최신 초고화소 센서 기술을 모두 담았다! 담당자들이 직접 말하는 이미지센서 ISOCELL HP2 탄생 스토리

초고화소 센서에 대한 지속적인 연구개발을 바탕으로 확보한 최신 기술의 집약체

스마트폰을 구매할 때 가장 중요하게 고려하는 요소 중 하나, 바로 카메라 성능입니다. 스마트폰 카메라의 성능은 이미 전문가가 아닌 사람들도 상당 수준의 사진과 영상을 제작할 수 있는 정도로 발전해왔는데요. 이들 카메라의 성능은 이미지센서의 기술력에 달려 있다고 볼 수 있습니다. 이미지센서는 각종 전자 기기에서 사람의 눈과 같은 역할을 하는 반도체로, 렌즈를 통해 들어온 빛을 받아 이를 디지털 신호로 변환해 이미지로 보여줄 수 있도록 합니다.

삼성전자는 지난 2021년에 업계 최초로 픽셀 2억 개를 탑재한 2억 화소 이미지센서를 선보인 이래, 2022년에는 업계 최소 크기의 픽셀로 구성한 2억 화소 이미지센서를 내놓는 등, 초고화소 이미지센서 분야를 선도하는 제품을 꾸준히 출시하며 시장을 이끌고 있는데요. 2023년 1월에는 0.6㎛(마이크로미터) 크기의 픽셀 2억 개를 탑재한 이미지센서 ‘아이소셀(ISOCELL) HP2’를 출시했습니다. 아이소셀 HP2는 삼성전자 반도체의 최신 초고화소 센서 기술을 집약한 제품으로, 지난 2월 1일에는 아이소셀 HP2가 탑재된 ‘갤럭시 S23 울트라’가 공개되기도 했습니다. 꾸준한 연구개발의 결과로 탄생한 첨단 기술과 노하우를 모두 모은 아이소셀 HP2, 어떤 특징이 있을까요?

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개발과 설계, 마케팅 담당자가 직접 들려주는 아이소셀 HP2 이야기

아이소셀 HP2는 어떤 과정을 통해 탄생했을까요? Sensor사업팀 Pixel개발팀 이경호 상무, Sensor설계팀 이승진 PL, Sensor마케팅팀 최소윤 님을 만나 자세한 이야기를 들어봤습니다.

Q. 아이소셀 HP2만의 차별화 포인트는 무엇인가요? 이를 구현하기 위해 어떤 기술이 새롭게 개발됐는지도 궁금합니다.

이경호 상무: 아이소셀 HP2는 기존 갤럭시S 시리즈에 탑재되었던 1억 800만 화소 센서보다 픽셀 크기를 약 56% 정도로 줄이면서도 화질은 유지하고, 전 화소에서 Auto Focus 동작을 구현하기 위해 픽셀 저장 용량을 획기적으로 늘려야 했는데요. 이를 위해 개발된 신기술이 ‘듀얼 버티컬 트랜스퍼 게이트’입니다. 이는 포토다이오드에 축적한 많은 양의 전하를 두 개의 게이트를 통해 회로에 효율적으로 전달하는 기술인데요, 잔상 없는 이미지와 높은 Dynamic Range(밝기의 범위)를 구현할 수 있는 것이 장점입니다. 이 기술 개발로 반도체 분야 최고 학회 중 하나인 VLSI (Very Large Scale Integrated Circuit)에서 발표하는 영예와 함께, 삼성 논문상 수상, DS 논문상까지 수상할 수 있었습니다.

이승진 PL: 설계 관점에서는 아이소셀 HP2의 높은 화소수와 Frame rate(프레임 속도: 연속된 이미지들을 촬영하거나 재현하는 속도의 비율)을 구현하기 위해 매우 빠른 속도로 동작할 수 있는 회로 디자인이 요구되었습니다. 특히 정확한 수치를 밝힐 수는 없지만, ADC(Analog-to-Digital Conversion)의 큰 폭의 증가가 꼭 필요했는데요. 제조 공정이 미세화됨에 따라 기존의 회로 레이아웃으로는 이를 구현하는 것이 불가능했습니다. 저희 설계 담당자들은 이를 극복해낼 수 있는 기술을 고안해 아이소셀 HP2 제품에 최초로 적용함으로써, ADC 간의 불일치가 발생할 수 있는 시나리오들을 사전에 예측하고 해결할 수 있었습니다. 그 결과로 이미지센서의 성능과 신뢰성에 있어 목표한 바를 모두 달성해낼 수 있었고요.

