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.

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반도체 성능은 한정된 공간에 얼마나 많은 트랜지스터를 넣을 수 있느냐에 따라 결정된다. 이에 대해 ‘반도체 집적도는 24개월마다 두 배로 늘어날 것이다’라고 예측한, 일명 ‘무어의 법칙(Moore’s Law)’도 존재한다.

그러나 현재 빅데이터 기반 기술, 네트워크 등이 빠르게 성장하면서 컴퓨팅 성능은 점점 증가하는 데에 반해, 반도체의 성능 발전 속도는 이를 따라가지 못하고 있다. 이른바 Beyond Moore를 이끌 새로운 대안이 필요한 상황. 반도Chat 일곱 번째 에피소드의 주제는, 이러한 한계점을 뛰어넘는 첨단 패키지 기술 ‘Advanced Package’다.

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MAP 1. 반도체 미세화의 한계를 극복할 키

기존의 반도체들은 고유의 성능을 각자 가지고, 세트(완제품)를 통해 결합되어 각종 응용처에서 활용되어 왔다. 그러나 반도체의 핵심인 미세화 기술의 난이도가 급격히 증가하고 있으며, 이에 따른 개발 비용도 기하급수적으로 증가하고 있다.

또한 모바일, 웨어러블, 클라우드, 인공지능, 자동차 등 다양한 응용처에서 각종 반도체 칩들이 고밀도로 실장되어 고성능을 구현하기 위해서는 기존의 미세화 기술로는 요구되는 성능을 만족하기 어렵게 되었다.

이에 따라 서로 다른 종류의 반도체를 미세한 배선으로 수직 또는 수평으로 연결해 하나의 반도체를 만들어 내는 첨단 패키지 기술 ‘Advanced Package’가 핵심 경쟁력이 되고 있다.

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MAP 2. 서로 다른 기능의 반도체를 효율적으로 연결하는 이종 집적화

첨단 패키지의 핵심은 ‘이종 집적화(Heterogeneous Integration)’ 기술이다. 이종 집적화란 메모리, 시스템 반도체 등 서로 다른 기능을 하는 반도체를 효율적으로 배치해 하나의 칩으로 동작하게 하는 기술이다. 독립된 여러 개의 반도체 칩을 수평 혹은 수직으로 연결함으로써 더 작은 반도체(패키지) 안에 더 많은 트랜지스터를 집적할 수 있고, 각각의 성능을 뛰어넘는 솔루션을 제공할 수 있다.

이종 집적 기술은 메모리 반도체와 시스템 반도체를 인터포저를 활용해 수평으로 배열하는 2.5차원 패키지와 수직으로 적층하는 3차원 패키지 등으로 나뉘는데, 삼성전자는 2.5차원 패키지 ‘I-Cube’, 3차원 패키지 ‘X-Cube’ 등 첨단 솔루션을 제공하고 있다. 해당 솔루션들은 어떤 특성을 지니고 있는지 자세히 알아보자.

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MAP 3. 무어의 법칙을 넘어서는 혁신 솔루션

우선 2.5차원 패키지는 로직과 메모리 반도체를 수평으로 기판 위에 집적한 패키지를 말하고, 3차원 패키지는 여러 개의 로직과 메모리 반도체를 수직으로 집적한 패키지를 뜻한다.

먼저, 2.5차원 패키지 솔루션으로는 ‘I-Cube’와 ‘H-Cube’가 있는데, ‘I-Cube(Interposer-Cube)’는 로직과 고대역폭 메모리(HBM)를 수평으로 집적해 빠른 속도로 데이터를 주고 받을 수 있도록 하는 솔루션이다. I-Cube의 I는 인터포저(Interposer)를 뜻하는데, 칩과 PCB(인쇄회로 기판)를 인터포저를 통해 물리적으로 연결하고, 인터포저 위에 로직과 HBM을 배치해 하나의 반도체처럼 동작하도록 지원한다.

2021년에는 HBM을 6개 이상 탑재 가능한 패키지 솔루션 ‘H-Cube(Hybrid substrate-Cube)’도 개발했다. H-Cube는 메인 기판 아래에 대면적 구현이 가능한 보조 기판을 추가해 시스템 보드와의 연결성을 확보한 것이 특징이다. 이로써 다수의 로직과 HBM을 적층하면서도 높은 안정성을 지닐 수 있다.

뿐만 아니라, 메인 기판과 보조 기판을 전기적으로 연결하는 솔더볼(Solder ball)의 간격도 기존 대비 35% 좁혀 기판의 크기를 최소화했다. 이는 데이터센터, 인공지능, 네트워크 등의 분야에서 다방면으로 활용될 수 있다.

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MAP 4. ‘초’연결까지 가능케 한 비법은?

삼성전자는 2020년에 ‘X-Cube(eXtended-Cube)’라는 3차원 적층 패키지 솔루션도 선보였다. ‘X’는 칩 간 연결과 기능의 확장을 의미하며, ‘X-Cube’는 로직 그리고 캐시메모리 역할을 하는 SRAM(Static Random Access Memory) 등의 개별 칩을 수직으로 적층해 연결성을 확장한 제품이다. 이로써 전체 칩 면적을 줄이면서 고용량 메모리를 장착해 속도와 전력 효율을 높였고, 지연 시간을 최소화해 고객의 설계 자유도도 높였다.

