[반도Chat Ep.2] 사람의 정밀한 눈을 그대로 구현하는 반도체 ‘이미지센서’

반도체는 이미 우리 생활 곳곳에 스며들어 있지만, 반도체와 관련된 용어들은 여전히 낯설고 어렵게만 느껴진다. 어려운 반도체 용어를 쉽고 간단하게 알아보기 위해 시작한 ‘반도Chat’ 시리즈, 두 번째 이야기의 주제는 ‘이미지센서’다.

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MAP 1. 알고 보면 친숙한 반도체

‘이미지센서’는 Image와 Sensing을 합친 말로, ‘피사체를 감지한다’는 뜻이다. 스마트폰과 카메라뿐 아니라 AR(Augmented Reality, 증강현실)·VR(Virtual Reality, 가상현실) 기기, 자동차 전후방 센서 등 카메라 기능이 있는 모든 기기에 이미지센서가 들어있는데, 여기서 이미지센서는 사람의 눈과 비슷한 역할을 한다.

우리가 사진을 찍는 순간 렌즈를 통해 빛이 모이면 이미지센서는 수많은 픽셀에 모인 빛을 전기 신호로 바꿔 이미지를 생성한다. 이때 이미지센서는 다양한 색감을 표현하기 위해 각 픽셀에서 빨강(R), 초록(G), 파랑(B) 중 하나의 색상만을 감지할 수 있는 컬러 필터를 활용한다. 이 RGB 컬러 필터를 통해 색상 정보를 수집하고, 이후 픽셀마다 주변 픽셀의 색상 값을 참고해 보완하는 방식으로 우리가 볼 수 있는 거의 모든 색상을 만들어 내는 것이다.

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MAP 2. 선명한 이미지를 얻기 위한 필수 기술

고품질 이미지를 얻으려면 기본적으로 렌즈를 통과한 빛을 이미지센서가 정확하게 처리해야 한다. 이미지센서가 이 작업을 완벽하게 수행하지 못하면 사진이나 영상의 품질이 낮아질 수 있다.

‘아이소셀(ISOCELL)’은 이러한 문제를 개선하기 위해 개발된 기술 중 하나다. 아이소셀은 기존의 이미지센서 구조와는 다르게 픽셀마다 미세한 장벽을 세워서 빛이 인접 픽셀로 넘어가지 않게 한다. 이를 통해 더 정확하게 빛을 분리해 고해상도 이미지를 생성할 수 있게 돕는 동시에 노이즈도 낮춘다.

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MAP 3. 초미세 픽셀 기술, 왜 중요할까?

이미지센서라는 용어는 생소하더라도 픽셀과 해상도는 자주 들어보았을 것이다. 픽셀(화소)은 디지털 사진이나 영상을 구성하는 최소 단위이다. 그리고 해상도는 이미지의 정밀도를 나타내는 지표로, 픽셀 수와 관련이 있다. 즉 이미지센서를 구현하는 픽셀 수가 많아질수록 사진의 해상도와 선명도가 향상된다.

사람 눈의 최대 유효 화소 수는 대략 5억 7,600만으로 알려져 있다. 고화소 기술의 발전으로 1억 화소, 2억 화소, 더 높은 화소 수의 카메라가 개발될수록, 마치 눈으로 보는 것처럼 생생하고 선명한 이미지와 영상을 얻을 수 있게 되는 것이다.

앞서 이야기한 것처럼, 이미지의 품질을 향상하려면 더 많은 픽셀을 사용해야 한다. 그런데 카메라를 위한 공간은 제한되어 있고, 이 공간에서 고화소를 구현하기 위해서는 개별 픽셀의 크기를 줄여야 한다. 작고 세밀한 픽셀을 만들어서 같은 센서 영역에서 더 많은 정보를 수집하고 표현하게 되면 고품질 이미지를 생성할 수 있기 때문이다. 바로 이 점이 반도체 업계에서 고화소 기술과 함께 ‘초미세 픽셀’ 기술을 개발하는 이유다. 이 두 기술을 효과적으로 결합하는 것 역시 지금의 반도체 업계에 주어진 주요 미션이다.

