0.7um 모바일 이미지센서 신제품 4종 추가 공개… 초소형 픽셀시장 확대

빠르게 확산되고 있는 고화소 카메라 트렌드에는 초소형 픽셀 이미지센서가 필수입니다. 제한된 공간에 더 많은 화소를 담을 수 있으면서도 얇은 디자인을 동시에 구현할 수 있기 때문입니다.

삼성전자는 2019년 나노미터 단위의 초미세 공정 기술력과 개발 노하우를 바탕으로 픽셀 소형화 기술 혁신을 이루며 업계최초로 0.7μm 픽셀 제품을 공개했습니다. 이번에 초소형 신제품 4종을 추가로 선보이며, 업계에서 유일하게 0.7μm 픽셀 기반의 다양한 제품 라인업을 구축했습니다.

신제품은 ▲0.7μm 픽셀 최초의 1억 8백만 화소 ‘아이소셀 HM2’ ▲4K 60프레임 촬영이 가능한 6천 4백만 화소 ‘GW3’ ▲초광각과 폴디드줌을 지원하는 4천 8백만 화소의 ‘GM5’ ▲베젤리스 디자인 구현에 최적화된 초소형 3천 2백만 화소 ‘JD1’ 4종류입니다.

‘아이소셀 2.0’ 등 첨단 기술 적용해 초소형•고화질 기술 리더십 선도

일반적으로 이미지센서 픽셀의 크기가 작아질수록 빛을 받아들이는 면적이 줄어들어 촬영한 이미지의 품질이 낮아집니다. 따라서 픽셀의 크기를 줄이면서도 성능은 향상시키는 것이 기술의 핵심입니다.

삼성전자는 0.7μm 초소형 이미지센서에서도 고품질의 이미지를 구현할 수 있도록 픽셀의 광학 구조를 개선하고 신소재를 적용해 빛의 손실과 픽셀 간 간섭현상을 최소화하는 삼성전자만의 특허 기술인 ‘아이소셀 플러스(ISOCELL PLUS)’를 적용했습니다.

또한, 빛의 양에 따라 자동으로 ISO 값을 조정해 색 재현성을 높이고 노이즈를 최소화하는 스마트-ISO(Smart-ISO) 기술도 적용했습니다.

4분기부터는 차세대 ‘아이소셀 2.0’과 ‘스테거드 HDR’ 등 첨단 센서 기술을 적용할 예정입니다.

‘아이소셀 2.0’은 컬러필터 사이의 격벽 구조를 효율화해 빛의 손실과 픽셀 간 간섭현상을 최소화한 기술입니다. 이 기술을 통해 감도(Sensitivity)를 최대 12% 높일 수 있어 픽셀이 작아지더라도, 화질을 높일 수 있습니다.

스태거드 HDR(staggered High Dynamic Range)은 픽셀이 빛에 노출되는 방법을 개선한 기술로 이미지 처리 속도를 향상시키면서도 고품질의 이미지를 얻을 수 있다는 장점이 있습니다.

0.7μm 픽셀로 1억8백만화소 제품을 구현할 경우, 0.8μm을 이용할 때 보다 이미지센서의 크기를 최대 15% 줄일 수 있습니다. 이미지센서가 작아진 만큼 카메라 모듈의 높이도 최대 10% 낮아져 폰에 들어가는 카메라의 높이를 낮출 수 있습니다.

삼성전자 시스템LSI사업부 센서사업팀장 박용인 부사장은 “삼성전자는 2015년 업계최초로 1.0μm, 2017년 0.9μm 픽셀을 출시한 이후, 2018년 0.8μm 제품을 연이어 출시했고, 2019년 0.7μm와 1억 8백만화소 제품을 최초로 공개하는 등 센서 혁신을 주도하고 있다”며 “삼성전자는 이번 신제품 라인업으로 초소형•고화소 시장을 확대하는 한편, 센서 혁신 기술 개발을 지속해 한계를 돌파해 나가겠다”고 말했습니다.