올해는 ‘u-Bump(micro Bump)형 X-Cube’의 양산을 앞두고 있다. TSV 공정에서 칩과 칩을 연결할 때 사용하는 범프는, 크기와 간격이 작을수록 작은 공간에서 반도체 패키지의 밀도와 연결성을 높이는 데 기여한다. u-Bump(micro Bump)형 X-Cube는 30마이크로미터보다 작은 범프 간의 간격을 활용해 연결성을 획기적으로 높인 제품으로, 모바일과 웨어러블, 증강현실(AR)·가상현실(VR), 슈퍼컴퓨터와 인공지능 등 초연결이 필수적인 분야에서 높은 활용성을 갖는다.

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MAP 5. AVP로 강화할 삼성 파운드리 경쟁력

삼성전자 반도체는 이러한 첨단 패키지 기술을 강화하기 위해 2022년 12월, AVP(Advanced Package) 사업팀을 출범해 차세대 기술 개발에 앞장서고 있다. 차세대 접합 기술 ‘HCB(Hybrid Copper Bonding)’가 대표적인 예다. HCB는 칩과 칩을 별도의 범프 없이 연결하는 기술로, 각 칩 표면에 드러난 구리를 직접 연결해 데이터 전송 속도를 더욱 향상할 수 있다. 2026년에는 HCB를 활용한 3차원 패키지, ‘Bump-less형 X-Cube’도 선보일 예정이다.

이외에도 ‘CoW(Chip on Wafer)’ 등 다양한 차세대 패키지 기술의 결합으로 성능과 효율성을 지속 향상함으로써 기술의 한계를 계속해서 뛰어넘고 있다. 최종적으로 패키지의 구조, 성능, 설계에 이르기까지, 응용처별 맞춤형 반도체를 다양한 형태의 패키지 솔루션으로 제공하며 AI 시대에서 파운드리 경쟁력을 강화해 나갈 계획이다.

차세대 패키지 기술의 결합으로, 기존 반도체의 한계를 넘어서는 첨단 패키지 솔루션 ‘Advanced Package’에 대해 보다 자세하게 알고 싶다면 반썰어 ‘AVP’ 편을 참고하길 바란다.

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인체의 각 기관으로 필요한 혈액을 보내주는 심장처럼 전자기기의 부속품에 전력을 공급해 주는 반도체가 있습니다. 바로 ‘전력관리반도체(PMIC: Power Management Integrated Circuit)’입니다. 전자장치 속 부품들은 필요한 전력이 모두 다르기 때문에 PMIC는 각 부품에 알맞게 전력을 변환하고 분배하고 제어하는 역할을 하는데요. 이를 통해 전력을 안정적이면서도 가장 효율적으로 사용할 수 있도록 합니다. 사물인터넷(IoT)과 자율주행 기술의 발전이 가속화됨에 따라 수요가 더욱 증가할 PMIC에 대한 정보를 영상을 통해 확인해 보세요!

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세계 수출 시장에서 5년 연속 점유율 1위를 기록한 우리나라 제품이 있습니다. 뉴스에도 매일 등장하는 이것, 바로 ‘반도체’인데요. 반도체와 관련된 모든 지식을 알기 쉽게 전달하는 콘텐츠, <반도체 백과사전> 시리즈가 시작됐습니다.

첫 번째 시간은 반도체의 정의부터 탄생 과정, 그리고 작동 원리까지 가장 기초가 되는 개념을 살펴봤는데요. 자세한 내용은 영상을 통해 확인해 보세요!

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NVMe
[Non-Volatile Memory express]

SSD를 탑재한 서버, PC의 성능 향상과 설계 유연성을 높일 수 있도록 만든 PCIe 인터페이스 기반의 프로토콜.

NVMe는 SSD의 성능을 최대한 활용할 수 있도록 개발되었으며, HDD(Hard Disk Drive)에 최적화된 기존의 SATA(Serial Advanced Technology Attachment) 인터페이스보다 6배 이상 빠른 속도를 자랑한다.

SATA 환경에서는 SSD 성능을 극대화하더라도 인터페이스의 성능 때문에 속도 한계가 생길 수 있는 반면, NVMe는 SSD가 인터페이스의 한계를 극복하고 고성능을 낼 수 있도록 도와준다. 예를 들어, 상점에서 물건을 살 때 모든 고객이 한 줄로 줄을 길게 선 상황을 SATA라고 가정하면, NVMe는 이를 여러 줄로 나누어 효율적인 처리를 가능하게 한 것이다. 따라서 NVMe는 데이터 처리를 위한 대기 시간을 크게 단축시킬 수 있다.

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상보형 금속산화 반도체(CMOS, Complementary Metal Oxide Semiconductor) 구조를 가진 저전력 촬상 소자.

이미지센서는 피사체 정보를 읽어 전기적인 영상신호로 변환해주는 장치이다. 빛 에너지를 전기적 에너지로 변환해 영상으로 만드는데, 카메라의 필름과 같은 역할을 한다.

이미지센서는 응용방식과 제조공정에 따라 CCD 이미지센서와 CMOS 이미지센서로 나눌 수 있다. CMOS 이미지센서는 신호를 전압 형태로 변환해 전송하는 방식으로, 일반 반도체 공정인 CMOS 공정을 사용하기 때문에 가격 경쟁력이 있다. 또한 이미지센서와 주변 회로를 원칩화할 수 있어 소형화 및 관리가 용이하다.

CMOS 이미지센서는 집적도가 높고 전력 소비량이 적어 배터리 수명이 중요한 스마트기기 시장에서 선호되고 있다.

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