선명한 화질의 비결, ‘1억 800만화소 픽셀’

사진을 찍을 때 가장 중요한 요소는 바로 ‘화질’입니다. 그리고 화질을 결정하는 것 중 하나가 ‘화소의 개수’이죠. 화소 수가 많을수록 정밀하고 해상도 높은 사진을 촬영할 수 있기 때문인데요. 삼성전자는 지난해부터 화소 수가 1억 800만에 달하는 이미지센서를 출시하며 프리미엄 이미지센서 시장을 선도하고 있습니다. 스마트폰으로 촬영해도 피부 결까지 확인할 수 있는 시대가 온 것이죠.

픽셀 간 간섭 현상을 줄이는 ‘아이소셀’ 기술

하지만, 1억 800만화소의 이미지센서를 만들기 위해서는 여러 한계를 극복해야 했습니다. 먼저 픽셀의 크기가 많이 작아져야 했죠. 새끼손톱만 한 이미지센서 칩 안에 1억 800만개의 픽셀을 집적해야 했던 것입니다.

당시 픽셀의 크기를 작게 만드는 것도 큰 도전이었지만, 픽셀이 작아지면서 또 다른 문제가 발생했습니다. 픽셀이 소형화됨에 따라 빛을 받아들이기도 어려워졌는데, 옆 픽셀로 빛이 새어나가는 ‘간섭현상’이 생긴 것이죠. 이 경우 옆 픽셀에서 들어오는 신호는 이미지센서가 노이즈 성으로 받아들이기 때문에 색상 선명도와 해상도가 낮아질 수 있습니다. 이 때문에 다른 픽셀로 빛이 새어 나가지 않도록 하는 것이 관건이었습니다.

이에 삼성전자는 각각의 픽셀 안에 절연층의 격벽을 쳐 픽셀 간 간섭 현상을 줄이는 ‘아이소셀’ 기술을 개발했고, 이 방법으로 광손실과 간섭현상을 획기적으로 줄일 수 있었습니다.

야간 촬영 노이즈 goodbye! 어두운 환경에서도 고감도 촬영이 가능한 ‘노나픽셀’

뛰어넘어야 하는 한계는 또 있었습니다. 어두운 환경이나 야간 촬영 시에 생기는 노이즈 문제인데요. 픽셀 하나하나의 크기가 작다보니 자연스레 들어오는 빛의 양이 줄었고, 야간 촬영에서 보기 싫은 노이즈가 생기게 된 것이죠.

삼성전자는 이 문제를 극복하기 위해 인접한 픽셀 9개를 하나의 큰 픽셀(3×3)처럼 활용해 빛을 더 많이 받아들이는 ‘노나픽셀’ 기술을 적용했습니다. 9개의 픽셀로 들어오는 빛의 정보를 하나로 합쳐 빛의 양을 늘렸고, 이로써 야간 촬영이나 어두운 환경에서도 노이즈가 없는 깨끗한 사진, 영상을 촬영할 수 있게 되었는데요.

빛이 충분한 환경에서는 0.8㎛(마이크로미터, 100만분의 1미터) 크기의 작은 픽셀 1억 800만개로 선명한 고화질 이미지를, 어두운 환경에서 인접한 픽셀을 2.4㎛ 크기의 큰 픽셀로 사용해 고감도 촬영을 할 수 있게 된 것입니다.

지금까지 스마트폰의 작은 렌즈 속, 여러 물리적 한계를 넘어선 삼성전자의 이미지센서 기술력에 대해 알아봤는데요. 더 자세한 이야기는 영상을 통해 확인해 주세요!

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TIP1. 전신을 길어 보이게 찍기

같은 키여도 어떻게 찍느냐에 따라 충분히 더 길어 보일 수 있습니다. 먼저 찍고자 하는 인물로부터 2m 정도 거리를 유지한 후, 스마트폰을 위아래로 뒤집은 뒤 15도 기울여서 찍어야 합니다. 여기서 중요한 건 사진 속 구도인데요. 찍고자 하는 인물의 발 끝은 화면의 하단에 최대한 가깝게 둬야 하죠. 그리고 머리 위에 여백을 두면 상대적으로 다리가 길어보이는 효과가 있습니다. 반대로 하체의 하단에 공간이 있으면 상대적으로 다리가 짧아보이겠죠?

TIP2. 풍경을 활용하자

풍경을 활용하면 더욱 분위기 있는 인물 사진을 연출할 수 있습니다. 먼저 풍경을 담기 전에 사진의 수직과 수평을 맞추는 것은 기본 수칙이죠. 배경의 수직, 수평을 맞췄다면 인물의 포즈도 코치해주는 것이 좋은데요. 딱딱하게 카메라를 보기보단 시선을 위나 아래로 두는 포즈, 고개를 살짝 사선으로 돌리는 포즈 등을 유도해보세요. 두 명 이상이라면 서로 마주보며 웃는 연출컷도 좋습니다. 마지막으로 배경은 너무 복잡한 것보단 인물이 중심이 될 수 있는 깔끔한 배경이 낫습니다.