Q. 2억 화소 이상의 초고화소 제품 개발을 위해 픽셀이 점점 미세화되고 있는데요. 높아지는 기술 난이도에도 불구하고 초고화소 제품을 계속 개발하는 이유는 무엇인가요? 초고화소의 한계점을 어느 정도로 보시는지도 궁금합니다.

이경호 상무: ‘More pixels, Epic details’ 그리고 ‘Beyond Human Eye’가 초고화소 제품을 지속해서 개발해가는 이유입니다. 사람 눈의 최대 유효 화소 수가 약 5억 7,600만 화소로 알려져 있는데, 그 이상을 추구하고 있습니다. 픽셀 미세화가 한계에 봉착했다는 말은 오래전부터 있어왔지만 삼성전자는 아이소셀 기술을 계속 발전시켜 왔고, 앞으로도 기술의 한계는 없다고 생각하고 혁신 기술을 개발해가고 있습니다. 이러한 노력을 통해, 궁극적으로 모바일 기기 사용자들이 소중한 순간들을 마치 눈으로 보는 것처럼 생생하고 선명하게 기록하는 카메라 경험을 누릴 수 있을 것으로 기대합니다.

Q. 초고화소 이미지센서 제품을 개발할 때, 화질을 평가하고 개선해 나가는 방식이 궁금합니다.

이승진 PL : 아이소셀 HP2는 2억 화소 사진 촬영은 물론이고, 5천만 화소 모드에서의 사진과 8K 비디오 촬영, 그리고 1,200만 화소 모드를 활용한 촬영과 프리뷰 지원 등 매우 다양한 촬영 모드를 지원합니다. 이를 위해 적용된 기술이 테트라 스퀘어드 픽셀인데요. 이 기술에서는 RGB Bayer Pattern 출력을 위해 픽셀들을 다시 배열하는 리모자이크(Re-mosaic) 변환 시의 화질이 매우 중요합니다. 이에 필요한 화질 평가를 철저히 하기 위해, 개발 초기 알고리즘 단계부터 전문가들과 함께 화질 평가 항목에 대한 객관화된 수치적 결과와 시인성 관점에서의 결과를 개선해 나가고 있습니다.

Q. 2억 화소의 실제 화질을 검증한 당사자로서 아이소셀 HP2의 화질을 어떻게 평가하시는지 궁금합니다.

이경호 상무: 현재까지 우리가 출시한 2억 화소 이미지센서 제품 중 최고라 말할 수 있을 것 같습니다. 미세한 픽셀 하나하나에 담을 수 있는 전자 용량을 획기적으로 늘려 2억 화소에서 가능한 최고 화질을 구현했습니다. 또 5,000만 화소와 1,200만 화소 동작 시에도 노이즈를 줄이는 아키텍쳐로 개발함으로써 밝은 환경은 물론 어두운 환경에서도 우수한 화질을 얻을 수 있습니다.

또한 2억 개의 픽셀이 모두 Auto Focus 기능에 활용되기 때문에 초점을 빠르고 정확하게 잡을 수 있고, 픽셀 당 전자 용량을 높였기 때문에 HDR 성능도 매우 좋아졌습니다.

Q. 초고화소 이미지센서가 실제 사용자들의 카메라 경험에 주는 베네핏은 무엇인가요?

최소윤 님: 가장 큰 장점은 사용자에게 사진과 영상 촬영을 위한 다양한 선택지와 경험을 제공할 수 있다는 점입니다. 2억 화소 제품은 기본 동작이 1,200만 화소 모드로, 사용자의 기호 또는 조도 환경에 따라 5,000만 화소 또는 2억 화소 이미지까지 다양하게 촬영할 수 있는 옵션을 제공합니다. 아이소셀 HP2는 2억 화소 이미지센서로서 조도 조건에 따라 인접한 4개나 16개의 픽셀을 묶어 사용할 수 있는 ‘테트라 스퀘어드 픽셀’ 기술을 지원하기 때문에 빅 픽셀 제품의 강점인 저조도 환경에서의 밝고 선명한 사진 촬영도 가능한 동시에 섬세한 디테일까지 제공합니다.

