는 것이 중요하다”며 “두 개의 컨버전 게인(conversion gain)을 활용한 ‘스마트 ISO Pro’ 기술과 노출이 다른 프레임 3장(짧은 노출, 중간 노출, 장시간 노출)을 합성하는 ‘스태거드 HDR(Staggered High Dynamic Range)’ 기능을 활용해 조도 차이가 큰 경우에도 자연스럽게 표현할 수 있는 HDR(High Dynamic Range)^[4] 촬영을 지원, 최적의 결과물을 제공한다”고 말했다.

기술적 한계 극복과 빠른 개발 속도의 배경에는 ‘협업’

‘아이소셀 HP3’ 개발 과정에는 다양한 기술적 난제들이 있었을 터. 최성수 님은 “‘슈퍼 QPD’ 기술을 탑재한 첫 제품이라 기존의 FDTI(Front Deep Trench Isolation)에 없는 새로운 구조를 적용하느라 시행착오를 여러 번 겪었고, 단계별로 예기치 못한 이슈들도 발생했었다”고 회상했다. 이러한 까다로운 개발 과정에서도 전작을 선보인 지 1년이 채 되지 않아 신제품이 발표됐다. 빠른 개발 속도의 배경을 묻자, 두 사람 모두 ‘협업’을 꼽았다.

기명오 님은 “기술 이슈들이 생길 때마다 팀 내는 물론, 사업부 간, 해외 연구소까지 긴밀하게 교류하며 대응했고, 센서 담당들뿐 아니라, 반도체연구소의 메모리, 로직 칩 등 다양한 상위 제품의 공정 노하우까지 더해지면서 시너지가 발생했다”며 “이번 신제품은 설계, 픽셀, 솔루션, 제품기술, 공정, 알고리즘 등 Sensor선행개발팀 내 모든 그룹과 반도체연구소, Pixel개발팀, 파운드리, 인도연구소(SSIR)까지, 그 어느 때보다도 여러 부서가 One Team으로 밀착 협업한 사례일 것”이라고 덧붙였다.

앞선 기술력 차이에 자부심… 이미지센서 시장 선도할 것

이미지센서 시장이 카메라 수요 증가와 관련 제품 다변화에 힘입어 급격한 성장세가 이어질 것이라 전망되는 가운데, 삼성전자는 픽셀 미세화 기술의 한계를 뛰어넘으며 차세대 모바일 이미지센서 시장의 카메라 흐름을 만들어가고 있다. 업계 최초 ‘0.56㎛’ 미세 픽셀로 2억 화소의 대중화를 이끈 기술의 주역인 두 사람에게 소감을 물어봤다.

최성수 님은 “이미지센서 시장의 트렌드를 이끌고 있다는 점에서 큰 자부심을 느끼고, 앞으로도 미세 픽셀 기술을 우리가 이끌 것이라는 확신이 있다”고 했다. 이어 기명오 님은 “이미지센서의 활용처는 스마트폰 외에도 증강현실(AR)/가상현실(VR), 자동차 산업 등 미래 산업에서 더욱 무궁무진하기에 독자적인 기술력을 기반으로 미래 기술과 시장을 선도해갈 것”이라며 미래에 대한 포부를 숨기지 않았다.

이미지센서 시장에서 최고 수준의 기술로 ‘초소형’과 ‘고화질’ 두 마리 토끼를 모두 잡았다고 평가받는 삼성전자. 사용자에게 압도적인 경험을 선사하는 아이소셀 이미지센서의 다음 혁신도 기대해보자.

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.

‘아이소셀 HM3’는 HMX, HM1에 이은 삼성전자의 3세대 0.8㎛(마이크로미터, 100만분의 1미터) 1억 8백만화소 이미지센서이다. 이 제품은 ‘1/1.33인치’ 크기에 픽셀 1억 8백만개를 집적했다.

이 제품은 ‘스마트 ISO 프로’, ‘슈퍼 PD 플러스’ 등 삼성전자 자체 카메라 기술을 탑재해 언제 어디서나 전문가 손길이 닿은 듯한 완성도 높은 사진 촬영이 가능하다.

‘스마트 ISO 프로’는 터널의 출구와 같이 밝고 어두운 부분이 섞여있는 환경에서 서로 다른 ISO 값으로 빛을 증폭하고 이를 합성하는 HDR(High Dynamic Range) 기술이다.
※ ISO : ‘감도’라고 불리며, 빛에 얼마나 민감하게 반응하는지를 나타냄. 감도가 낮으면 빛에 둔감하게 반응하지만 사진의 화질은 향상되고, 반대로 감도가 높으면 빛에 민감하게 반응하지만 노이즈가 발생한다.

