그 중 ‘Imaging’ 부문에서 ‘혁신상’을 수상한 아이소셀 HP5는 현재 업계에서 가장 작은 0.5㎛ 픽셀을 적용한 최초의 2억화소 이미지센서이다. 픽셀은 더 작게, 그러나 더 많은 빛을 받아 선명한 이미지를 구현하는 아이소셀 HP5에서의 픽셀 혁신을 이끌어낸 개발의 주역들, Sensor설계팀 홍석용  TL, Sensor PA팀 김찬형 TL, Pixel개발팀 김준오 님, 그리고 Sensor Solution팀 변상우 님에게 자세한 이야기를 들어보았다.

Q. CES 혁신상을 수상한 아이소셀 HP5에 대해 소개해주세요.

홍석용 TL: 아이소셀 HP5는 업계 최초로 가장 작은 0.5㎛ 픽셀을 적용해 2억 화소 센서를 구현한 제품으로, 프리미엄 스마트폰에서 요구되는 다양한 카메라 기능을 지원합니다. 이 모바일 이미지 센서는 고해상도 촬영, 향상된 줌, 단일 프레임 HDR (High Dynamic Range) 등 고품질 이미지를 제공하는 데 최적화되어 있죠. 

Q. 픽셀의 크기가 작아질수록 빛을 받는 능력은 자연스럽게 떨어지는 것으로 알고 있는데요, 아이소셀 HP5는 이 한계를 어떻게 극복했나요?

김찬형 TL: 픽셀 크기가 0.5μm로 작아지면서 발생하는 감도 하락 문제를 해결하기 위해, 아이소셀 HP5는 초기 개발 단계부터 여러 혁신 기술을 적용했습니다. DCC (Deep Trench Isolation Center Cut) 구조, High Sensitivity DTI (High-S),  TiO₂¹⁾, HRI²⁾ 렌즈 등 최적화된 공정을 통해 작은 픽셀에서도 빛을 효율적으로 흡수하고, 전하저장용량 (FWC, Full Well Capacity) 를 확보할 수 있도록 설계했습니다. 특히 High-S 기술을 통해 기존 DTI 구조를 개선하여 반사 효율을 더 높였으며, 이 외에도 다양한 기술적 아이디어를 통해 작은 픽셀에서 감도가 하락한다는 한계를 극복했죠.

Q. 정말 다양한 기술이 아이소셀 HP5에 적용되어 있네요. 이 중 DCC구조가 실제 사진 품질에는 어떤 영향을 미쳤는지, 또 실사용자들이 잘 느낄만한 개선점이 무엇인지 설명해주세요. 

김준오 님: 아이소셀 HP5에서는 DCC 구조를 활용해 포토다이오드 (PD, Photodiode)가 빛을 받을 수 있는 면적을 확보하고, FDTI (Front Deep Trench Isolation)로 PD의 수직 부피를 확장했습니다. 이렇게 모은 전자를 FD (Floating Diffusion)로 안정적으로 전달하기 위해 D-VTG (Dual Vertical Transfer Gate) 구조를 적용하여 작은 크기의 픽셀에서도 안정적인 전자저장용량을 확보할 수 있었습니다.

이러한 구조적 개선은 CG (Conversion Gain)을 높여 빛이 적은 저조도 환경에서 선명하고 디테일한 이미지를 얻게 해줍니다. 어두운 곳에서 사진을 찍으면 이미지에 막 점이 보이고 거칠게 나올 때가 있잖아요? 이를 노이즈라고 하는데, 노이즈를 줄이는 것뿐만 아니라 픽셀 자체의 감도를 높여 이미지센서가 더 많은 빛을 받아들일 수 있도록 하죠.

변상우 님: HDR은 사용자들이 실제로 체감할 수 있는 중요한 개선 포인트인데요. 아이소셀 HP5는 13비트 색 심도로 출력해 더 풍부하고 세밀한 색 표현이 가능하며, 1:8 변환이 가능한 CG 구조를 통해 매우 넓은 다이내믹 레인지를 확보했습니다. 즉 밝은 영역과 어두운 영역 모두 잘 촬영할 수 있다는 뜻이죠. 또한 긴 노출과 짧은 노출을 동시에 캡처할 수 있어, 움직이는 피사체도 왜곡 없이 선명한 사진을 촬영할 수 있습니다.

