[반도Chat Ep.13] 초미세 픽셀 한계 격파! 차원이 다른 초고감도 이미지센서 ‘아이소셀 GNJ’

해가 어둑어둑 지기 시작하고, 하나둘씩 가로등에 불이 켜지는 저녁 시간에도 선명하게 사진을 찍을 수 있는 시대가 왔다. 바로 저조도와 고조도 환경 모두에서 밝고 선명한 이미지를 구현할 수 있는 이미지센서, ‘아이소셀 GNJ’가 있기 때문! 아이소셀 GNJ가 이처럼 뛰어난 고감도 기술을 선보일 수 있는 비법은 무엇일까?

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MAP 1. 변화하는 이미지센서 시장

최근 모바일 이미지센서는 다양한 환경에서 고품질 이미지를 제공하기 위해 우수한 저조도 성능과 높은 다이내믹 레인지(Dynamic Range/명암비)를 동시에 만족하는 기술 구현을 요구받고 있다.

일반적으로는 이미지센서의 픽셀 크기가 클수록 빛을 받아들이는 면적이 넓어진다. 즉 감도가 높아지고 넓은 다이내믹 레인지를 제공하여 화질 향상에 유리하다. 그러나 갈수록 작아지는 모바일 기기의 특성으로, 제한된 공간에 픽셀 크기를 작게 만들어야 하는 어려움이 있었다. 픽셀 수가 많아지면 해상도는 높아지지만, 개별 픽셀의 크기가 작기 때문에 감도가 낮아지는 문제도 발생했다.  

이에 따라 이미지센서는 초미세 픽셀로 고화소를 구현하면서도 작은 픽셀 크기의 물리적 한계점인 감도 저하를 극복하는 방향으로 발전해 왔다.

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MAP 2. 초미세 픽셀의 한계를 해결할 새로운 돌파구

삼성전자 반도체는 기존과는 차원이 다른 고감도 기술을 구현하고자 다양한 픽셀 기술을 개발해 왔으며, 이를 집약한 이미지센서 제품도 선보였다. 바로 ‘아이소셀 GNJ’다.

아이소셀 GNJ는 1/1.57인치 옵티컬 포맷에 1.0μm(마이크로미터) 픽셀 5천만 개를 구현한 듀얼 픽셀 이미지센서다. 최첨단 아이소셀* 기술이 탑재된 제품으로, 색 재현성 개선과 감도 향상으로 어두운 환경에서도 피사체 본연의 색상을 선명하게 구현할 수 있는 점이 특징이다. 

쉽게 말해, 감도, 오토포커스, 화질에 이르기까지 이미지센서의 여러 성능을 대폭 향상한 제품이라고 할 수 있다.

*아이소셀: 픽셀마다 미세한 장벽을 세워서 빛이 인접 픽셀로 넘어가지 않게 함으로써 빛을 정확하게 구분하는 기술

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MAP 3. 아이소셀 GNJ의 남다른 포착력

선명한 사진과 영상을 얻기 위해서는 정확한 초점이 필수다. 아이소셀 GNJ는 이를 위해 ‘듀얼 픽셀(Dual Pixel)’을 활용한다. 듀얼 픽셀은 센서를 이루는 모든 픽셀이 각각 하나가 아닌 두 개의 포토다이오드로 구성되어 있다. 왼쪽과 오른쪽으로 나뉜 포토다이오드가 각각 빛 신호를 받아 좌우의 위상차를 비교하고 초점을 맞추는 방식이다.

듀얼 픽셀은 이렇듯 피사체의 색 정보를 받아들이는 본래의 픽셀 역할, 사람의 눈처럼 피사체와의 위상을 정확히 측정해 초점을 맞추는 PDAF(Phase Detection Auto Focus, 위상차 검출 자동 초점)* 픽셀 역할을 동시에 한다. 센서의 모든 픽셀이 초점을 맞추고 동시에 색 정보를 받아들일 수 있기에 화질 손상 없이 빠르고 정확한 자동 초점 기능을 구현할 수 있다.

* PDAF(Phase Detection Auto Focus): 자동 초점 방식 중 하나. 두 개의 지점에서 인식된 위상 차이를 비교하고, 두 위상이 일치하는 위치로 렌즈를 옮겨 초점을 맞추는 기술

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MAP 4. 초고감도 구현을 이끈 신규 픽셀 기술 3

먼저 이미지센서가 작동하는 방식을 살펴보자. 센서 표면에는 각 픽셀로 신호를 잘 전달하기 위한 마이크로 렌즈가 존재한다. 이 마이크로 렌즈를 통과한 빛은 색을 구현하는 RGB(Red/Blue/Green) 컬러 필터와 ARL(Anti-Reflective Layer)를 거쳐 신호를 담는 포토다이오드에 도달한다. 카메라 렌즈를 통과한 정보가 이러한 과정을 거치며 손실 없이 처리되어야 좋은 센서라고 할 수 있다.

