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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스마트폰, 노트북, 컴퓨터 등의 전자 기기를 구매할 때 중요한 요소 중 하나는 용량이다. 128GB, 512GB, 1TB 등의 숫자는 메모리의 용량을 의미한다.

최근 전자 기기가 고성능화, 경량화됨에 따라 메모리 반도체 역시 고용량은 물론이고 소형화, 저전력 기술을 요구받고 있다. 이번 에피소드에서는 이러한 메모리 트렌드를 대표하는 솔루션, ‘UFS’를 소개한다.

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MAP 1. 전자 기기에서 필수 불가결한 존재

UFS를 자세히 이해하려면 먼저 플래시 메모리에 대해 알아야 한다. 플래시 메모리란, 비휘발성 메모리로, 전원이 꺼지면 정보를 모두 잃어버리는 D램이나 S램과 달리 전원이 끊겨도 데이터를 전기적으로 보존하는 것이 특징이다. 플래시 메모리는 반도체 칩 내부의 전자회로 형태에 따라 직렬로 연결된 낸드(NAND) 플래시와 병렬로 연결된 노어(NOR) 플래시로 구분된다.

낸드 플래시와 노어 플래시는 각 특성에 따라 다양한 반도체와 결합되어 서버, 모바일 기기, PC, 자동차 등에서 고성능 스토리지(저장 장치)로 활용된다.

그렇다면 플래시 메모리를 활용한 스토리지(저장 장치) 솔루션에는 어떤 것이 있을까? 먼저, 모터와 같은 기계적인 장치 없이 낸드 플래시에 데이터를 저장하는 SSD(Solid State Drive)가 있다. SSD는 빠른 데이터 접근 속도와 내구성으로 서버, 데이터센터, PC, 자동차 등에서 활용된다. 또한 고속 컨트롤러와 고성능 낸드 플래시를 결합해 작은 크기와 저전력을 갖춘 UFS(Universal Flash Storage)와 eMMC(embedded Multi Media Card)는 모바일, 웨어러블, 자동차 등에서 주로 사용된다. 더불어 스마트폰, 카메라, PC 등 여러 장치에서 고사양 콘텐츠의 원활한 작업을 돕는 SD카드와 마이크로 SD카드도 있다.

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MAP 2. eMMC와 UFS, 무엇이 다를까?

eMMC와 UFS 모두 고속 컨트롤러와 낸드 플래시를 결합한 솔루션이지만, 작동 원리에 차이가 있다. eMMC는 두 장치 간 데이터를 교대로 교환하는 ‘병렬식 통신’을 사용한다. 데이터를 한 번에 하나씩 읽거나 쓰는 방식이다. 반면, UFS는 데이터를 동시에 읽고 쓰면서 양방향으로 소통할 수 있는 ‘직렬식 통신’을 사용한다. eMMC는 단방향 도로, UFS는 양방향 도로에 비유할 수 있다.

eMMC는 병렬식 인터페이스로 만약 많은 양의 데이터를 더 빠르게 보내야 한다면 선 개수를 늘려야 하고, 선 하나라도 문제가 생기면 신호 노이즈가 생겨 전체 데이터를 주고받는 데 영향을 미칠 수 있다. 반면, UFS는 읽기와 쓰기 작업에 별도의 전용 경로가 있는 LVDS(Low-Voltage Differential Signaling) 직렬 인터페이스를 사용하기에, 동시에 읽고 쓰는 멀티태스킹이 가능하다. 이에 따라 eMMC보다 더 빠른 데이터 전송 속도를 제공한다.

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MAP 3. 점점 작고 강력해지는 UFS 세상

2015년, 삼성전자는 세계 최초로 스마트폰용 128GB UFS를 양산하며 초고속 UFS 시대를 열었다. 뒤이어, 2017년에는 업계 최초로 512GB UFS를 출시했다. 256GB UFS보다 용량을 2배 늘리면서, 손톱만 한 패키지의 크기(11.5 X 13 X 1.0mm)는 그대로 유지한 것이 특징이다. 이에 더하여 2022년에는 무려 1TB의 용량을 지닌 UFS 4.0 구현에 이르렀다.

