아이소셀 2.0: 픽셀 기술의 새로운 혁신

바닷가에서 셀카를 찍으면서 카메라 기술에 대해 깊이 생각하지 않을 수 있지만, 이렇게 우리가 소셜 미디어 피드에 고화질 사진을 올릴 수 있게 되기까지는 수년간의 연구와 엔지니어링이 필요했다. 해상도 개선에서 저조도 촬영 성능에 이르기까지 다양한 문제들을 해결해온 삼성은 업계 전문가는 물론 소비자들도 높게 평가하는 이미지 센서를 개발하여 스마트폰 카메라 분야의 선두주자 자리를 꾸준히 지키고 있다. 이는 플래그십 기기에 탑재된 동급 최고의 카메라를 구동하는 최신 아이소셀 2.0 센서 기술을 생각하면 그리 놀라운 일도 아니다. 삼성이 스마트폰 카메라와 관련된 엔지니어링 문제를 풀어내고 이미지 센서 성능의 한계를 극한까지 밀어붙여 저조도에서도 선명하고 정확한 색감의 사진을 만들어내는 아이소셀 2.0 기술을 개발한 방법을 알아보자. 픽셀 기술 이해하기

스마트폰에 가장 널리 사용되는 이미지 센서인 CMOS 센서는 빛을 포토다이오드로 전달하는 마이크로렌즈 레이어, 색상 정보를 감지하고 분리하는 컬러 필터, 각 포토다이오드를 서로 연결하는 금속 배선 레이어, 빛을 포착하여 전기 신호로 변환하는 포토다이오드 레이어로 이루어진 총 네 개의 레이어로 구성되어 있다. 고화질 사진을 찍기 위해서는 CMOS 센서 안에 있는 각 픽셀이 가능한 한 많은 빛을 받아들여 정확한 색상 정보를 이미지 신호 프로세서로 전송할 수 있어야 한다. 성능이 좋은 이미지 센서일수록 픽셀이 더 많은 양의 빛을 포착한다. 그래서 픽셀이 클수록 사진 화질이 좋아지는 것이다. 하지만 이것은 작게 만들어야 하는 스마트폰 엔지니어에게 까다로운 문제가 아닐 수 없었다. 기기가 점점 슬림해지면서 안에 부품을 넣을 공간도 줄어들었기 때문이다. 그 결과 픽셀 크기가 작아져서 빛을 흡수하기 어려워졌다. 그뿐만 아니라 일반적인 전면조사형(FSI) 센서에서는 감광 레이어 앞에 배선 레이어가 있어서 포토다이오드로 전달되는 빛의 양을 20~70% 정도 차단한다.¹ 포토다이오드가 뒷면에서 빛을 흡수할 수 있을 정도로 실리콘을 얇게 깎아서 만든 후면조사형(BSI) 센서가 이 문제의 첫 해결 방안이었다. 하지만 후면조사형 센서도 간섭이라는 문제를 안고 있었다. 간섭이란 특정 포토다이오드에 도달해야 할 빛이 인접한 포토다이오드로 번져 최종 이미지에 노이즈가 생기는 현상을 말한다.

여러 기술 업체에서 이러한 문제들에 서로 다른 해결 방안을 내놓는 가운데, 2013년 삼성은 첫 아이소셀 센서를 발표하여 이 문제를 정면 돌파하고 사진 품질의 새로운 기준을 세웠다. 아이소셀 혁명 후면조사형으로 빛 흡수 문제의 많은 부분을 해결한 삼성은 아이소셀 기술로 간섭 현상이 만들어낸 문제까지 해결한다. 엔지니어들은 물리적인 장벽으로 인접한 픽셀을 서로 분리했고, 마이크로렌즈가 포착하고 포토다이오드가 흡수하는 빛의 양을 늘렸다.

기존의 후면조사형 픽셀과 비교했을 때 1세대 아이소셀 픽셀은 간섭이 약 30% 감소하고 수광 면적은 약 30% 증가하여 높은 색 재현력과 넓은 다이내믹 레인지로 선명한 사진을 만들어낼 수 있다.² 아이소셀 기술은 또한 비스듬히 들어오는 빛을 더욱 효과적으로 포착해 주광각(CRA)을 넓혀 더 넓은 조리개와 밝기가 높은 렌즈를 사용해 저조도에서도 더욱 밝고 선명한 사진을 찍을 수 있다. 또한 아이소셀 이미지 센서는 고화소 센서에서도 카메라 모듈을 얇게 만들 수 있도록 설계되어 날렵한 디자인의 최신 스마트폰 폼팩터에 이상적이다. 처음 아이소셀을 출시하고 5년 만에 삼성은 아이소셀 2.0으로 이미지 센서 기술을 한 단계 더 끌어올렸다. 아이소셀 2.0: 아이소셀의 진화 기존 아이소셀 기술은 픽셀 간의 간섭을 줄이기 위해 금속 그리드로 컬러 필터를 분리하는데, 들어오는 빛을 메탈 그리드가 흡수하거나 인접 픽셀로 반사하여 광 손실이 일어나는 경우가 있었다. 아이소셀 2.0에서는 금속 장벽 대신 후지필름이 개발한 혁신적인 신소재가 사용되어 광 손실과 빛 반사가 최소화되었다.

혁신적으로 업그레이드된 아이소셀 2.0에서는 색 재현력이 높아지고 빛 감도가 최대 15% 향상되었다.³또한 이 기술로 조금의 성능 저하도 없이 0.8µm(마이크로미터) 또는 그보다 작은 픽셀을 이미지 센서에 사용할 수 있게 되어 고해상도 사진을 찍기에 최적의 조건이 만들어졌다. 아이소셀 2.0을 활용하면 작은 픽셀로 이루어진 초고해상도 센서를 개발하는 것뿐만 아니라 큰 픽셀로 설계된 센서의 성능까지 향상할 수 있다. 2018년 아이소셀 2.0이 출시된 후 삼성은 이 기술을 기반으로 꾸준히 이미지 센서 라인업을 강화해 오고 있다. 아이소셀 이미지 센서에 대해 더 알아보고 싶은가? 삼성전자 반도체 링크드인 및 트위터 페이지에서 최신 이미지 센서 기술에 대한 소식을 확인해볼 수 있다. _{¹ 삼성의 내부 연구 결과 기준. ² 아이소셀 이미지 센서와 삼성의 기존 후면조사형 센서를 비교한 내부 테스트를 기준으로 함. ³ 아이소셀 2.0 이미지 센서와 기존의 아이소셀 이미지 센서를 비교한 내부 테스트를 기준으로 함.}