아이소셀 GNJ에는 위 과정에서 신호 손실을 최소화함으로써 고감도를 구현하기 위한, 세 가지 신규 픽셀 기술이 적용되었다. 일명 ‘High P/T/S’라고 칭한다.

첫 번째로, 신소재를 적용해 간섭 현상을 개선한 ‘고정밀 마이크로 렌즈’다. 일반적으로 빛은 굴절률이 높은 물질을 통과할 때 더 큰 각도로 굴절하게 된다. 고정밀 마이크로 렌즈는 기존 마이크로 렌즈 대비 굴절률이 높은 신규 소재를 사용해 이웃하는 픽셀로 가는 신호를 최소화하고, 포토다이오드에 빛을 잘 모아서 전달하는 기술이다.

두 번째로, 두 물질의 굴절률 차이를 최소화하도록 개선한 ‘고투과 ARL(Anti-Reflective Layer)’이다. 고투과 ARL기술은 마이크로 렌즈를 통과한 빛이 RGB 컬러 필터를 지나 포토다이오드 표면에 도달할 때 RGB 컬러 필터와 포토다이오드 사이의 반사를 방지하는 막질로, 신물질을 적용해 투과율을 높인 기술이다.

마지막으로, 내부의 손실을 유발하는 물질을 제거해 신호 손실을 최소화한 ‘고감도 DTI(Deep Trench Isolation)*’ 기술이다. 픽셀과 픽셀 사이 격벽 DTI 물질을 고분자(Poly)에서 산화물(Oxide)로 변경해 암 전류(Dark Current)* 제어 능력은 그대로 유지하면서 광손실을 최소화하는 공정이다.

이렇듯 신소재 적용 및 공정 개선을 진행한 결과, 해당 High P/T/S 기술 적용 시 간섭현상(crosstalk)은 22%, SNR10*은 21% 향상되는 효과가 있다. 해당 기술은 스몰 픽셀 제품뿐만 아니라 픽셀 사이즈에 제한 없이 적용 가능하다. 이러한 특성 덕분에 아이소셀 GNJ뿐만 아니라 기존 이미지센서 공정에도 횡전개 하여 기존 제품의 성능을 높이거나, 이 기술을 활용한 새로운 제품 개발로도 확장할 수 있다.

*고투과 ARL(Anti-Reflective Layer): 컬러 필터를 투과한 입사광을 최대화하기 위해 반사 또는 산란되는 광량을 줄이고 투과율을 높이는 기술
*DTI(Deep Trench Isolation): 픽셀과 픽셀 사이에 절연부를 형성해 인접한 화소들을 서로 격리시켜 픽셀 간 간섭 현상을 줄이는 기술
*암 전류(Dark Current): 빛이 닿지 않았는데도 전류가 흐르는 현상 *SNR10(Signal to Noise Ratio): 신호 대 잡음비(SNR) 10을 달성하는 데 필요한 조도

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MAP 5. 아이소셀 GNJ가 선보이는 생생한 디테일

삼성전자의 신규 픽셀 기술을 집약한 아이소셀 GNJ가 모바일 기기에 적용된다면, 우리가 실제로 체감할 수 있는 변화는 무엇일까? 예쁜 노을이 지는 저녁 풍경을 예로 들어보자. 일반적으로 어두운 환경에서는 센서가 흡수하는 빛의 양이 적어 선명한 사진을 얻기 어렵다. 게다가 해가 지는 상황에서는 강한 조도의 태양과 피사체의 얼굴에 그늘이 지는 상황이 동시에 존재한다.

이런 환경에서 다이내믹 레인지 향상과 고감도 구현 기술을 갖춘 아이소셀 GNJ는 노을이 지는 태양을 잘 표현하면서 동시에 피사체의 얼굴도 선명하게 담아낼 수 있게 한다. 이렇듯 저조도, 고조도 환경 모두에서 맑고 선명한 이미지를 얻을 수 있게 돕는다.

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MAP 6. 기술적 진보로 또 한 번 변화하는 이미지센서

모바일 카메라에 대한 소비자의 기대는 점점 높아지고 있다. 이를 충족하기 위해 모든 화각에서 고도화된 성능과 뛰어난 촬영 경험을 제공해야 하며, 이를 위해서는 메인 카메라와 서브 카메라의 성능 격차를 줄여야 한다. 또한, 가까운 미래에는 AI와 딥러닝 기술을 활용하여 사용자 환경에 최적화된 이미지센서가 필요할 것이다. 따라서 이미지센서의 기본 성능을 높이는 것은 물론, 차세대 기술 개발을 위해 기존 광학 기술을 초월하는 새로운 광학 기술도 필요하다.

삼성전자는 이러한 동향에 맞춰 아이소셀 GNJ를 포함, 최신 기술이 집약된 새로운 모바일 이미지센서 라인업을 선보이고 있으며, 수년간 신기술 개발에 앞장서고 있다.

변화를 거듭하는 모바일 이미지센서 시장. 삼성전자 반도체는 이에 맞춰 기존 기술의 한계점을 지속 돌파하며 뛰어난 사용자 경험을 선보일 예정이다.