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MAP 4. 모바일 경험을 확장하는 차세대 스토리지! UFS 4.0

UFS 4.0 메모리는 차세대 UFS 4.0 규격에 맞춰 더욱 대역폭이 향상된 솔루션이다. 가장 큰 장점은 연속 읽기/쓰기 속도다. 업계 최고 수준의 연속 읽기 속도 4,200MB/s, 연속 쓰기 속도 2,800MB/s를 제공하며, 데이터 전송 대역폭은 이전 세대(모바일용 UFS 3.1)의 2배인 23.2Gbps에 달한다.

이를 통해 대량의 고화질 사진을 한 번에 빠르게 확인하거나, 초고해상도 디스플레이에서 다양하고 복잡한 작업을 동시에 실행하더라도 빠르고 원활하게 처리할 수 있다. 이 모든 기능을 11 x 13 x 1.0mm의 작은 크기에 담았으며, 무려 1TB에 달하는 대용량을 지원한다. 또한 이전 세대 대비 약 45% 이상 개선된 전력 효율로 제공한다. 여기에 삼성전자는 세계 최초로 ‘UFS 4.0용 인터페이스 IP’ 기술을 개발해 UFS 4.0 규격을 지원하는 컨트롤러 칩에 적용했다. 해당 기술을 통해 고속 데이터 전송 시에도 오류가 발생하지 않는 에러 프리(error-free) 전송을 보장해 사용자의 모바일 경험을 더욱 향상시켰다.

* 인터페이스 IP: 효율적인 고속 네트워크 통신을 통해 원활한 데이터 이동을 돕는 기술

모바일 기기에선 보안 기능 역시 무척 중요하다. 많은 사용자들이 편리한 일상을 위해 모바일 기기에 은행 정보나 생체 인증 정보를 저장하여 사용하기 때문이다.

이에 따라 삼성전자 UFS에는 사용자 개인 정보와 중요 데이터를 보호하는 보안 기술이 포함되어 있다. 바로, RPMB(Replay Protected Memory Block)이다. RPMB는 중요한 데이터를 메모리의 특정 블록에 안전하게 저장하여 보호한다. UFS 4.0에는 Advanced RPMB 기술이 적용되어 이전 세대 대비 보안 데이터에 대해 약 1.8배 빠른 읽기, 쓰기가 가능하다.

이렇게 초소형, 저전력, 대용량, 높은 보안 기능까지 고루 갖춘 UFS 4.0은 스마트폰 등 모바일 기기뿐 아니라 AR·VR 기기, 자동차 등 광범위하게 확산될 것으로 예상된다.

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MAP 5. 인포테인먼트(IVI) 최적의 솔루션! 차량용 UFS 3.1

플래시 메모리는 모바일뿐 아니라 자동차에서도 필수적이다. 음악, 비디오, 내비게이션 등의 인포테인먼트 데이터를 저장하고, 차량 제어 시스템의 효율적인 운영 등에 사용되기 때문이다. 따라서 자동차에서 사용자 경험이 향상될수록 차량용 UFS의 성능 역시 중요해진다.

삼성전자는 2017년 업계 최초로 차량용 128GB UFS를 선보였으며, 2023년에는 업계 최저 소비 전력을 자랑하는 차량 인포테인먼트용 UFS 3.1 메모리를 양산했다. 해당 솔루션은 128GB, 256GB, 512GB 등의 다양한 제품군을 갖추었다. 특히 256GB 제품은 이전 세대보다 소비전력이 약 33% 개선되었으며, 연속 읽기 속도 2,000MB/s, 연속 쓰기 속도 700MB/s를 자랑한다. 이를 통해 자동차 배터리 전력을 효율적으로 운용할 수 있다.