또한, 이제 4K(약 800만 화소) 시대를 넘어 8K(약 3,300만 화소) 시대가 본격적으로 열리고 있는데요. 초고화소 이미지센서로 더 밝고 화각 손실이 적은 고퀄리티의 8K 영상을 손안에서 손쉽게 촬영할 수 있습니다.

Q. 향후 초고화소 이미지센서 시장은 얼마나 성장할까요?

최소윤 님: 시장조사기관들의 예측에 따르면 1억 화소 이상의 이미지센서 시장은 올해부터 2026년까지 약 20% 이상의 연평균 성장률을 보일 것으로 예상됩니다. 삼성전자는 아이소셀 HM3(1억 800만 화소), HP1(2억 화소), HP3(2억 화소), HP2(2억 화소) 등의 제품 라인업을 통해 초고화소 이미지센서 시장에서 리더십을 더욱 공고히 다질 예정입니다.

Q. 앞으로 이미지센서 기술은 어떤 방향으로 발전하게 될까요? 시장에서 초고화소 제품군은 어떤 전망을 보이는지, 삼성전자의 개발 방향에 대해서도 궁금합니다.

이경호 상무: 이미지센서는 화질이 가장 중요하며, 앞으로 양자 효율을 높이기 위한 새로운 소재와 구조, 잡음을 줄이는 트랜지스터 기술, 알고리즘 기술이 개발될 것입니다. 또한, High Dynamic Range 표현력 향상, 더욱 빠른 처리 속도 구현, 나아가서 사람의 눈으로 보는 것 이상으로 선명하고 디테일한 해상도를 갖추는 기술 등이 지속 발전할 것입니다.

최소윤 님: 삼성전자 아이소셀은 빅 픽셀과 미세 픽셀의 투 트랙(Two Track) 전략을 유지하면서 시장 트렌드에 맞는 제품을 기획하고 개발하는 노력을 지속할 예정입니다. 스마트폰에 탑재되는 카메라 개수나 화소 개수는 시장 전반적으로 성장해 있는 상태이지만, 앞으로 사용자들에게 차별화된 경험을 제공하기 위해서는 같은 화소나 픽셀 사이즈이더라도 더 뛰어난 저조도 성능 및 HDR 성능이 관건이 될 것으로 예상됩니다. 이대로라면 디테일 표현뿐만 아니라 dynamic range나 색 재현력 등의 관점에서도 곧 실제 사람의 눈으로 보는 것 같은 어마어마한 이미지센서가 개발되지 않을까요?

이승진 PL: 최근 UX 관점에서의 중요한 화두는 HDR(High Dynamic Range)인데요, 이를 위해 여러 방면의 관련 기술이 연구, 개발되고 있습니다. HDR은 이미지센서에서 화소 수와 함께 가장 중요하게 꼽히는 요소이고, 앞으로도 지속적으로 성능이 향상될 것으로 예상됩니다.

Q. 앞으로 이미지센서의 응용처는 어떤 방향으로 다변화될까요? 모바일 기기, 차량 외에도 기대되는 분야가 있는지요?

최소윤 님: 앞으로 이미지센서가 사용될 응용처는 무궁무진합니다. 삼성전자의 아이소셀 라인업은 모바일 기기나 차량용 이미지센서 외에도 AR, VR, 노트북, 태블릿 PC 기기를 위한 신제품을 계속해서 준비하며 시장 확대를 추진하고 있습니다.

한계 속에서 창조해낸 혁신 기술, 그리고 그 너머를 내다보다

세상에 없던 기술을 만들어내고 알리는 데에 쉬운 길은 없습니다. 아이소셀 HP2가 탄생하기까지 각 분야의 담당자들은 어떤 난관을 극복했을까요? 그리고 이들이 꿈꾸는 초고화소 이미지센서의 미래는 어떤 모습일까요?

Q. 제품이 개발되어 출시되기까지 특별히 중점을 둔 포인트는 무엇이었나요? 업무 중 어려웠던 부분이나 고비가 있었다면 어떻게 극복하셨는지도 궁금합니다.

이경호 상무: 플래그십 갤럭시 제품에 아이소셀 HP2를 탑재하게 되었기 때문에, 성능은 물론 모든 측면에서 문제가 없도록 해서 고객이 최고의 제품을 만들 수 있게 지원해야 한다는 책임감이 컸습니다. 쉽지만은 않았지만, 관련된 모든 부서들과 긴밀히 협력하고 소통하면서 문제를 풀어갔습니다.