TIP3. 풍경과 얼굴을 함께 담아보기

풍경과 인물을 자연스럽게 담는 방법은 없을까요? 찍고자 하는 인물로부터 1m 안 쪽으로 거리를 유지한 뒤 인물의 정면이 아닌 사선에 서서 찍는 것이 좋습니다. 인물의 고개 역시 정면보다는 측면으로 돌려서 찍어야 얼굴이 더욱 입체감 있게 보이는데요. 배경과 함께 담기 위해서 사진에서 인물은 정중앙 보다는 측면에 서야 배경과 함께 자연스럽게 담길 수 있습니다. 배경이 자연스레 담기면서 얼굴은 작아 보이는 효과가 있죠.

TIP4. 빛을 이용해 연출하기

좀 더 분위기 있는 사진을 연출하고 싶으신가요? 이럴 땐 빛을 이용해 쉽게 그윽한 분위기를 연출할 수 있습니다. 석양 아래 혹은 햇살이 내리쬐는 창가 아래에 포즈를 잡고 사진 찍는다면 어떤 도구를 이용하지 않아도 분위기 있는 사진을 찍을 수 있는데요. 45도 각도에서 빛이 들어오는 사광과 뒤쪽 45도 각도에서 빛이 들어오는 역사광을 이용하면 인물을 입체감있게 표현할 수 있습니다. 쉽게 말해 얼굴의 한 쪽만 빛을 받기 때문에 인물을 강인하고 카리스마있게 표현할 수 있죠.

소중한 순간을 담은 인생샷을 건지고 싶으신가요? 기본적인 팁 네 가지만 지켜도, 사진작가 못지 않은 인물 사진을 건질 수 있습니다. 지금 스마트폰을 들고 ‘인생샷 건지기’ 도전해보세요.

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■ 세계 최초! 100만분의 1미터 픽셀의 초소형 이미지 센서

우리는 멋진 광경을 보면 스마트폰 카메라를 실행하고 촬영 버튼을 누릅니다. 디스플레이에 풍경이 담기기까지 짧은 순간, 카메라 모듈 안에는 순식간에 상(像)을 디지털화해 사진 형태로 나타내주는데요. 빛을 디지털 신호로 변환해주는 소자가 바로 ‘이미지 센서’입니다.

즉 1,600만 화소 이미지 센서에는 빛을 담는 아주 미세한 1,600만 개의 픽셀이 들어갔다는 뜻인데요. 이 픽셀 크기를 기존 1.12㎛에서 1.0㎛로 줄인 것이 이번에 세계 최초로 양산에 성공한 1.0㎛ 초소형 1,600만 화소 이미지센서(이하 ‘초소형 이미지센서’)입니다.

기술이 진보하는 만큼 소비자들의 눈높이도 진화하고 있습니다. 소비자들이 스마트폰을 살 때 많이 고려하는 부분이 카메라 기능인 만큼 이미지센서에 요구되는 스펙도 높아지고 있어요. 픽셀 크기를 줄였다는 것은 곧 센서가 작아지는 동시에 카메라 모듈이 작아지고, 결과적으로 스마트폰 두께를 얇게 만들 수 있다는 뜻입니다. 소비자들이 원하는 ‘얇으면서도 화질 좋은 모바일 카메라’를 위해 삼성전자 초소형 이미지센서가 탄생한 것이죠.

임형기 과장 / S.LSI사업부

초소형 이미지 센서는 고화질 카메라 기능과 얇은 두께를 요구하는 소비자의 요구에 최적화된 제품입니다. 현재 구현 할 수 있는 가장 작은 크기의 1.0㎛ 픽셀을 적용해 센서와 렌즈 사이의 초점거리를 줄일 수 있어 모바일 카메라 모듈의 크기와 두께를 최소화할 수 있죠.

사실 아무리 미세한 차이라도 센서가 작아지면 빛을 받는 부분이 좁아지기 때문에 물리적으로 화질이 떨어질 수밖에 없는데요. 픽셀 폭이 1.12㎛였던 것을 1.0㎛로 줄이면서도 화질은 1.12㎛ 수준으로 유지하는 것이 이번 과제의 핵심이었습니다

김경일 책임 / S.LSI사업부

즉 작아진 픽셀로도 큰 픽셀과 대등한 수준의 성능을 수행한다는 설명인데요. 물리적 한계를 뛰어넘어 고화질 카메라 기능을 구현한 비결, 어디 있었을까요?

■ 픽셀 사이를 격리시킨 아이소셀(ISOCELL) 기술

답은 전통적인 픽셀 구조를 개선한 ‘아이소셀(ISOCELL)’ 공정 기술에서 찾아볼 수 있습니다. 아이소셀 기술은 각 픽셀을 서로 격리(Isolated)시켜 간섭 현상을 최소화함으로써 빛의 손실을 줄이는 삼성전자의 독자 기술입니다.