차량용 반도체 시장에서는 제품의 성능뿐 아니라 안정성과 신뢰성도 중요하다. 삼성전자의 차량용 UFS 3.1은 영하 40℃에서 영상 105℃까지 폭넓은 온도 범위에서 안정적인 성능을 보장함으로써 차량용 반도체 품질 기준인 *AEC-Q100 Grade2를 달성한 바 있다. UFS 3.1은 차세대 자동차 시장 트렌드에 걸맞은 최적의 솔루션으로 기대를 모으고 있다.

* AEC-Q100(Automotive Electronic Council): 자동차 부품 협회에서 자동차 전자 부품에 대한 신뢰성 평가 절차 및 기준을 규정한 것으로, 전 세계에서 통용되는 기준. Auto Grade는 온도 기준에 따라 0~3단계로 나뉜다

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MAP 6. 삼성전자 메모리 기술로 나아갈 미래

ChatGPT와 같은 생성형 AI는 사용자의 요구에 따라 텍스트, 이미지, 동영상, 음악 등의 콘텐츠를 생성하는 데 많은 데이터를 필요로 한다. AI의 급격한 성장은 급진적인 메모리 발전을 요구하고 있으며, 이를 위해서는 DDR6, HBM4, GDDR7, UFS 5.0 등의 차세대 고대역폭, 저전력 메모리와 새로운 인터페이스, 첨단 패키지 등의 기술이 필요하다.

삼성전자는 이러한 요구를 반영하기 위해 미래 솔루션과 신사업 발굴을 지속 진행하고 있으며, 이를 통해 우리 일상 속 다양한 기기에서 더욱 편리하고 풍부한 사용자 경험을 제공할 예정이다.

모바일, 자동차 어디든 OK! 손바닥만 한 전자 기기에도 쏙 들어가는 작은 몸집으로 초고성능, 대용량을 지원하는 UFS에 대해 더 알아보고 싶다면 삼교시 탐구생활 ‘UFS’ 편을 참고해 보자.

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사람 한 명 없는 무인도에서 구조 요청을 하지 못해 35년 만에 무인도에서 탈출한 로빈슨 크루소. 만약 그가 지금 시대에 다시 한번 무인도에 갇힌다면, 하루도 아닌 반나절 만에 무인도에서 탈출할 수 있을 것이다. 언제 어디서든 통신이 가능한 NTN (Non-Terrestrial Networks – 비지상(非地上) 네트워크) 기술이 있기 때문이다. 산, 바다, 사막에서도 끄떡없는 비지상망 통신, NTN은 과연 무엇일까?

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MAP 1. 오지도 문제없는 NTN의 기술력

그동안 우리는 지상 기지국과 모바일 기기를 연결하는 지상망 통신을 사용해왔다. 지상망 통신은 대부분의 지역에 적용되어 있기에, 우리가 일상생활을 하기에는 문제가 없지만, 통신 인프라가 부족한 지역에서는 통신 자체가 어려울 수 있다. 인적이 드문 시골에서나 깊은 산속을 등산할 때 스마트폰 통신이 잘 터지지 않는 것을 떠올리면 이해하기 쉬울 것이다.

‘NTN(Non-Terrestrial Networks)’이라고 부르는 비지상망 통신을 활용한다면, 이 한계를 극복할 수 있다. 비지상 네트워크는 지상 기지국이 아닌, 인공위성과 같은 공중 플랫폼과 모바일 기기를 연결하는 통신 기술이다. 지상 네트워크는 지형적, 물리적 제약으로 인해 통신이 끊기는 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어 통신 인프라가 구축되지 않은 곳에서는 지상 기지국을 설치할 수 없으며, 자연재해나 전쟁 등의 상황에서는 지상 네트워크가 파괴되어 통신이 마비될 수 있다. 비지상 네트워크는 위성 신호를 이용하여 신호를 전송할 수 있기 때문에 공공 안전 메시지, 긴급 문자 메시지, 재난 구호 등에 이용할 수 있고 오지에서도 통신이 가능하다. NTN을 사용하면 통신 사각지대를 없앨 수 있을뿐더러 재난 지역에서도 안정적으로 통신할 수 있다.