시간을 달리해 여러 번 촬영하는 기존 HDR 기술은 피사체의 움직임이 잔상으로 나타날 수 있는 반면 ‘스마트 ISO 프로’는 이미지 촬영 감도 차이를 이용하는 기술이기 때문에 잔상을 최소화할 수 있다.

‘스마트 ISO 프로’ 모드에서는 기존 10비트(10억 7천만 색상)보다 약 64배 이상 색 표현 범위를 넓힌 12비트(687억 색상)로 촬영하기 때문에 더 풍부한 색 표현이 가능하다.

삼성전자는 ‘아이소셀 HM3’에 최적화된 마이크로 렌즈를 탑재한 ‘슈퍼 PD 플러스’ 기술도 탑재했다. 어두운 환경에서도 기존보다 50% 빠르게 초점을 검출할 수 있어 흔들림 없는 이미지를 촬영할 수 있다.

또한, 빛의 양에 따라 인접하는 9개 픽셀을 하나로 묶어 색 재현력을 높이고 노이즈 억제 기술도 추가해 기존 대비 최대 50%까지 감도를 향상시켰다.

특히, 삼성전자는 ‘아이소셀 HM3’ 설계최적화로 프리뷰 모드 동작 전력을 기존 대비 약 6% 줄이는 등 제품 사용에 필요한 에너지를 최소화하기 위해 노력했다.

삼성전자 시스템LSI사업부 센서사업팀 장덕현 부사장은 “삼성전자는 픽셀 집적 기술 외에도 이미지센서 성능 향상을 위한 끊임없는 혁신을 통해 고객이 요구하는 것 이상의 제품을 지속 출시하고 있다”며 “‘아이소셀 HM3’는 최신 카메라 기술이 집약된 삼성전자 이미지센서 기술력의 결정체로 차세대 모바일 기기의 핵심 솔루션”이라고 말했다.

삼성전자는 현재 ‘아이소셀 HM3’를 양산하고 있다.

▲ 삼성전자, 1억 8백만화소 프리미엄 이미지센서 ‘아이소셀 HM3’

▲ 인포그래픽

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

▲ 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

삼성전자는 지난 8월, 업계 최초로 ‘1억 화소’가 넘는 모바일 이미지 센서 ‘아이소셀 브라이트 HMX(ISOCELL Bright HMX)’를 선보이며 스마트폰 카메라 성능을 다시 한번 끌어올렸다.

아래 영상에서 ‘아이소셀 브라이트 HMX’ 속 혁신 기술을 자세히 살펴 볼 수 있다.

전문가의 카메라가 스마트폰 속으로… ‘아이소셀 브라이트 HMX’ 속 4가지 핵심 기술

0.8μm(마이크로미터·100만분의 1m) 크기의 픽셀을 적용한 ‘아이소셀 브라이트 HMX’ 이미지센서는 최대 1억 8백만 화소의 이미지 촬영이 가능하다. 1억 개가 넘는 화소 덕분에 촬영된 사진을 확대하거나 필요한 부분만 잘라내더라도 선명한 해상도가 유지된다. 또한 ‘아이소셀 브라이트 HMX’는 밝은 환경에서 질감과 색감을 더욱 선명하게 표현하고, 어두운 환경에서도 더 많은 빛을 흡수해 전문가급 사진을 구현해 낸다.

아이소셀 브라이트 HMX에 적용된 ‘아이소셀 플러스’ 기술은 각각의 픽셀 사이에 혁신적인 신소재 장벽을 만들어, 픽셀 간 광 손실을 최소화하고 주변으로 색상이 번지는 것을 방지하는 기술이다. 픽셀 간 간섭(crosstalk) 때문에 이미지 품질이 저하되던 이전의 BSI(Back Side Illumination, 후면조사형) 센서에 비해 작은 크기의 픽셀로도 훨씬 훌륭한 성능을 발휘한다.

‘기본 감도(Native ISO)’는 이미지 센서가 빛을 얼마나 민감하게 받아들일지 정하는 값이다. 단일 ISO를 사용하는 이미지 센서의 경우, 다양한 빛의 환경에 따라 최적의 화질을 제공해주는 데 한계가 있다. 삼성전자 ‘아이소셀 브라이트 HMX’ 주변 빛의 양에 따라 Low-ISO모드와 High-ISO모드로 각각 작동하는 ‘스마트 ISO’ 기술을 적용했다. 덕분에 햇빛이 강한 환경에서나 어두운 환경에서 선명한 사진 촬영이 가능하다.