이승진 PL: 고객이 요구하는 성능 목표에 도달하려면 개발 일정을 준수하는 것이 매우 어려운 상황이었는데요. 개발 목표를 전략적으로 이원화해 수행함으로써 약속한 일정도 준수하고, 성능도 목표 수준으로 달성할 수 있었습니다. 일정에 맞춰 도전적인 개발 과제를 완수하기 위해 팀원 모두가 힘든 부분들도 있었지만, 서로 돕고 의지하며 극복할 수 있었습니다.

최소윤 님: 아이소셀 HP2는 홍보에도 많은 공을 들였는데요. ‘제품에 적용된 어려운 신기술들을 어떻게 하면 쉽게 사용자들에게 설명할 수 있을까’를 깊이 고민했습니다. 새로운 기술이 많은데, 어려운 개념들을 풀어서 설명해야 하는 것이 난관이었죠. 저도 문과생 출신으로서 이해하기 어려운 부분도 많았지만, 그렇기에 오히려 대중이 이해하기 쉬운 단어로 기술과 개념을 표현할 수 있었던 것 같습니다.

Q. 이미지센서 사업과 관련해 기대되는 점은 무엇인가요? 앞으로의 다짐에 대해서도 들려주세요.
이경호 님: 우리의 아이소셀로 이미지센서 시장을 선도해 나가고자 합니다. 열심히 뛰겠습니다. 많이 응원해주십시오.

이승진 PL: 모바일뿐만 아니라 Automotive 등 다양한 제품군으로 사업을 확장해 진정한 이미지센서 리더로 성장하길 기대합니다.

최소윤 님: 누구나 간편하게 전문가처럼 완성도 높은 사진을 찍을 수 있도록, 마치 눈으로 직접 보는 것처럼 생생한 사진과 영상을 촬영할 수 있도록 좋은 품질의 이미지센서를 선보이고 싶습니다.

Q. 이미지센서 사업과 관련된 업무를 하고 싶어 하는 후배나, 삼성전자 입사를 희망하는 학생, 취업 준비생들에게 해주고 싶으신 말씀이 있다면요?

이경호 상무: 최근 이미지센서는 극저조도 화질까지 확보해야 해서 광학뿐만 아니라 잡음을 줄이는 반도체 소자 기술도 매우 중요시되고 있습니다. 따라서 광학 분야 외에도 여러 반도체 소자 분야의 전문가들이 역량을 펼칠 수 있습니다. 가능성이 무궁무진한 이미지센서 개발에 많이 지원해주세요.

최소윤 님: 이미지센서는 우리가 늘 사용하는 스마트폰에 여러 개씩 달려 있는 친숙한 반도체입니다. 너무 어렵게 생각하지 않으셨으면 좋겠고, 미래의 스마트폰 카메라를 기획하고 아이디어를 내고 싶다면 누구나 부담 없이 마케팅 업무에 지원하시면 좋겠습니다. 그리고 삼성전자 아이소셀은 스마트폰을 넘어 응용처를 다양하게 확대해 나갈 계획이기 때문에, 넓은 시야로 시장을 개척할 포부가 있는 분들 모두를 환영합니다.

이승진 PL: Sensor사업팀은 현재 모바일 센서뿐만 아니라 차세대 센서 등 다양한 센서를 개발하고 있습니다. Analog, Digital, Pixel, Optic, 공정 등 다양한 분야의 전문가가 함께 개발하고 있는데요. 본인 전공 분야 외 영역에 대해서도 폭넓은 지식을 동시에 향상시킬 수 있는 부서입니다. 더 높은 목표를 향해 도약의 발판을 마련하고 있는 Sensor사업팀과 함께하고 싶은 분들의 많은 지원을 응원합니다.

어떤 환경에서 촬영해도 전문가의 작품처럼 생생한 이미지, 눈으로 보는 것만큼 선명하고 디테일한 사진은 더 이상 꿈의 기술이 아닙니다. 새로운 기술에 대한 끊임없는 연구와 개발을 바탕으로 삼성전자 반도체의 초고화소 이미지센서는 지금 이 순간에도 진화하고 있습니다. 2억 화소를 넘어 사람 눈이 보는 그대로를 구현해낼 때까지, 삼성전자 반도체 이미지센서 아이소셀 시리즈에 많은 관심 부탁드립니다.

🎬 영상으로 만나보는 아이소셀 HP2의 눈부신 기술력