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MAP 2. 좁은 대역폭으로 넓고 안정적이게! NB-IoT NTN

우리가 위성통신에 사용하는 인공위성은 고도에 따라 ‘정지궤도 위성’과 ‘저궤도 위성’으로 나뉜다. 그중 3만 6000km대의 고도에 위치한 정지궤도 위성은 고도가 높아 대륙 단위의 넓은 영역에서 통신이 가능하다. 고궤도 정지위성과 단말 사이는 거리가 멀기에 이를 연결하기 위해서는 저전력 광역 통신 기술이 적합하다. 이 고궤도 정지위성과 모바일 기기를 연결하는 이동통신 네트워크가 바로 ‘NB-IoT NTN(협대역 사물 인터넷 비지상 네트워크)’다.

NB-IoT NTN은 NB-IoT (Narrow band Internet of Things – 협대역 사물인터넷) 표준을 NTN 서비스에 사용한다. NB-IoT는 LTE 표준에 기반하고 있으며, 대역폭이 많이 필요하지 않은 저속의 서비스를 제공하는 데 중점을 둔다. NB-IoT에서 좁은 대역폭을 사용하는 특징은 상대적으로 낮은 단말의 송신 출력으로도 먼 거리까지 도달이 가능하여 높은 궤도에 위치한 정지궤도 위성과 통신이 가능하도록 해준다.

또한 정지궤도 위성의 특성상 지상에 위치한 단말에서 위성이 항상 고정된 상공에 위치하므로, 빠른 속도로 이동하는 저궤도 위성에 비해 연결성이 보장되어 공공 안전 목적에 부합할 수 있다.

삼성전자 반도체는 NB-IoT 기반 위성통신 표준기술도 개발해 차세대 엑시노스 모뎀에 적용할 예정이다. 해당 기술이 적용된다면, 수신 감도 개선을 위한 무선통신용 고출력 안테나 칩이 없어도 위성 송수신 출력이 가능하기 때문에 모바일 제품의 디자인 제약을 줄일 수 있다.

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MAP 3. 로딩 없는 빠른 통신 속도, NR NTN

그렇다면, 정지궤도 위성이 아닌 저궤도 위성을 사용하는 이동통신 네트워크는 무엇일까? 바로 5G NR 기반 위성 데이터 서비스인 ‘NR NTN(NR 기반 비지상 네트워크)’이다. 정지궤도 위성보다 훨씬 낮은 고도에 위치한 저궤도 위성을 사용하기에 지연 시간이 짧고 고속 데이터 전송 속도를 경험할 수 있다. 인터넷 서핑과 실시간 스트리밍을 많이 이용한다면, NR NTN이 제격이다.

이처럼 NB-IoT NTN과 NR NTN은 각각 다른 서비스를 제공하기에 어떤 것이 더 좋은 기술이라 꼽기는 어렵다. 두 기술의 가장 큰 차이는 대역폭! NB-IoT NTN은 대역폭이 좁아 적은 양의 데이터 전송만 지원하지만, 고정 위성이 고궤도에 위치하여 통신하기 때문에 도달범위가 넓고 안정적인 특징이 있고, 5G NTN은 저궤도 이동 위성을 사용하기에 넓은 범위를 커버하기 위해서는 많은 수의 위성이 필요하지만, 광대역을 이용하기에, 웹 브라우징이나 실시간 영상 서비스가 가능한 특징이 있다.

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MAP 4. 주파수 오류를 최소화하는 법! 도플러 천이 보상

정지궤도 위성에 비해 비교적 낮은 고도에 위치한 저궤도 위성은 넓은 대역폭을 가지고 있어 5G 기반의 대용량 데이터를 주고받을 수 있지만 위성이 매우 빠른 속도 (시속 27,000Km 혹은 초속 7.5Km)로 이동한다. 이 과정에서 주파수 오류가 발생할 수 있는데 이를 ‘도플러 효과’라고 한다. 도플러 효과는 파동원(인공위성)과 관찰자(모바일 사용자)의 상대 속도에 따라 파장이 바뀌는 현상으로 송수신 주파수 차이로 인해 전송 속도가 저하되거나 오류가 증가할 가능성이 있다.

