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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초연결 시대를 선도할 ‘제30회 대한민국 임팩테크(ImpaCT-ech) 대상’, 그 시상식 현장을 삼성전자 반도체 뉴스룸이 담아왔습니다.

이번 시상식은 과학기술정보통신부 이종호 장관의 개회사로 시작됐습니다. 그는 “오늘 이 자리를 통해 그동안의 노력과 성과를 되돌아보며 새로 도약할 자신감을 확보하는 계기가 되길 바란다”고 격려하며, “디지털 경제 가속화를 위해 향후에도 디지털 산업을 적극 지원할 계획”이라고 말했습니다.

수상의 영예를 차지한 ‘2억 화소 이미지센서’와 ‘신용카드용 지문인식 1-Chip(원칩) 패키지 솔루션’, 그 안에 집약된 삼성전자 반도체의 혁신 기술력에 대해 살펴볼까요?

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미세 픽셀 2억 개로 구현한 초고해상도의 이미지센서

2억 화소 이미지센서를 탄생시킨 주역, System LSI사업부 임직원들의 대통령상 수상 소감을 들어보았습니다.

차세대Sensor개발팀 신승철 님은 “아이소셀 HP3는 세계 최초로 0.56㎛ 픽셀을 적용함으로써 2억 화소의 장점을 더 많은 사용자가 느낄 수 있도록 하는 것이 개발의 중점이었다”며, “완성도 확보와 적기 제품 출시라는 두 가지 목표를 동시에 달성해야 한다는 어려움이 있었지만, 모든 유관 부서가 협력한 덕분에 상품화에 성공할 수 있었다”는 소회를 남겼습니다.

차세대Sensor개발팀 권민호 님 역시 “세상을 이롭게 하는 센서를 만들기 위해 포기하지 않고 여러 사람이 함께 힘을 모아 개발을 했기에 이미지센서 양산에 성공할 수 있었다”는 말로 개발에 참여한 모든 임직원들에게 감사의 인사를 전했습니다.

Sensor설계팀 이승진 님은 “미세 픽셀 기술의 발전으로 1억 화소에 이어, 2억 화소까지 삼성전자가 선도할 수 있게 되어 매우 자랑스럽게 생각한다”는 말과 함께 “초고화소 센서에 필요한 저전력/고속/고품질을 위해 개발자로서의 역할과 한계가 어디까지인지 도전할 계획이다”는 의지를 내비쳤습니다.

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세계 최초 신용카드용 지문인식 원칩(1-Chip) 패키지 솔루션

신용카드에 적용되는 지문인증 기능은 사용자의 지문 정보를 읽고 인증하여, 빠르고 편리하면서도 안전하게 결제할 수 있도록 합니다. 1-Chip(원칩) 패키지 솔루션은 지문을 인식하는 칩을 신용카드에 적용할 수 있도록 센싱 감도를 강화하고 높은 신뢰성을 구현한 솔루션입니다. 더불어 개선된 성능, 원가, 신뢰성을 바탕으로 제품의 경쟁력을 더욱 높였습니다.

특히 이번에 수상한 원칩 패키지 솔루션은 통합 칩 설계와 패키지 기술을 결합해 고객에게 새로운 경험을 제공할 수 있었으며, 새로운 응용 분야를 발굴한 점을 인정받아 ‘제 30회 대한민국(ImpaCT-ech) 대상’에서 장관상을 수상할 수 있었습니다.

AVP사업팀은 첨단 패키지 기술을 강화하고 사업부 간의 시너지를 극대화하고자 2022년 12월에 신설되었는데요. 앞으로 ‘초연결’을 목표로 여러 반도체가 가진 성능과 기능을 더해 큰 시너지를 만들어내고 독자적인 패키지 기술을 개발해 지속적으로 새로운 사업 영역과 기술 응용 분야를 발굴해 나갈 계획입니다.

초미세 픽셀 개발뿐 아니라 각 반도체 성능에 시너지를 더하는 패키지 솔루션 개발로 미래를 선도하는 혁신 기술력을 지속해서 선보일 삼성전자 반도체. 앞으로 더 놀라운 변화를 일으킬 삼성전자 반도체의 끊임없는 도전에 많은 관심 부탁드립니다.