홍석용 TL: 그리고 이런 우수한 HDR 성능을 ‘저전력’으로 구현한 것이 또다른 강점입니다. 상대적으로 전력소모가 클 수밖에 없는 초고화소 센서에서도 효율적인 전력 활용이 가능하도록 설계된 것입니다. 14비트 단일 프레임 HDR과 스태거드 (Staggered) HDR 등 다양한 HDR 모드를 저전력으로 지원하며, 그 결과 프리뷰 모드 기준 이전 세대 대비 약 20%의 소비전력을 절감할 수 있었습니다.³⁾

Q. FDTI, DCC부터 우수한 HDR성능까지 정말 많은 기술이 집약된 아이소셀 HP5, 제품을 개발하면서 어떤 어려움이 있었는지, 어떻게 극복하셨는지 궁금합니다.

김준오 님: 픽셀 사이즈가 작아진 만큼, 그 안에 들어가야 하는 소자와 배선 등의 배치도 자연스럽게 작아지기 때문에, 그 안에서 최적의 조합과 배치를 찾는 것이 정말 어려웠습니다. 그리고 최대한 이전과 유사한 공정을 사용하며 픽셀 구조를 만들어내는 것도 큰 난관이었죠.

김찬형 TL: 이미지센서에서 픽셀이 작아진다는 것은 곧 빛을 받아들이는 면적이 작아지고, 이는 성능 저하로 이어집니다. 저희는 가장 작은 픽셀을 구현하면서도 성능 저하를 최소화하기 위해 새로운 소재와 구조 변경을 포함한 다양한 기술을 시도해야 했죠. 예상치 못한 문제도 있었고, 때로는 초기 공정 단계부터 다시 점검하고 보완해야 했습니다. 한 사람만의 노력이 아닌, 여러 팀의 관계자들이 모두 힘을 합쳤기에 0.5㎛ 픽셀을 담은 아이소셀 HP5를 개발할 수 있었고, 또 CES 혁신상이라는 좋은 결실을 맺은게 아닐까 생각됩니다.

Q. 픽셀크기가 작아지면서 이미지센서 크기도 작아졌을텐데요, 이러한 이미지센서 크기 축소가 스마트폰 디자인에 어떤 영향을 주었나요?

변상우 님: 아이소셀 HP5는 0.5㎛ 초미세 픽셀을 구현해 1/1.56” 광학 포맷에 최적화되었습니다. 참고로 이 크기는 기존에 5천만 화소 센서에 사용되던 크기인데, 아이소셀 HP5는 2억 화소라는 초고화소를 구현하면서도 모듈을 슬림하게 설계할 수 있었죠. 덕분에 스마트폰의 망원 카메라에도 초고화소 센서를 탑재할 수 있게 되었습니다.

홍석용 TL: 프리미엄 스마트폰에서 줌 기능이 강화될수록 카메라 모듈의 크기가 문제가 되는데, 아이소셀 HP5는 모듈을 슬림화할 수 있었기 때문에, 휴대폰 디자인은 얇고 세련되게 유지되면서 고배율 줌 촬영에도 최적화된 성능을 제공합니다.

Q. 초소형 픽셀, 초고화소 트렌드는 앞으로도 이어질 것 같은데요, 아이소셀 HP5 이후, 이미지 센서 기술은 어떤 방향으로 발전할 것이라고 보시나요?

홍석용 TL: 소형 고화소 센서에 대한 요구는 앞으로도 지속될 것으로 예상됩니다. 동시에 앞서 말씀드린 HDR에 대한 요구가 강해지고 있어, 다양한 HDR 기술 개발과 성능 향상이 계속 이루어질 것으로 보입니다. 사용자들이 실제 촬영할 때 느끼는 불편함을 최소화하는 방향이 되겠죠.

김준오 님: 사용자들이 가장 많이 접하는 모바일 환경에서 사용자 경험을 개선하는 데 초점을 맞추게 될 것입니다. 어두운 환경에서는 노이즈를 줄이고, 밝은 환경에서는 다이내믹 레인지를 더욱 넓히는 방향인 것이죠. 이를 위해서는 픽셀 미세화와 고해상도 구현이 지속적으로 이루어져야 하며, 이러한 노력이 차세대 모바일 이미징을 만들어갈 것이라고 생각합니다.

김찬형 TL: 궁극적인 목표는 사람의 눈을 뛰어넘는 센서를 구현하는 것이 아닐까요? 앞으로 기술적으로 더 작고 더 많은 픽셀로 더 많은 빛을 담을 수 있는 이미지센서를 개발하는데 지속적인 노력을 기울일 것입니다. 이를 통해 어두운 환경과 밝은 환경이 섞여 있는 상황에서도 항상 선명한 이미지를 제공하는 센서를 만드는 것이 목표입니다. 이는 앞으로도 한계를 뛰어넘는 끝없는 도전의 시작점이 될 것입니다. 

아이소셀 HP5는 단순한 초고화소 이미지를 넘어, 슬림한 카메라 모듈과 뛰어난 HDR 성능으로 우리 일상 속 스마트폰 촬영 경험을 한층 선명하고 편리하게 만들어줄 것이다.