삼성전자는 현재 0.7μm 픽셀 기반의 ‘아이소셀 HM2’, ‘GW3’, ‘JD1’을 양산하고 있으며, ‘GM5’의 샘플을 공급하고 있습니다.

[제품 세부내용]

□ 더 작고 향상된 기능의 1억 8백만 화소 이미지센서 ‘아이소셀 HM2’.

‘아이소셀 HM2’는 삼성전자의 세 번째 1억 8백만 화소 제품으로 0.7μm 픽셀이 적용된 최초의 1억 8백만화소 제품입니다.

이 제품은 기존 0.8μm 기반 1억 8백만 화소 이미지센서보다 크기가 15% 작기 때문에(1/1.52인치) 카메라 모듈 높이를 10% 가량 줄일 수 있다는 장점이 있습니다.

이 덕분에 스마트폰에 탑재되는 카메라 수가 증가하며 카메라 부분이 넓어지고 돌출되는 현상을 완화할 수 있을 것으로 기대됩니다.

피사체의 위상차를 검출해 초점을 빠르게 잡아내는 슈퍼 PD(Super Phase Detection) 기술도 향상시켜 기존보다 빠른 자동초점 기능을 제공합니다.

또한 어두운 환경에서는 9개의 인접 픽셀을 하나로 묶는 삼성전자만의 기술을 이용해 언제 어디서나 밝고 선명한 이미지를 포착할 수 있으며, 피사체를 3배까지 확대해도 화질 손상 없이 촬영이 가능합니다.

□ 익스트림 스포츠 경기를 4K 60프레임로 선명하게 찍는 ‘아이소셀 GW3’

‘아이소셀 GW3’는 1/1.97인치 크기의 6천 4백만 화소 제품으로 스포츠 경기와 같이 피사체의 움직임이 빠르고 역동적인 장면을 촬영하기에 최적인 제품입니다.

이 제품은 향상된 슈퍼 PD 기술과 전자식 이미지 흔들림 보정(EIS) 기능을 동시에 활용해 움직이는 피사체를 선명하게 표현합니다. 특히 초당 60프레임으로 4K(3,840X2,160) 해상도의 고화질 영상 촬영이 가능해 익스트림 스포츠를 촬영하는 액션 카메라에도 활용이 가능합니다.

□ 초광각•폴디드 줌 동시 지원하는 ‘아이소셀 GM5’

‘아이소셀 GM5’는 1/2.55인치 크기의 4천 8백만 화소 제품으로 초광각 또는 폴디드 줌(Folded-zoom) 촬영 기능을 지원합니다.

멀리 있는 대상을 5배까지 확대할 수 있는 폴디드 줌 기능이 탑재된 스마트폰의 경우 일반적으로 이미지센서와 렌즈를 위로 적층하지 않고 옆으로 배치하는 잠망경 구조로 설계합니다.

이미지센서가 크다면 폴디드 줌 카메라 모듈 높이가 증가하고 이는 스마트폰의 두께 증가로 이어지게 됩니다. ‘아이소셀 GM5’는 작은 크기로도 고화소를 지원할 수 있어 폴디드 줌을 지원하는 얇은 스마트폰에 최적인 제품입니다.

특히 삼성전자는 이 제품에 아이소셀 플러스보다 색 재현성과 감도를 한층 높일 수 있는 ‘아이소셀 2.0’ 기술을 최초로 적용했습니다.

또한, 개별 픽셀의 노출 시간을 다르게 적용함으로써 밝기가 다른 이미지를 합성해 화질을 개선하는 실시간 HDR 기술과 달리, 픽셀의 노출 시간을 세로줄로 다르게 적용해 이미지 처리 속도를 향상시킨 스태거드 HDR(staggered High Dynamic Range) 기능을 탑재했습니다.