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삼성전자가 0.6㎛(마이크로미터) 크기의 픽셀 2억개를 탑재한 이미지센서 ‘아이소셀(ISOCELL) HP2’를 출시했습니다.

이 제품은 최신 초고화소 센서 기술을 집약한 제품으로, 언제 어디서든 밝고 선명한 이미지 촬영을 지원합니다.

‘HP2’는 업계 최초로 ‘듀얼 버티컬 트랜스퍼 게이트(Dual Vertical Transfer Gate)’ 기술을 적용해 전하저장용량(Full Well Capacity)을 이전 2억 화소 제품 대비 최대 33%까지 높여 화질을 개선했습니다. 전하저장용량이 높아지면 각 픽셀이 더 많은 빛을 활용할 수 있어 기존보다 더욱 풍부한 색 표현이 가능합니다.

‘듀얼 버티컬 트랜스퍼 게이트’는 포토다이오드에서 회로로 전자를 이동시키는 수직 구조의 게이트 2개를 배치해 전자 신호 전달 효율을 극대화하는 기술입니다.

‘HP2’는 조도 조건에 따라 4개 또는 16개의 인접 픽셀을 묶어 수광 면적을 확대하는 ‘테트라 스퀘어드 픽셀(Tetra²pixel)’ 기술도 적용했습니다.

이 기술을 통해 어두운 날씨 또는 실내와 같은 저조도 환경에서도 1.2㎛(5천만 화소) 또는 2.4㎛(1천2백50만 화소) 크기의 픽셀과 같은 수광 면적을 확보해 선명한 사진 촬영이 가능합니다.

또 HDR(High Dynamic Range) 기능 강화를 위해 기존 ‘스마트 ISO 프로’ 기술뿐 아니라 ‘듀얼 슬로프 게인(Dual Slope Gain)’ 기술도 새로 적용했습니다.

‘듀얼 슬로프 게인’은 픽셀에 들어온 빛의 아날로그 정보를 서로 다른 2개의 신호로 증폭하고 이를 디지털 신호로 변환해 하나의 데이터로 합성하는 기술로 센서가 표현할 수 있는 색의 범위를 넓혀줍니다.

삼성전자는 이 기술을 통해 업계 최초로 모바일AP의 지원 없이 이미지센서만으로 5천만 화소의 HDR 촬영이 가능하도록 구현해 이미지 처리 속도를 개선했습니다.

‘HP2’에는 2억개 화소를 모두 활용해 위상차 자동 초점 기능을 수행하는  ‘슈퍼 QPD(Quad Phase Detection)’ 기능도 탑재됐습니다. 거실 밝기(약 100룩스)보다 100배가량 낮은 밝기의 달빛 아래(약 1룩스)에서도 좌우뿐만 아니라 상하의 위상차를 이용해 빠르고 정확하게 초점을 맞출 수 있습니다.

이 밖에 딥 러닝(Deep Learning) 기반의 ‘리모자이크 알고리즘’을 적용해 초고화소 환경에서의 촬영 속도와 품질을 향상시켰습니다. ‘HP2’의 2억 화소 촬영 속도는 이전 제품 대비 2배가량 빨라졌으며, 초당 30 프레임의 8K 해상도, 120 프레임의 4K 해상도를 지원합니다. 특히 사진 촬영과 동일한 화각에서 초고해상도인 8K 영상 촬영이 가능한 것이 특징입니다.

삼성전자 시스템LSI사업부 센서사업팀장 임준서 부사장은 “‘아이소셀 HP2’에는 삼성전자의 차별화된 초고화소 센서 기술과 노하우가 집약됐다”며 “고객 요구에 기반한 끊임없는 기술 혁신과 딥 러닝 기반의 화질 최적화 기술을 통해 지속 성장하고 있는 초고화소 이미지센서 시장에서 리더십을 더욱 강화할 것”이라고 말했습니다.

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