아이소셀 HP5 딥다이브: 0.5㎛ 픽셀 심층 탐구

* 표시된 이미지는 예시용으로만 제공되며, 제품 자체 또는 해당 제품과 함께 촬영된 이미지를 정확하게 재현하지 않을 수 있습니다. 모든 이미지는 디지털 방식으로 편집, 수정 또는 보정되었습니다.
* 모든 제품 사양은 내부 테스트 결과를 반영하며 사용자의 시스템 구성에 따라 변동이 있을 수 있습니다. 실제 성능은 사용 조건과 환경에 따라 다를 수 있습니다.

_{¹⁾ 산화티타늄(Titanium Dioxide) 소재로, 반사 및 흡수 효율을 개선해 빛 손실을 줄이는 역할을 하는 재료.
²⁾ High Refractive Index Lens, 높은 굴절률을 가진 렌즈로, 빛을 집중시켜 픽셀 내 광 흡수 효율을 높임.
³⁾ 아이소셀 HP2, 아이소셀 HP3, 아이소셀 HP9와의 비교 기준이며, 제품별로 절감 수준은 다를 수 있음.}

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삼성전자는 업계 최소인 0.56㎛ 크기의 픽셀 2억개를 탑재한 이미지센서 ‘아이소셀(ISOCELL) HP3’를 공개하며, 초고화소 이미지센서 시장 선도에 나섰습니다.

1/1.4 인치 규격의 삼성전자 ‘아이소셀 HP3’는 픽셀 크기를 기존 제품 대비 12% 줄인 0.56㎛로 설계돼, 모바일기기에 탑재할 카메라 모듈 크기를 최대 20%까지 줄일 수 있게 됐습니다.

‘HP3’에는 2억개의 화소 전체를 활용하는 위상차 자동 초점 기술 ‘슈퍼 QPD (Quad Phase Detection)’가 적용됐습니다. 좌/우, 상/하의 위상차를 이용해 보다 빠르고 정확하게 초점을 잡을 수 있습니다.

또한, 이미지센서의 전 화소를 활용해 초점을 잡을 수 있어 이미지 전 영역에서 선명한 화질을 제공합니다.

‘HP3’는 전 화소 자동 초점 기능과 함께 초당 30 프레임 8K 초고해상도, 120 프레임 4K 고해상도 영상을 지원해 영화 촬영 수준의 ‘시네마 카메라’ 성능을 구현했습니다. 특히, 이번 제품은 사진 촬영과 동일한 화각에서 초고해상도 8K 영상 촬영을 지원하는 것이 큰 특징입니다.

밝은 곳과 어두운 곳의 조도 차이가 큰 부분이 혼재된 상황에서는 노출 시간이 다른 프레임 3장을 합성해 깨끗하고 생생한 영상을 제공하는 ‘스태거드 HDR (Staggered High Dynamic Range)’ 기능도 지원합니다.

또한, ‘HP3’에 탑재된 ‘스마트 ISO 프로’ 기능은 저감도(낮은 ISO) 이미지를 중감도(중간 ISO) 또는 고감도(높은 ISO) 이미지와 합성해 어두운 장면을 보다 세밀하게 표현하도록 지원합니다. 이전까지 저감도와 고감도 이미지를 합성했던 것에 비해 중감도 이미지도 활용할 수 있게 돼 상황에 최적화된 이미지를 제공합니다.

‘HP3’는 14비트(bit) 지원을 통해 이전 제품 대비 색표현력이 64배 좋아져 더욱 생동적이고 현실감 있는 화질 구현이 가능합니다.

조도 조건에 따라 4개 또는 16개의 인접 픽셀을 하나로 묶어 촬영하는 독자기술 ‘테트라 스퀘어드 픽셀 (Tetra²pixel)’도 적용됐습니다. ‘테트라 스퀘어드 픽셀’은 저조도 환경에서 인접한 픽셀을 묶어 수광 면적을 4배, 16배로 확대해 보다 선명한 이미지를 제공합니다.

삼성전자 시스템LSI사업부 센서사업팀장 임준서 부사장은 “삼성전자는 2019년 업계 최초로 1억화소 이미지센서 시대를 열었고, 지난해 2억화소 이미지센서도 최초로 출시하는 등 초소형 픽셀 기술력을 통해 시장의 트렌드를 선도하고 있다”며 “이번 업계 최소 픽셀 크기의 ‘HP3’ 신제품을 통해 사용자 경험 혁신을 지속해 나가겠다”고 말했습니다.

삼성전자는 이번 제품을 연내 양산할 예정입니다.

[제품 주요 사양]

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