삼성전자 반도체는 이를 해결하고자, 인공위성이 이동하는 위치를 정확하게 예측함으로써 파장의 변이를 예측하고 보상함으로써 주파수 오류를 최소화하는 ‘도플러 천이 보상(Doppler Shift Compensation)’ 기술을 개발했다.

도플러 천이 보상 기술은 파동원과 관찰자 사이의 도플러 효과를 예측하고 계산하는 기술이다. 다시 말해, 단말기에서 위성 신호를 수신할 때는 도플러 효과를 빠른 시간 안에 찾아 초기 접속 시간을 단축할 수 있도록 하고, 신호를 전송할 때는 도플러 현상을 예측해 미리 보상 신호를 전송함으로써 왜곡을 최소화한다. 도플러 천이 보상 기술을 적용하게 되면, 사진과 영상과 같은 대용량 데이터의 안정적인 양방향 송수신이 가능하다.

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MAP 5. 만물인터넷 시대의 필수 네트워크 솔루션, NTN의 미래

이제는 단순히 사물 간의 연결을 넘어 만물이 인터넷에 연결되는 만물인터넷 시대다. 이러한 환경 속, 삼성전자 반도체는 미래를 선도하기 위해 향후 5GㆍNB-IoT NTN 기술이 적용된 엑시노스 모뎀을 지속 발전시켜 인공위성 기반의 5G 이동통신 상용화 시기를 앞당기는 한편, 6G를 기반으로 한 필수 통신 기술을 선제적으로 확보해 나갈 예정이다.

2023년 10월에 열린 테크 데이에서도 이러한 삼성전자 반도체의 목표를 엿볼 수 있었다. NB-IoT NTN과 NR NTN을 동시에 지원하는 단일 칩 솔루션을 개발했다고 밝힌 것. 이번 개발로 삼성전자 반도체의 비지상 네트워크 솔루션은 다양한 사용자 애플리케이션에 안정적인 서비스와 일관된 커버리지를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.  

무인도에서도 통신 두절 걱정 NO! 언제 어디서든 원활한 통신이 가능한 NTN에 대해 더 알아보고 싶다면 삼교시 탐구생활 ‘NTN’편을 참고해 보자.

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‘더 얇게, 더 가볍게’가 당연시되는 요즘이다. 대부분의 제품이 그러하지만, 특히나 PC나 노트북과 같은 IT 기기 시장에서는 이러한 요소가 큰 경쟁력 중 하나다. 이를 위한 솔루션으로 등장한 것이 바로 차세대 D램, ‘LPCAMM2(Low Power Compression Attached Memory Module)’다.

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MAP 1. 차세대 메모리를 위한 진전의 기록

얇고 가벼운 노트북을 만들기 위해 그동안 많은 시도가 이루어졌고, 온보드형 메모리와 SO-DIMM(Small Outline Dual In-line Memory Module) 메모리를 사용해 왔다.

SO-DIMM은 노트북이나 태블릿 PC에서 사용하는 메모리다. 탈부착이 가능하기 때문에 손쉽게 D램 용량을 늘릴 수 있지만, 공간을 많이 차지하고 열 관리가 어렵다는 단점이 있다.

반면, 온보드형 메모리는 메인보드에 붙어 있는 제품으로, SO-DIMM보다 전력과 공간 효율 면에서 우수하다는 특징이 있다. 다만, SO-DIMM과는 다르게 탈부착이 불가하고, 고장이 나면 메인보드를 통째로 교체해야 하여 SO-DIMM보다 많은 교체 비용이 든다. 이처럼 SO-DIMM과 온보드형 메모리는 각자의 장·단점이 뚜렷하다.

SO-DIMM과 온보드형 메모리의 단점을 보완하고 고성능·고용량 메모리 개발이 필요한 상황 속에서 게임 체인저로 등장한 것이 바로 LPCAMM2다.