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MAP 4. Beyond Human Eye! 초미세 픽셀의 한계에 도전하다

픽셀 크기가 작아질수록 개별 픽셀이 받아들이는 빛에 대한 감도가 낮아지게 된다. 그로 인해 어두운 환경에서의 촬영 품질에 영향을 미칠 수 있다. 삼성전자 반도체는 이러한 초미세 픽셀의 한계를 극복하기 위한 이미지센서로, 0.6㎛(마이크로미터) 크기의 픽셀 2억 개를 탑재한 ‘아이소셀(ISOCELL) HP2’를 출시했다. 아이소셀 HP2는 초미세 픽셀을 구현하면서도 각 픽셀의 성능은 높이고 간섭 현상은 최소화한 제품으로, 이를 위해 다양한 이미지센서 기술이 개발되었다.

특히 ‘픽셀 비닝’은 초미세 픽셀의 저조도 문제를 해결하고자 개발되었다. 인접한 여러 개의 픽셀을 하나의 큰 픽셀로 병합해 더 많은 빛을 받아들이게 함으로써, 어두운 곳에서도 노이즈 없이 촬영할 수 있게 한다. 테트라 픽셀은 4개, 노나 픽셀은 9개의 픽셀을 하나로 결합하며, 테트라 스퀘어드 픽셀은 어두운 환경에서는 16개의 픽셀을 하나의 큰 픽셀로 결합해 노이즈를 줄여 깨끗한 사진을, 밝은 환경에서는 픽셀 배열을 재배치하는 리모자익 알고리즘을 활용해 최대 2억 화소로 디테일이 풍부한 사진을 얻을 수 있게 한다. 뿐만 아니라 8K 동영상 촬영 시에도 테트라 스퀘어드 픽셀 기능을 활용하므로 노이즈가 적고 보다 선명한 영상 촬영이 가능하다.

또한, 아이소셀 HP2는 ‘슈퍼 QPD(Quad Phase Detection)’ 기능을 탑재해 2억 개의 픽셀이 모두 Auto Focus 기능에 활용되게 함으로써 초점을 빠르고 정확하게 잡을 수 있게 했다. 마지막으로, 픽셀 당 전자 용량을 높여 HDR 성능도 향상했는데, 이를 위해 개발한 기술이 ‘D-VTG(Dual Vertical Transfer Gate, 듀얼 버티컬 트랜스퍼 게이트)’다. 이는 포토다이오드에 축적한 많은 양의 전하를 두 개의 게이트를 통해 회로에 효율적으로 전달하는 기술로, 잔상을 줄인 이미지와 높은 다이나믹 레인지(Dynamic Range, 밝기의 범위) 구현을 돕는다.

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MAP 5. 이미지센서, 이렇게도 활용된다고?

이러한 이미지센서 기술은 모바일뿐 아니라 오토모티브, AR·VR 등 다양하게 활용된다. 오토모티브에서 ‘코너픽셀™’이라는 픽셀 기술을 사용하면 어두운 환경에서도 120dB의 넓은 다이내믹 래인지로 주변 환경을 정교하게 감지하고, 영상에 잔상이 남지 않아 정확한 정보로 도로 주행을 보조할 수 있다. 또한 사물에 쏜 적외선 빛이 반사되어 돌아오는 시간을 측정해 거리를 계산하는 기술인 ToF 센서는 얼굴 인식부터 AR·VR에서 사물의 3차원 입체 정보를 빠르고 정확하게 측정한다.

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MAP 6. 사용자 경험을 확장하는 차세대 기술

삼성전자 반도체는 현재 더 높은 이미지센서 성능을 위한 차세대 기술을 지속 개발하고 있다. 그중에서도 ‘줌 애니플레이스(Zoom Anyplace)’는 동영상에서 화질 저하 없이 전체 화면과 클로즈업 촬영을 동시에 가능하게 하는 초고해상도 특수 줌 기술이다. 기존에는 움직이는 대상을 촬영할 때 사용자가 수동으로 초점을 조절했다면, 줌 애니플레이스는 자동으로 멀리 있는 물체를 추적하기 때문이다. 또한, 테트라 스퀘어드 픽셀을 적용한 2억 화소 카메라 환경에서는 화질 저하 없이 4배의 클로즈업 촬영이 가능해, 넓은 공간에서 원하는 장면을 4K로 촬영할 수 있게 된다.

삼성전자 반도체는 줌 애니플레이스 외에도 고감도, 저감도 모드에서 각각의 이미지 정보를 만들고 두 정보를 합성해 하나의 HDR 사진을 만드는 기술인 ‘스마트 ISO 프로’ 등 다양한 차세대 기술을 개발함으로써 사용자 경험을 지속 확장하고 있다.

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사람의 눈, 그 이상의 기능을 실현해 가는 이미지센서에 대해 보다 자세하게 알고 싶다면 인생맛칩 ‘이미지센서’편을 참고하길 바란다.