어두운 환경에서는 4개의 인접 픽셀을 하나로 묶는 테트라셀(Tetracell) 기술을 활용합니다. 0.7μm 픽셀을 1.4μm의 큰 픽셀처럼 사용 가능하기 때문에 이미지의 노이즈를 줄이고 감도를 높여 더 선명하게 촬영할 수 있습니다. 또한 풀HD(1920×1080) 화질로 초당 480 프레임의 고속 영상을 촬영할 수 있습니다.

□ 베젤리스 디자인 구현에 최적화된 ‘아이소셀 JD1’

아이소셀 JD1은 1/3.14인치 크기의 0.7μm 3천 2백만 화소 초소형 이미지센서입니다. 카메라 모듈의 크기가 0.9μm 2천만 화소 또는 1.0μm 1천 6백만 화소를 활용한 모듈 크기와 동일합니다.

작은 크기의 이미지센서에 많은 화소를 담을 수 있기 때문에 스마트폰 전면에 구멍을 내 카메라를 배치하는 HIAA(Hole in Active Area) 디스플레이에 최적화된 제품입니다. 또한 베젤리스 디자인을 구현하는 데도 최적인 제품입니다.

이 제품에도 스태거드 HDR 기능이 적용돼 비교적 저화소이지만 밝고 생생한 이미지 구현이 가능합니다.

[삼성전자 0.7μm 라인업]

[참고내용]

□ 이미지센서(Image Sensor)

• 카메라 렌즈를 통해 들어온 빛(영상 정보)을 전기적 디지털 신호로 변환하는 역할을 하는 반도체

□ 아이소셀(ISOCELL)

• ‘아이소셀(ISOCELL)’은 픽셀 미세화에 따른 픽셀 간 간섭현상을 최소화하고 빛 손실 최소화해 작은 픽셀로도 고품질의 이미지를 구현할 수 있는 삼성전자만의 독자 기술. 삼성전자의 이미지센서를 대표하는 브랜드 명으로도 사용하고 있음.

□ 삼성전자 아이소셀 기술 이력

• 2013년, 픽셀 사이에 격벽을 세우는 ‘아이소셀’ 기술 발표
• 2018년, 기존 벽의 구조 설계와 신소재를 적용한 ‘아이소셀 플러스’ 발표
• 2020년, ‘아이소셀 2.0’ 발표

□ 삼성전자 초소형 픽셀 개발 이력

• 2015년, 업계최초 1.0μm 픽셀 출시
• 2017년, 업계최초 0.9μm 픽셀 출시
• 2018년, 0.8μm 픽셀 출시
• 2019년, 업계최초 0.7μm 픽셀 출시

□ HDR (High Dynamic Range)

• 여러 장의 이미지를 다른 노출로 촬영해 합성하는 기술

□ 실시간 HDR

• 픽셀이 노출되는 시간을 달리해 사진을 찍는 기술로 노출 수준이 다른 3가지 정보를 실시간으로 하나로 합성해 밝기와 명암이 최적화된 HDR 이미지를 촬영하는 기술

[영문 인포그래픽]

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삼성전자가 이번에 새롭게 출시하는 2종의 이미지센서 제품은 고화질과 작은 면적을 동시에 구현한 것이 특징입니다.

스마트폰 카메라가 고화질이 될 수록 이미지센서 면적도 증가해야 하나, 베젤리스(Bezel-less) 디자인으로 디스플레이 영역이 넓어지면서 이미지센서의 공간 제약이 점차 심해지고 있습니다.

삼성전자의 1천2백만 화소 ‘ISOCELL Fast 2L9’과 2천4백만 화소 ‘ISOCELL Slim 2X7’ 이미지센서는 이 같은 시장의 상반된 요구를 만족시키는 제품입니다.

픽셀크기 1.28㎛, 1천2백만 화소 듀얼픽셀 ‘ISOCELL Fast 2L9’

‘ISOCELL Fast 2L9’은 빠르고 정확한 자동초점을 제공하는 듀얼픽셀(Dual Pixel) 기술을 적용했습니다.