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MAP 2. 모바일 D램의 새로운 역사, LPDDR

LPCAMM2를 알기 위해선 ‘LPDDR(Low Power Double Data Rate)’에 대한 이해가 우선이다. LPCAMM2 자체가 LPDDR 패키지 기반의 모듈 제품이기 때문이다. LPDDR은 저전력 특화 D램으로 스마트폰, 태블릿 PC 등 모바일 기기에 사용되는 메모리다.

삼성전자 반도체는 우수한 소비전력이 돋보이는 LPDDR을 개발하고, 세대에 따라 LPDDR2, LPDDR3, LPDDR4, LPDDR5, LPDDR5X 등을 연이어 양산했다. 그리고 지난해 9월, 삼성전자 반도체는 업계 최초로 LPDDR5X 기반 LPCAMM2를 개발하며, 새로운 폼팩터 시장을 개척했다.

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MAP 3. LPCAMM2으로 D램의 패러다임을 바꾸다

LPCAMM2는 LPDDR 패키지를 여러 개 묶은 차세대 고용량 모듈로, 뛰어난 성능과 공간 절약, 효율적인 전력 관리를 자랑한다.

앞서 언급한 SO-DIMM과 비교해 보면, LPCAMM2의 장점이 더 확연히 드러난다. LPCAMM2에 비해 금속 커넥터가 차지하는 비중이 적은 SO-DIMM은 커넥터에 소켓이 있어야 보드에 연결이 가능하며, 소켓을 거칠 때마다 데이터 손실이 발생할 수 있어 블루스크린과 같은 현상이 나타날 수 있다. 반면에, LPCAMM2의 경우, 커넥터가 바로 밑에 위치해 있어 소켓을 통하지 않고 바로 꽂기만 하면 데이터 전송이 가능하다. 즉, 데이터 손실은 감소하고 속도는 증가하는 격이다.

현재 다양한 분야에서 고성능, 저전력, 제조 유연성에 대한 요구가 증가함에 따라 LPCAMM2가 기존 제품들을 대체할 차세대 폼팩터로 자리하고 있다.

삼성전자 반도체의 LPCAMM2는 작고 얇은 폼팩터에 강력한 성능을 담음으로써 제조사에게는 제조의 유연성을, 사용자에게는 교체나 업그레이드 등의 편의성을 증대시켰다.

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MAP 4. LPCAMM2, 디지털 노마드 시대의 해법

공간의 제약 없이 자유롭게 디지털 기기를 이용하는 ‘디지털 노마드(Digital nomad) 시대’인 지금, LPCAMM2는 PC·노트북 D램 시장의 판도를 바꿀 솔루션으로 각광받고 있다.

삼성전자 반도체는 현재 인공지능(AI)·고성능 컴퓨팅(HPC)·서버·데이터센터 등 LPCAMM2의 응용처 확대를 위해 주요 고객과 논의 중에 있으며, LPCAMM2의 성능은 7.5Gbps로 인텔 플랫폼에서 동작 검증을 마쳤고, 2024년 상반기에 양산할 예정이다.

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MAP 5. 온디바이스 AI의 미래를 바꾸다

한편 LPCAMM2는 초거대 AI 시장에 대응하는 최첨단 메모리 솔루션으로도 활약한다. 단말기 내부에서 정보를 수집하고 연산하는 온디바이스 AI(On-device AI)에 있어 가장 중요한 것은 속도·전력 효율이다. 특히 컴퓨팅 시스템에서 D램의 전력 소모량을 줄이는 것이 핵심이라고 할 수 있다.

삼성전자의 LPCAMM2는 온디바이스 AI 시대에 최적화된 메모리 제품으로 각광받고 있다. 기존 D램 모듈(SO-DIMM) 대비 탑재 면적이 최대 60% 이상 줄어, 내부 공간을 보다 효율적으로 사용할 수 있고, 성능은 최대 50%, 전력효율은 최대 70%까지 개선되었다.

