특히 렌즈를 통해 들어온 빛을 전기적인 영상 신호로 변환해 이를 저장하거나 디스플레이로 볼 수 있도록 만들어 주는 ‘CMOS 이미지센서’의 역할이 매우 중요한데요, 마치 카메라의 필름과 같은 역할을 하는 이미지센서 덕분에 촬영 후 현상이나 인화를 하지 않아도, 사진을 확인하거나 삭제할 수 있는 것입니다.

■ 더욱 작고, 슬림하게! 모바일 CMOS 이미지센서

많은 소비자들이 슬림한 디자인은 물론 고화질 카메라 기능을 갖춘 스마트폰을 원하면서 이미지센서에 요구되는 성능도 높아지고 있습니다. CMOS 이미지센서는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환해 이미지로 만드는 핵심적인 역할을 수행하기 때문에 사진 화질에 큰 영향을 미칩니다.

일반적으로 이미지의 화질은 이미지센서를 구성하는 화소(Pixel, 픽셀)에 모이는 빛의 양에 많은 영향을 받습니다. 최근 CMOS 이미지센서의 칩 크기는 작아지고 화소 수는 늘어나 화소의 크기가 계속 작아지고 있습니다. 즉, 이미지센서 칩 크기를 줄이면서도 고화질의 카메라 성능은 그대로 유지해야 하는 기술이 요구되고 있는 것입니다.

■ 삼성전자, 세계 최초 초소형 1.0㎛ 화소 이미지센서 양산

삼성전자는 지난 7월, 이러한 한계를 극복하고 세계 최초로 초소형 1.0㎛(마이크로미터) 화소 이미지센서 양산에 성공했습니다. 이 제품은 화소 크기가 1.0㎛인 1600만 화소 모바일 CMOS 이미지센서입니다. 1.0㎛는 100만 분의 1미터인데요, 그 크기가 얼마나 미세한지 실감되시나요?

특히 이번 제품은 1600만 화소 이미지센서에 현재 구현 가능한 가장 작은 크기의 1.0㎛ 화소를 적용해 카메라 모듈 크기와 두께를 최소화할 수 있게 했습니다.

동일한 화소 수의 센서 모듈을 더 작게 만들기 위해서는 화소의 크기를 줄여야 합니다. 하지만 화소의 크기가 작아지면 흡수하는 빛의 양이 감소해 화질이 떨어질 우려가 있습니다. 삼성전자는 각 화소를 서로 격리시켜 간섭 현상을 최소화하는 ‘아이소셀(ISOCELL)’ 공정 기술을 적용해 빛의 손실을 줄였습니다.

화소에는 각각 빨강, 파랑, 초록의 세 가지 컬러 필터가 얹혀지는데, 화소는 자신의 색깔 신호만 받아들이게 되어 있습니다. 하지만 빛이 직선이 아닌 사선으로 들어올 경우 문제가 발생합니다. 예를 들어 빨간 필터를 통과한 색이 사선으로 파란 화소에 들어가면 혼색되어 컬러 노이즈가 잡히게 되는 것입니다. 아이소셀 기술은 화소와 화소 사이에 절연부를 형성해 인접한 화소들을 서로 격리시키는 구조입니다. 따라서, 빛의 간섭으로 인한 다른 색깔 신호가 침입하는 것을 방지해 컬러 노이즈를 줄여 보다 깨끗한 이미지를 얻을 수 있는 것입니다. 이번 제품은 아이소셀 공정 기술을 통해 빛의 손실을 줄여 1.0㎛ 화소로도 기존 1.12㎛ 화소와 동등한 수준의 화질을 구현했습니다.

여기서 화소의 크기가 작아지면 동시에 카메라 모듈이 작아지고, 결과적으로 스마트폰을 얇게 만들 수 있다는 뜻인데요, 이번 이미지센서를 적용한 카메라 모듈의 경우 두께를 5mm 이하까지 줄일 수 있어, 기존 1.12㎛ 화소를 적용한 1600만 화소 카메라 모듈과 비교해 약 20% 정도 두께가 얇아진 것이 특징입니다. 이로 인해 소비자들은 더욱 슬림한 디자인에 고화질 카메라 기능을 갖춘 스마트폰을 만날 수 있게 되었습니다.

주머니에 쏙! 들어가는 얇은 두께의 스마트폰에서 깨끗하고 선명한 이미지를 즐길 수 있게 도와주는 초소형 이미지센서, 매력적이지 않나요? 삼성전자는 앞으로도 초소형 화소 이미지센서 제품군을 확대해 고화질 초박형 모바일 기기 시장을 선도할 예정인데요, 가까운 미래에는 또 어떤 성능을 지닌 모바일 카메라가 등장할지 기대됩니다.

☞ 모바일 카메라, 얇게 더 얇게! 삼성전자 초소형 1.0㎛ 화소 이미지센서 개발 스토리
☞ 삼성전자, 업계최초 초소형 1.0㎛ 화소 모바일 이미지센서 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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