삼성전자의 ‘아이소셀 브라이트 HMX, HM1’에 적용된 세계 최고 수준의 테트라셀(Tetracell)과 노나셀(Nonacell) 기술력을 인정 받은 것인데요. 단순 이미지센서를 넘어 인간의 눈으로 진화 중인 삼성전자 이미지센서에 대해 자세히 살펴보도록 하겠습니다.

왜 삼성전자의 이미지 센서일까?

‘2020 대한민국 임팩테크 대상’에서 삼성전자의 CMOS 이미지센서는 세계 최초 ‘1억 화소’ 카메라 센서라는 점에서 그 가치를 인정받았습니다. 이미지센서의 화소 하나하나는 빛을 받아들이는 역할을 하는데요. 빛을 받아 전기신호로 변환해 이미지를 구성하는 디지털 기기는 이 화소 수가 많을수록 세밀한 묘사가 가능합니다. 따라서 좁은 면적에 많은 화소를 담을 수 있는 삼성전자의 ‘아이소셀 브라이트 HMX, HM1’의 기술력이 이번에 주목 받게 된 것이죠.

세계 최초 1억 화소 이미지센서 탄생의 비결,
‘테트라셀(TetraCell)’과 ‘노나셀(Nonacell)’

이미지센서 1억 화소의 벽을 무너뜨린 삼성전자 기술의 핵심은 바로 ‘테트라셀(TetraCell)’과 ‘노나셀(Nonacell)’입니다.

삼성전자는 테트라셀 기술을 적용한 세계 최초 1억 화소 이미지 센서 ‘아이소셀 브라이트 HMX’를 선보인지 6개월 만인 올해 2월, 노나셀이 적용된 ‘아이소셀 브라이트 HM1’를 출시하며 스마트폰 1억 화소 시대의 주도권을 잡았습니다. 그리고 0.6㎛ 픽셀 및 2억 화소 이상의 카메라 센서 개발의 기반 마련했다는 기술적인 의의도 갖게 됐죠.

‘테트라셀’은 4개의 인접한 셀을 하나의 픽셀(2X2)로, ‘노나셀’은 9개의 인접한 픽셀을 하나의 큰 픽셀(3X3)처럼 활용하는 것인데요. 0.8㎛(마이크로미터, 100만분의 1미터)의 작은 픽셀을 어두운 환경에서는 각각 1.6㎛, 2.4㎛의 큰 픽셀로 동작시켜 어두울 때는 밝게, 밝을 때는 더욱 세밀한 이미지를 구현하는 고감도 촬영이 가능하도록 합니다.

앞서 설명한 9개 픽셀을 한 개의 픽셀처럼 구동하게 해 더 많은 빛을 받아들이는 것은 ‘노나비닝(Nona-binning), 주변이 밝은 상황에선 컬러 픽셀을 재정렬해 디테일을 살리는 ‘리모자이크(Re-mosaic)’라고도 하는데요. 이 기술을 통해 픽셀을 노나셀에서 기존 RGB 패턴으로 다시 맵핑해 주변이 밝은 상황에서 풍부한 디테일을 살려낼 수 있게 했습니다.

픽셀 사이즈가 작아지고 병합하는 픽셀 수가 많아 질수록 픽셀 간 간섭과 빛 손실이 발생하기 쉬운데요. 삼성전자는 이미지 센서 특허 기술인 ‘아이소셀 플러스(ISOCELL Plus)’을 적용해 ‘노나셀’ 구현으로 발생할 수 있는 인접 픽셀 간 간섭과 빛 손실, 산란 현상을 방지했습니다.

개발자들에게 직접 듣는 1억 화소 CMOS 이미지센서 탄생 이야기

삼성전자 ‘아이소셀 브라이트 HMX / HM1’ 개발에 직접 참여한 개발자들을 만나 좀 더 자세한 이야기를 들어보겠습니다. 먼저, 제품 개발 과정에 있어 가장 신경 썼던 부분은 어떤 것이었을까요?

노나셀 제품인 HM1을 개발하면서 고민이 많았습니다. 9개 픽셀을 병합하는 방식은 이론적으로 가능하지만 실제 구현에서는 픽셀 간 간섭 현상이 민감해지는 문제가 발생하기 때문입니다. 이를 극복하기 위해 픽셀 간 분리막을 만드는 특허 기술인 ‘아이소셀 플러스((ISOCELL Plus)’를 기반으로 컬러필터 소재를 변경하는 등의 고민을 했고, 성공적으로 관련 기술이 적용된 제품을 출시 할 수 있었습니다.

Pixel개발팀 이윤기님

개발팀을 비롯해 대부분의 개발자들은 픽셀간 간섭현상 해결에 중점을 두었다고 답하며, 화소 상향뿐 아니라 여러 조도 환경에서도 우수한 품질의 사진 촬영이 가능하도록 노력한 점을 꼽았습니다. 앞으로 삼성전자가 모바일 이미지 센서의 어떤 부분을 강화할 계획인지 들어보겠습니다.