또, 어두운 환경에서 더욱 밝은 사진을 찍도록 돕는 ‘테트라픽셀’ 기술도 적용했다. 픽셀의 크기가 작아지면 작은 센서에 고해상도를 구현할 수 있지만, 빛 흡수 능력은 낮아지기 때문에 어두운 환경에서 밝고 깨끗한 사진을 찍기 어렵다. ‘테트라픽셀’ 기술은 빛 환경에 따라 픽셀을 재배치해 작은 4개의 픽셀을 마치 하나의 큰 픽셀처럼 사용해 빛 흡수율을 높이는 기술. 4개의 0.8μm 픽셀이 1.6μm 픽셀로 전환돼, 제한된 빛을 최대한으로 활용해 고화질 이미지를 만들어 낸다.

‘아이소셀 브라이트 HMX’는 ‘슈퍼 PD(Super Phase Detection)’ 기능으로 높은 수준의 자동초점 기능을 제공한다. 저조도 환경에서도 피사체를 더욱 선명하게 포착하도록 돕는 ‘슈퍼 PD’기능은 위상 차이를 검출하는 픽셀을 센서에 배치하여 빠른 자동초점이 가능하다.

개인의 일상을 사진과 영상으로 남기고, 세상과 소통하는 세상. 언제 어디서나 최고의 이미지를 제공하는 ‘아이소셀 브라이트HMX’ 이미지 센서와 함께 소중한 순간을 오래 기억할 수 있다. 아래 영상에서는 ‘아이소셀 이미지 센서’와 함께, 직접 눈으로 보는 듯 생생한 화질로 담아낸 가족의 소중한 순간을 만나 볼 수 있다.

* 테트라픽셀(Tetrapixel) 명칭은 2022년 7월에 수정되었음

삼성전자는 이번 제품 출시로 0.8㎛ 픽셀 이미지센서 라인업을 2,000만 화소부터 3,200만·4,800만·6,400만 화소까지 확대하며, 이미지센서 사업 경쟁력을 강화했다.

최신 모바일 기기는 전면을 스크린으로 가득 채운 ‘풀 스크린’과 여러 개의 카메라를 탑재한 ‘멀티 카메라’ 트렌드를 보이고 있다. 이에 따라 작은 칩 크기로 고화소를 구현할 수 있는 초소형 픽셀의 중요성이 커지고 있다.

‘아이소셀 브라이트 GW1’과 ‘GM2’는 삼성전자 이미지센서 라인업 중 가장 작은 픽셀 크기인 ‘0.8㎛(마이크로미터)’의 픽셀을 적용하고 고화소를 구현해 이런 트렌드에 최적인 제품이다. 6,400만 화소의 ‘GW1’은 업계 모바일 이미지센서 중 가장 높은 화소의 제품이며, 4,800만 화소인 ‘GM2’는 크기가 작아 활용처가 넓은 점이 특징이다.

이 두 제품은 빛의 손실을 줄이는 ‘아이소셀 플러스’ 기술로 색 재현성을 높였으며, 4개의 픽셀을 1개처럼 동작시켜 감도를 4배 높이는 ‘테트라픽셀’ 기술도 적용되어 어두운 환경에서도 밝은 이미지 촬영이 가능하다.
* 테트라픽셀 구동시 출력 화소 : GW1 1,600만 / GM2 1,200만 화소

또한 두 제품에는 빛의 양이 너무 많거나 적은 환경에서도 선명한 사진을 찍을 수 있도록 색 표현력은 높이고 노이즈는 최소화하는 ‘DCG(Dual Conversion Gain)’ 기능도 탑재됐다.

위상차 자동 초점 기술인 ‘슈퍼 PD(Phase Detection)’ 기술로 다양한 촬영환경에서도 빠르고 깨끗한 이미지를 촬영할 수 있으며, 각각 초당 480 프레임(GW1)과 240 프레임(GM2)의 Full HD 슬로우 모션 기능을 제공한다.

특히 GW1은 ‘실시간 HDR(High Dynamic Range)’ 기능도 지원해 어두운 실내나 역광 등 명암의 대비가 큰 환경에서도 풍부한 색감을 구현할 수 있다.

삼성전자 S.LSI사업부 센서사업팀 박용인 부사장은 “최근 몇 년 사이 스마트폰의 카메라는 기존 콤팩트 카메라를 대체해 우리의 일상을 생생하게 기록하고 공유하는 주요 도구가 되었다”라며, “삼성의 아이소셀 브라이트 GW1과 GM2는 많은 픽셀과 획기적인 기술로 새로운 촬영 경험을 제공할 것”이라고 강조했다.