메모리 산업의 혁신적인 미래를 선도할 LPCAMM2의 무궁무진한 가능성은 어디까지일까? 보다 자세하게 알고 싶다면, 삼교시 탐구생활 ‘LPCAMM’ 편을 참고하길 바란다.

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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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어떤 질문이든 척척 답을 내어주는 ‘챗GPT’처럼, 삼성전자 반도체 뉴스룸은 ‘반도Chat’ 시리즈를 통해 어려운 반도체 용어도 단번에 쏙쏙 알기 쉽게 전하고 있다. 반도Chat 시리즈 세 번째 이야기 주제는 초거대 AI 기술 발전의 핵심인 메모리 반도체, ‘HBM’이다.

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MAP 1. 메모리, 초거대 AI를 마주하다

초거대 AI란 딥러닝으로 대용량 데이터를 스스로 학습해 인간처럼 종합적 추론이 가능한 차세대 AI를 말한다. 챗GPT가 인간과 유사한 수준으로 질문에 적절하게 응답하는 것도 파라미터(parameter, 매개 변수)가 1,750억 개에 달하는 수많은 데이터를 학습한 언어모델이기 때문이다.

‘챗GPT’, ‘DALL·E’, ‘Bard’의 등장과 같이 AI 서비스 종류가 다양해지고 고도화될수록, 메모리 반도체가 수행해야 할 역할도 더욱 확장되고 있다. AI 서비스를 원활하게 구현하려면 대량의 데이터를 기반으로 여러 연산을 동시에 빠르게 수행하는 능력이 필요하기 때문이다.

이러한 상황에서 반도체 업계는 ‘AI 서비스와 함께 폭발적으로 증가하는 데이터를 어떻게 효율적이고, 빠르게 처리할 것인가’에 대한 해답을 찾게 된다. 차원이 다른 고성능 기술을 제공하는 AI 시대의 핵심 반도체, ‘HBM’이 바로 그것이다.

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MAP 2. HBM이란 무엇인가

HBM(High Bandwidth Memory)은 이름 그대로 넓은 대역폭을 지닌 메모리를 뜻한다. 여기서 ‘대역폭’이란 주어진 시간 내에 데이터를 전송하는 속도나 처리량, 즉 데이터 운반 능력을 의미한다. HBM은 현재 메모리 시장에서 가장 넓은 대역폭을 지닌 메모리 반도체인데, 간단히 이야기하면 메모리 중 데이터를 가장 빠르게 처리하고 전송할 수 있다는 것이다. 이로써 HBM은 응용처의 성능과 전력 효율 향상에 기여할 수 있게 된다.

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MAP 3. 처리 속도, 전력 효율 모두 잡은 HBM 속 숨은 기술

주로 게임이나 그래픽 작업과 같은 고성능 그래픽 분야에 활용되는 GDDR은 비교적 낮은 비용으로 높은 성능과 용량을 제공할 수 있다. 한편, HBM은 GDDR 대비 상대적으로 제조 과정이 복잡하고 비용이 높을 수 있지만, 더 높은 에너지 효율을 기반으로 HPC·AI 응용 수준의 높은 대역폭을 제공할 수 있다.

이는 HBM에 TSV(Through Silicon Via)라는 기술이 적용됐기 때문이다. TSV는 메모리 칩을 수직으로 쌓고, 적층된 칩 사이에 얇은 금속 터널을 만들어 전기적 신호가 칩 간 직접 전달되게 하는 패키징 기술이다. 이로써 데이터 전송 속도의 지연을 최소화하고, 적은 전력으로 많은 양의 데이터를 처리할 수 있게 된다. 한편, HBM에는 CoW(Chip on Wafer)  기술과 TCB(Thermal Compression Bonding) 기술도 적용되었다. CoW는 이름 그대로 웨이퍼 위에 칩을 붙이는 기술을 의미하며, TCB는 TSV가 적용된 얇은 칩이 전기적으로 연결될 수 있게 정밀하게 쌓아 올리는 패키징 기술을 말한다.