픽셀에는 각각 빨강과 파랑, 초록의 세 가지 종류의 컬러 필터가 얹혀지는데요. 픽셀은 자신의 색깔 신호만 받아들이게끔 돼 있습니다. 그런데 빛이 직선으로만 들어오는 게 아니라 사선으로도 들어오기 때문에 문제가 됩니다. 예를 들어 빨간 필터를 통과한 색이 사선으로 파란 픽셀에 들어가면 혼색되어 컬러 노이즈가 잡히거든요. 아이소셀 기술은 그 사이에 격벽을 세워 픽셀을 분리시킨 구조입니다. 빛의 간섭으로 인한 다른 색깔 신호가 침입하는 것을 방지해주며, 따라서 컬러 노이즈를 줄여줍니다.

고주현 수석 / S.LSI사업부

이번에 양산된 초소형 이미지 센서의 장점, 이뿐만이 아닙니다. 픽셀 내부에는 빛을 담는 일종의 전기적 그릇이 있는데요. 이 그릇이 많은 신호를 담을수록 색 표현력이 풍부해집니다. ISOCELL 기술을 통해 초소형 이미지 센서는 일반적으로 1.0㎛ 크기에서 받을 수 있는 신호의 양보다 더 많은 신호를 받아들일 수 있어, 픽셀 사이즈는 줄었어도 높은 화질을 유지할 수 있답니다.

처음 과제가 시작됐을 때만 해도 아이소셀 기술은 ‘구현은 가능하지만 양산은 불가능한 기술’이란 의견이 지배적이었습니다. 기존 기술의 틀을 깨고 새로운 기술 패러다임을 만든다는 것 자체가 수많은 한계를 뛰어넘어야 하는 과정이었습니다. 여러 시행착오 끝에 목표치에 한발 한발 다가섰고, 결과적으로 초기 목표보다 훨씬 높은 성능을 가진 센서가 나왔습니다.

박동혁 책임 / S.LSI사업부

■ 호흡 척척 팀웍으로 개발한 ‘자식 같은 센서’

픽셀 크기가 1.0㎛로 줄었다는 것은 곧 신호 처리 회로들 역시 1.0㎛ 구조에 맞게 재설계해야 한다는 뜻이었는데요. 고난도 개발 과정을 이겨낼 수 있었던 건 부서 간 ‘팀웍’ 덕분이었습니다.

1.12㎛에서 1.0㎛으로 줄이는 것이 아주 미세한 차이로 보이지만, 회로 설계 입장에서는 기존 방식을 모두 깨는 도전이었습니다. 1.0㎛에 맞게 회로를 줄이면서도 동일한 성능이 구현되어야 했으니까요. 기존 방식을 바꾸는 것 자체가 상당히 힘들었는데, 관련 부서 담당자들이 함께 동의하고 협력해 설계가 완성될 수 있었습니다.

정재진 책임 / S.LSI사업부

초소형 이미지 센서 개발에 탄력을 받던 시기에, 제품에 약간 문제가 생긴 적이 있었어요. 하필 퇴근 시간 이후였는데, 제가 연락하자 모두들 불 같이 달려들어 문제를 해결하고 무사히 샘플을 넘긴 일이 있었습니다. 힘들었지만 이번만큼 재미있게 개발한 적도 없는 것 같네요. 뜻 맞는 분들과 의견을 나누며 만들었기에 더 애착이 가고 자부심도 큽니다.

천원모 책임 / S.LSI사업부

한편 강윤기 선임은 이번 개발 과정에서 한 아이의 아빠가 됐는데요. 아기 탄생과 함께 센서 개발에 성공해 감회가 남다르다고 합니다.

개발 업무에 열중하던 중 아기가 태어날 것 같다는 연락을 받고 병원으로 달려갔습니다. 믿을 수 있는 동료, 선·후배들 덕분에 마음 놓고 아기가 탄생하는 순간을 지켜볼 수 있었어요. 센서 개발과 동시에 아기 아빠가 되어 더욱 기분이 좋습니다.

강윤기 선임 / S.LSI사업부

초소형 이미지센서는 개선에 개선을 거듭한 제품입니다. 앞으로 다른 제품을 개발할 때도 지금의 저력을 바탕으로 성공의 DNA를 가지고 또 한번 제대로 딛고 일어났으면 좋겠습니다. 어려운 과제를 성공시킨 모든 분들, 모두 고생 많으셨습니다!

최원일 선임 / S.LSI사업부

모바일 카메라는 앞으로도 소비자들이 스마트폰을 고르는 핵심 이유이자 일상을 찍어 공유하는 소통 도구로 작용할 듯 한데요. 눈에 보이지 않는 소소한 순간, 사용자의 감성까지 담는 것이 모바일 카메라라면, 이미지센서는 기계와 감성의 결합이 아닌가 싶습니다. 앞으로 다양한 기기에서 삼성전자 초소형 이미지 센서가 활약할 날이 기다려집니다.

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