삼성전자는 ‘아이소셀 브라이트 GW1’과 ‘GM2’를 올해 하반기에 양산할 계획이다.

▲ 삼성전자 아이소셀 브라이트 GW1

▲ 삼성전자 아이소셀 브라이트 GM2

▲ 삼성전자 아이소셀 브라이트 GW1(좌), GM2(우)

* 테트라픽셀(Tetrapixel) 명칭은 2022년 7월에 수정되었음

‘아이소셀 슬림 3P9’ 후면 카메라에 적용된‘아이소셀 플러그 앤 플레이’ 솔루션은 이미지센서, 카메라 렌즈, 엑추에이터(렌즈를 상하좌우로 이동) 등 하드웨어와 소프트웨어를 사전에 튜닝한 턴키 모듈이다.

일반적으로 세트 제조사는 스마트폰 카메라를 개발하는 과정에서 모듈을 구성하는 부품을 선정한 후, 화질 최적화를 위해 모듈과 모바일 프로세서 사이에 복잡한 이미지 튜닝 작업을 필수적으로 한다.

삼성전자는 이런 작업들을 자체적으로 사전에 완료한 후, 국제 공인 화질 평가 기관인 VCX(Valued Camera eXperience)에서 평가한 최적화 소프트웨어 셋팅 값을 제공하여, 제조사의 스마트폰 카메라 성능 최적화 기간을 최대 4개월까지 단축시킬 수 있다.

또한 ‘아이소셀 플러그 앤 플레이’는 기존 센서단에서만 진행했던 신뢰성 테스트를 모듈에서도 진행하여, 카메라 튜닝 과정에서 발생 가능한 문제점을 사전에 검출, 제조사의 불필요한 개발 지연을 막을 수 있다.

‘아이소셀 슬림 3P9’은 1,600만 화소의 이미지 센서로 1.0um (마이크로미터) 크기의 작은 픽셀을 적용해 스마트폰에서 이미지센서가 차지하는 면적을 줄여 세트 제조사의 디자인 편의성도 높일 수 있다.

픽셀크기가 작아지면 외부로부터 빛을 받아들이는 양이 감소해 어두운 곳에서 고품질의 이미지를 구현하기 어려운데, 삼성전자는 ‘테트라픽셀(Tetrapixel)’ 기술을 적용해 저조도 환경에서도 고품질의 이미지를 구현할 수 있게 했다.

테트라픽셀은 4개 픽셀에 하나의 컬러 필터(Color Filter)를 적용하여 어두운 곳에서는 더 밝은 이미지를 구현할 수 있으며 재배치(Re-mosaic) 알고리즘을 적용하여 밝은 곳에서는 더 세밀한 이미지를 제공하는 삼성전자의 센서 기술이다.

‘아이소셀 슬림 3P9’은 위상검출 자동초점(Phase Detection Auto Focus)용으로 활용하는 픽셀의 비율이 기존 대비 2배 늘어나 더욱 빠르게 대상을 포착할 수도 있다.

또한 세트에 내장된 자이로스코프(Gyroscope, 단말기의 각도와 각속도를 측정하는 센서)의 움직임과 이미지센서의 이미지 포착 시간을 동기화하는 자이로 싱크로나이저(Gyro Synchronizer)를 탑재하여 피사체의 정확한 움직임 정보를 바탕으로 흔들림 여부를 판단함으로써 더욱 강화된 손떨림 방지 기능 역시 제공한다.

삼성전자 마케팅팀의 허국 팀장은 “삼성전자 아이소셀 이미지 센서는 최상의 화질과 성능을 제공하기 위해 다양한 혁신적인 기술이 적용된다”라며, “아이소셀 슬림 3P9과 플러그 앤 플레이 솔루션 조합을 통해 제조사는 최고의 카메라를 적기에 출시할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

▲ 삼성전자가 출시한 ‘아이소셀 슬림 3P9’ 제품 이미지

* 테트라픽셀(Tetrapixel) 명칭은 2022년 7월에 수정되었음

삼성전자는 6월 28일 중국 상해에서 개최한 ‘MWC Shanghai 2017’에 참가해, ‘ISOCELL’ 브랜드를 공개하고 4가지 이미지센서 솔루션을 선보였다.