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MAP 4. 초거대 AI 시대 속, 기술 발전의 씨앗이 될 메모리 반도체

삼성전자 반도체는 2016년에 업계 최초로 HPC 향 HBM 사업화를 시작하며, AI 메모리 시장을 개척해 왔다. 이를 이어, 2017년 업계 최초로 8단 적층 HBM2를 상용화하며, 당시 가장 빠른 메모리인 GDDR5 대비 8배 빠른 속도를 제공했다. 이후 HBM2E, HBM3를 개발했고, 2023년 10월에는 ‘HBM3E 샤인볼트’를 공개하기에 이르렀다.

HBM3E D램 ‘샤인볼트’는 데이터 입출력 핀 1개당 최대 9.8Gbps의 고성능을 제공하는데, 이는 현재 존재하는 메모리 반도체 중 가장 빠른 수준이다. 1초에 최대 1.2TB(테라바이트) 이상의 데이터를 처리할 수 있음을 의미하며, 더 쉽게 예를 들면 30GB 용량의 UHD 영화 40편을 1초 만에 처리하는 것과 같다.

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MAP 5. 메모리의 무한한 가능성을 위한 차세대 기술

삼성전자 반도체는 웨이퍼를 제조하고 회로를 만드는 전공정뿐 아니라, 완성된 칩에 데이터 이동과 전기 전달을 가능하게 하고, 외부 환경으로부터 보호하는 패키징 공정도 지속 개발 중이다. 현세대 제품에서 칩 적층 시 적용 중인 NCF(Non-conductive Film, 비전도성 접착 필름)와 차세대 제품 적용을 목표로 개발 중인 HCB(Hybrid Copper Bonding, 하이브리드 접합) 기술이 바로 그것이다.

NCF는 적층된 칩 사이를 절연시키고 충격으로부터 연결 부위를 보호하기 위해 사용하는 고분자 물질이다. NCF를 활용하면 열전도를 극대화하고 열 특성을 개선할 수 있다. 한편 HCB 기술은 칩을 접합할 때 ‘범프’라는 매개체를 없애고, 각 칩 표면에 드러난 구리를 직접 연결한다. 이로써 범프를 사용할 때보다 칩 적층 시 안정성을 향상하고, 열성능을 최적화할 수 있을 것으로 기대된다.

머지않은 미래에는 AI에 특화된 기술과 제품이 시장을 주도할 중요한 역할을 할 것이다. 최근 HBM3E D램 ‘샤인볼트’를 공개한 삼성전자 반도체는 앞으로도 최고 성능의 HBM을 제공하고, 고객 맞춤형 HBM 제품까지 확장하여 AI 시대에 최상의 솔루션을 제공할 계획이다.

AI 서비스의 가능성을 확장할 메모리 반도체, ‘HBM’에 대해 보다 자세하게 알고 싶다면 삼반뉴스 ‘AI 반도체’ 편을 참고하길 바란다.

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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.

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전화, 문자, 사진 촬영은 기본, 오늘날에는 영상 편집, 회의하기, 원격으로 전자기기 구동하기 등 각종 앱을 통해 스마트폰으로 할 수 있는 것이 정말 많아졌는데요. 모바일 기기가 이렇게 여러 가지 기능을 구현할 수 있는 이유가 바로 ‘모바일 프로세서’ 덕분이라는 사실, 알고 계셨나요? <반도체 백과사전> 열한 번째 이야기에서는 손톱만 한 크기의 칩에 담긴 스마트폰의 두뇌, 모바일 프로세서의 내부 구조와 역할에 대해 알아보려고 합니다. 지금 확인해 보세요!

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메모리와 시스템 반도체부터 나노, EUV 공정까지! 반도체 뉴스에 자주 등장하는 단골 용어들이 있습니다. 어디선가 들어는 봤지만 정확한 뜻을 설명하기란 쉽지 않은데요. 반도체 용어 마스터로 거듭나고 싶다면, 어려운 반도체 용어를 한 번에 정리해 드리는 <반도체 백과사전> 3탄 영상을 확인해 보세요!

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