듀얼픽셀 기술은 빛을 받아들이는 각 픽셀에 두 개의 포토 다이오드를 집적해야하는 만큼 픽셀의 크기가 매우 중요한데, 삼성전자는 미세 공정 기술을 통해 픽셀 크기를 기존 1.4 ㎛에서 1.28 ㎛로 줄여 사이즈 경쟁력을 확보했습니다.

또한 듀얼픽셀에 집적된 2개의 포토 다이오드간 위상차를 이용해 피사체와 배경을 구분해 낼 수 있어 이미지센서 1개로도 아웃포커스 기능을 구현할 수 있습니다.

픽셀크기 0.9㎛, 2천4백만 화소 테트라셀 ‘ISOCELL Slim 2X7’

‘ISOCELL Slim 2X7’은 촬영 환경에 따라 화소 수를 자동 조절해 어두운 곳에선 더 밝게(6백만 화소), 밝은 곳에서는 더욱 선명하게(2천4백만 화소) 이미지를 촬영 할 수 있는 Tetracell(테트라셀) 기술을 적용한 제품입니다.

또한 이 제품은 업계 최초로 픽셀크기 1.0㎛의 벽을 깨고 픽셀을 0.9㎛ 까지 줄인 초소형 픽셀 이미지센서입니다.

이처럼 픽셀 사이즈를 줄인 초소형 이미지센서는 인접한 픽셀간 간섭 현상으로 정확한 색 재현이 어려운 특성이 있으나 ISOCELL Slim 2X7은 픽셀 사이에 물리적 벽을 형성하는 DTI(Deep Trench Isolation) 공법을 적용했습니다.

이로 인해 픽셀 간 간섭을 차단하고 빛을 받는 면적은 더욱 넓혀 색 재현성을 높이는 한편, 칩 설계 기술을 통해 이미지 품질에 영향을 주는 노이즈(Noise) 발생도 최소화했습니다.

삼성전자 시스템LSI 사업부 마케팅팀장 허국 상무는 “ISOCELL Fast 2L9과 Slim 2X7은 삼성전자의 첨단 기술이 집약된 신제품으로 전후면 카메라에 모두 적용할 수 있어 활용성이 매우 높다”며, “이미지센서 라인업을 지속적으로 늘려 나가고, 신규 어플리케이션으로 시장을 확대할 것”이라고 밝혔습니다.

참고자료

□ 이미지센서(Image Sensor)

영상신호를 저장, 전송해 디스플레이 장치로 촬영한 사진을 볼 수 있게 만들어주는 반도체로, 카메라 렌즈를 통해 들어온 빛(영상 정보)을 전기적 디지털 신호로 변환해주는 역할을 한다. (관련콘텐츠: [반도체 용어 사전] 이미지센서)

□ 테트라셀(Tetracell)

테트라셀 이미지 센서는 4개 픽셀에 하나의 컬러 필터(Color Filter)를 적용하여 어두운 곳에서는 더 밝은 이미지를 구현할 수 있으며 재배치(Re-mosaic) 알고리즘을 적용하여 밝은 곳에서는 더 세밀한 이미지를 제공하는 삼성전자 센서 기술 (관련콘텐츠: 모바일향 고성능 ‘테트라셀 이미지센서’, 멀티미디어 기술대상 장관상 수상!)

□ 듀얼픽셀(Dual Pixel)

하나의 화소에 두 개의 포토다이오드가 집적되어 하나의 화소 안에 들어있는 두 개의 포토다이오드가 각각 인식한 빛을 비교해 위상차를 검출, 두 빛 간 거리가 맞도록 조절해 초점을 맞출 수 있다. (관련콘텐츠: 삼성전자, 신개념 ‘듀얼 픽셀’ 기술 적용 차세대 모바일 이미지 센서 양산)

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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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