‘ISOCELL’은 미세해지는 센서 픽셀간 간섭현상을 최소화해 작은 픽셀로 고품질의 이미지를 구현하는 기술로 삼성전자가 2013년 세계 최초로 개발해 다양한 이미지센서 제품에 적용해왔다.

이미지 센서는 스마트폰과 차량용 카메라 등 다양한 기기에 사용되는 핵심 부품으로 글로벌 IT 기기 제조사뿐만 아니라 일반 소비자들의 제품 선택에 영향을 미칠 만큼 제품의 성능과 품질에 대한 관심이 높아지고 있다.

삼성전자는 이번 ‘ISOCELL’ 브랜드를 통해 소비자들이 보다 쉽게 삼성전자의 첨단 이미지센서를 인지해 신뢰하고 선택할 수 있도록 한다는 계획이다.

또한 삼성전자는 사진 촬영이 일상이 된 이용자들의 다양한 사용 환경에 맞춰 ‘ISOCELL’ 이미지센서 제품 군을 ‘Bright’, ‘Fast’, ‘Slim’, ‘Dual’ 4가지로 세분화 하였다.

ISOCELL ‘Bright’는 저조도 환경에서 밝고 선명한 사진을 찍을 수 있도록 색 표현력을 높이고 노이즈를 최소화 한 제품이며, ‘Fast’는 어두운 곳에서도 움직이는 물체에 초점을 빠르고 정확하게 맞추는 오토포커스 기능을 강화한 제품이다.

‘Slim’은 0.9 ~ 1 ㎛의 최소 픽셀 사이즈를 적용해 작고 슬림한 기기에 적합하며, ‘Dual’은 듀얼카메라 채용 트렌드에 최적화한 제품이다.

삼성전자 System LSI 사업부 전략마케팅팀 허국 상무는 “‘ISOCELL’ 은 삼성전자의 최첨단 픽셀 기술이 집약된 제품”이며, “최첨단 이미지센서 솔루션을 통해 스마트폰을 비롯한 다양한 응용처에서 뛰어난 화질과 새로운 사용자 경험을 제공할 것” 이라고 밝혔다.

한편 삼성전자는 6월28일부터 6월30일까지 중국 상해에서 열리는 ‘MWC Shanghai 2017’에서 ‘ISOCELL’ 이미지센서 제품과 함께 모바일, VR, 웨어러블 등 다양한 분야의 삼성전자 시스템반도체 솔루션도 선보인다.

▲삼성전자 이미지센서 브랜드 아이소셀(ISOCELL) 영문 로고

▲삼성전자 이미지센서 브랜드 아이소셀(ISOCELL) 중문(中文) 로고

▲삼성전자 1,200만화소 듀얼 픽셀 이미지센서

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 캠코더급 화질의 동영상 촬영이 가능한 모바일용 고성능 이미지센서(제품명:S5K3H7)를 개발했습니다.

BSI기술을 적용한 1/3.2인치 모바일향 CMOS 이미지센서 개발

이번 제품은 후면 조사형기술(BSI:Backside Illumination)을 적용한 1/3.2인치 구경의 이미지 센서로서, 800만 화소 영상을 초당 30프레임의 속도로 촬영이 가능해 모바일 기기에서도 캠코더로 찍은 듯한 고화질 영상을 구현할 수 있는데요.

초당 30프레임 속도로 800만 화소 고화질 영상 촬영 가능

또한 제로 셔터 랙(Zero Shutter Lag)이 적용돼, 셔터를 누른 순간부터 실제 사진이나 영상이 촬영되는 순간까지의 시간 간격인 셔터 랙(Shutter Lag) 현상이 없어, 스포츠 장면 등 빠르고 역동적인 피사체를 순간포착, 연속촬영 등을 할 수 있습니다.

저전력 회로설계로 기존제품 대비 성능은 2배, 소비전력은 동일

고속 데이터를 병렬로 처리하는 기술과 저전력 설계기술을 적용해 기존 800만 화소 15프레임 제품 대비 데이터 처리 속도를 2배로 향상 시켰으면서도, 이전 세대와 동일한 소비전력으로 구동되도록 설계되어 있는 이 제품은 오는 3월부터 이번 신제품을 양산할 계획이며, 이 달 27일부터 스페인에서 열리는 MWC에서 공개됩니다.

한편, 시장조사기관 ‘테크노시스템리서치(Techno Systems Research)’에 따르면, CMOS 이미지센서 중, 8백만 화소 이상 고화소 센서는 2011년 2억 1천만 개에서 2015년 8억 4천만 개로 4배 가까이 성장할 전망입니다.