전력 소모나 이미지 품질 측면에서도 경쟁력을 갖출 수 있도록 더 많은 기술 개발을 강화할 예정입니다. 그리고 더 많은 픽셀을 통해 사람의 눈을 대표할 수 있는 제품을 만들기 위해 노력할 예정입니다

Sensor설계팀 박성혜님 / 유귀성님

센서사업팀의 기조인 ‘More pixel, More camera’에 맞게 화소수 증가와 미세 화소 개발은 계속 이어질 것입니다. 그리고 모바일 시장을 넘어서 자동차 및 보안 카메라 시장까지 섭렵할 수 있는 다양한 제품 라인업을 준비하고 있습니다.

Sensor Solution팀 김영규님

이미 최고의 기술력으로 모바일 이미지 센서시장을 리딩하고 있음에도 더 뛰어난 기술, 더 다양한 사용분야에 집중하는 개발자들이 자랑스럽습니다. 마지막으로 ‘2020 대한민국 임팩테크 대상’ 대통령상 수상 소감을 들어보겠습니다.

한때, 이미지 센서 업계에서는 0.8㎛가 픽셀 기술의 한계라고 보기도 했었는데요. 삼성전자는 수없이 노력하며 기술적 한계를 뛰어 넘어 업계 최초로 1억8백만 화소 제품을 출시, 초고화소 이미지센서 시장을 선도하게 되었습니다. 앞으로 미세픽셀 개발 선도를 통해 1억 화소 이상 인간 눈에 근접한 초고화소 센서를 개발하고, 모바일 카메라가 DSLR을 넘어 설 수 있도록 도전해 나가겠습니다.

Sensor 마케팅팀 허수빈님 / 박진원님 / 채란님

이렇게 빨리 1억 화소 센서를 만나게 될 줄은 상상도 못했습니다. 개발순간에도 구현이 가능할까 의심할 때가 있었죠. 하지만 이제 현실이고, 현실이 미래에 대한 확신을 주고 있습니다. 임팩테크 대상은 개발자들에게 미래로 가는데 용기와 응원이 됐습니다. 이 기운을 안고 인간의 눈과 같은 센서 개발까지 최선의 노력 하도록 하겠습니다.

Sensor Solution팀 김영규님

삼성전자는 앞으로도 0.8㎛ 이하의 초미세 픽셀 개발로 사람의 눈과 비슷한 수준의 센서 개발에 주력할 계획인데요. 혁신을 거듭할 삼성전자의 이미지 센서에 많은 기대와 응원 부탁 드립니다.

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삼성전자의 ‘듀얼픽셀 CMOS 이미지센서’는 지난 17일 대한민국 최고 권위의 산업 연구상 ‘IR52 장영실상’ 시상식에서 2017년 제13주차 수상의 영광을 안았는데요. 그 현장 속으로 함께 가보실까요?

전자기기의 ‘눈’ 역할을 하는 이미지센서

이미지센서란 영상신호를 저장, 전송해 디스플레이 장치로 촬영한 사진을 볼 수 있게 만들어주는 반도체인데요. 이 반도체는 카메라 렌즈를 통해 들어온 빛(영상 정보)을 전기적 디지털 신호로 변환해주는 역할을 합니다. 디지털카메라뿐만 아니라 스마트폰, 태블릿 등 촬영 기능을 가진 다양한 모바일 기기에 탑재되는 핵심 부품이죠.

• DSLR 수준으로 촬영이 가능한 듀얼픽셀 CMOS 이미지 센서

삼성전자의 듀얼픽셀 CMOS 이미지센서는 아이소셀 기술 기반 1.4㎛의 대형 화소에 ‘듀얼픽셀’ 기술을 적용했습니다. 일반적으로 화소(픽셀)에는 빛을 모으는 포토 다이오드가 한 개 있는데, ‘듀얼픽셀’에는 하나의 화소에 두 개의 포토다이오드가 집적되어 있습니다. 포토다이오드가 두 개면 어떤 점이 좋을까요? 사람이 양쪽 눈을 이용해 정확하고 빠르게 초점을 맞추는 것처럼, 하나의 화소 안에 들어있는 두 개의 포토다이오드가 각각 인식한 빛을 비교해 위상차를 검출, 두 빛 간 거리가 맞도록 조절해 초점을 맞출 수 있습니다.

기존 모바일 이미지센서는 전체 화소 중 일부(5% 이하)만 위상차 인식 AF(Auto Focus, 자동 초점) 화소를 갖췄으나, ‘듀얼픽셀 CMOS 이미지 센서’는 모든 화소(1200만 개)가 위상차 검출을 지원해 고속으로 초점을 맞출 수 있습니다. 이는 모바일에서도 DSLR 카메라 수준의 자동초점 기능을 구현해 스마트폰 사용자들이 어두운 환경에서도 빠르게 움직이는 피사체를 흔들림 없이 포착, 선명한 이미지를 촬영할 수 있게 합니다.

또한 두 개의 포토다이오드 사이에 빛 간섭 현상을 최소화하기 위해 ‘아이소셀(ISOCELL)’ 기술을 적용했는데요. 아이소셀 기술은 화소와 화소 사이에 물리적인 벽을 형성해 인접한 화소를 서로 격리시키는 구조입니다. 따라서 다른 화소의 색이 침입함으로써 생기는 컬러 노이즈를 줄여 보다 깨끗한 이미지를 얻을 수 있습니다.

“기존과 다른 개념의 듀얼 센서, 개발 과정 힘들었지만 차별화된 기술 경쟁력 갖추게 됐죠.” 

IR52 장영실상 시상식에는 ‘듀얼픽셀 CMOS 이미지센서’ 개발을 맡은 주역들이 한자리에 모였습니다. 이른바 ‘듀얼픽셀 CMOS 이미지센서’ 개발 어벤저스인데요. 이들은 이번 IR52 장영실상 수상이 “고생했던 날들을 위로해 주는 것 같다”라며 개발 과정의 에피소드를 전했습니다.

“’듀얼픽셀’은 기존 센서와 다른 개념이다 보니 벤치마킹할 기술도 충분치 않았습니다. 듀얼픽셀 기술을 개발하는 과정에서 예상치 못한 문제점들도 있었고 이를 단기간에 해결하는 과정이 매우 힘들었습니다. 하지만 지속적인 노력을 기울인 끝에 노하우를 축적해 이상적인 구조를 만들었고, 삼성 고유의 듀얼픽셀 기술 경쟁력을 갖추게 되었습니다”

“사람의 ‘눈’에 더욱 가까운 디지털 ‘눈’을 개발하겠습니다”

삼성전자 문창록 상무는 IR52 장영실상을 수상한 이유를 “이미지 센서를 사람의 ‘눈’에 가깝게 구현한 것에 대한 성과를 인정받았기 때문”이라고 꼽았는데요.

“길지 않은 시간에 새로운 개념의 픽셀 공정을 성공적으로 개발, 양산하는 데까지 업무에 매진한 모든 임직원에게 감사의 말씀을 드립니다. 앞으로도 듀얼픽셀 미세화를 통해 고화소 센서를 개발해 나가겠습니다. 삼성 고유의 듀얼픽셀 기술과 첨단 반도체 공정 기술이 이를 가능하게 할 것입니다. 지속적인 개발로 사람의 ‘눈’에 더욱 가까운 디지털 ‘눈’을 개발하겠습니다.”

사람들의 소중한 순간을 생생하게 담을 수 있는 이미지센서를 개발하기 위해 노력하는 삼성전자 반도체인의 활약은 계속됩니다!

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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.

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■ 초소형 1.0㎛ 화소 적용해 1600만 화소 이미지센서 양산

이 제품은 1600만 화소 이미지센서에 현재 구현 가능한 가장 작은 크기의 1.0㎛ 화소를 적용해 센서와 렌즈 사이의 촛점거리를 줄일 수 있어 카메라 모듈 크기와 두께를 최소화 할 수 있게 했습니다. 이번 제품은 고화질의 카메라 기능과 얇은 두께를 요구하는 초슬림 모바일기기에 최적화된 제품인데요.

이번 이미지센서를 적용한 카메라 모듈의 경우 두께를 5mm 이하까지 줄일 수 있어, 기존의 1.12㎛ 화소를 채용한 1600만 화소 카메라 모듈 대비 약 20% 정도 두께가 얇아져, 스마트폰의 두께를 최소화 할 수 있습니다.

동일한 화소 수의 센서 모듈을 더 작게 만들기 위해서는 화소의 크기를 줄여야 하는데, 화소의 크기를 줄이면 흡수하는 빛의 양이 감소해 화질이 떨어질 우려가 있습니다. 삼성전자는 각 화소를 서로 격리시켜 간섭현상을 최소화하는 독자기술 ‘아이소셀 (ISOCELL)’ 공정 기술을 적용해 빛의 손실을 줄임으로써 1.0㎛ 화소로 기존 1.12㎛ 화소와 동등한 수준의 화질을 구현했습니다.

삼성전자 시스템 LSI 사업부 마케팅팀 홍규식 상무는 “삼성전자는 1600만 화소를 필두로 초소형 화소 이미지센서 제품군을 확대하여 고화질 초박형 모바일기기 시장을 선도할 것” 이라고 밝혔습니다.

삼성전자는 업계최초로 14나노 핀펫 공정을 적용한 모바일 AP를 양산한데 이어, 모바일 이미지센서 분야에서도 독자기술인 ‘아이소셀’ 공정기술을 통해 업계 최초로 화소 크기를 1.0㎛ 까지 줄이는 등 모바일 시스템 반도체 시장에서 기술력을 선도해 나가고 있습니다.

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CMOS
[Complementary Metal Oxide Semiconductor, 상보형 금속 산화 반도체]

마이크로프로세서나 S램 등 디지털 회로를 구성하는데 사용되는 집적회로의 한 종류.

CMOS는 일반 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET)의  P채널 트랜지스터(PMOS)와 N채널 트랜지스터(NMOS)가 접합된 상보 회로방식으로 구성되어 있다. 집적도가 높고 소모전력이 매우 적다는 이점을 가지며 휴대용 계산기, 전자시계, 소형 컴퓨터 등의 제품에서 사용되고 있다.

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