미세 픽셀의 한계를 다시 설계하다, DeepPix 1편

2억 화소 이후, 화질을 결정하는 새로운 기준

모바일 이미지센서는 이미 2억 화소 시대에 진입했다. 초고화소는 더 이상 특별한 사양이 아니라 사용자에게도 스마트폰 카메라 성능을 가늠하는 익숙한 기준으로 자리 잡았다. 

제한된 센서 면적 안에 2억 개의 픽셀을 구현할 수 있었던 배경에는 픽셀 미세화가 있다. 센서 폼팩터를 무한정 키울 수 없는 모바일 기기에서는 같은 면적에 더 많은 픽셀을 집적할수록 픽셀 하나가 작아질 수밖에 없다. 그러나 픽셀이 작아질수록 개별 픽셀이 받아들이고 처리할 수 있는 빛의 양에도 제약이 따르며, 이는 HDR(High Dynamic Range)¹⁾ 성능을 확장하는 데 한계로 작용한다.

한편 사용자가 카메라를 드는 환경은 점점 더 까다로워지고 있다. 정오의 역광, 밤거리의 강한 조명, 창문이 포함된 실내처럼 하나의 화면 안에 매우 밝은 영역과 어두운 영역이 동시에 존재하는 장면이 늘어나면서, 모바일 이미지센서에서 HDR 성능은 더 이상 선택적인 기능이 아니게 되었다.

이미지센서가 풀어야 할 과제는 여기서 그치지 않는다. 높은 해상도가 제공하는 디테일을 잃지 않으면서 저조도 화질과 프레임 레이트(Frame Rate)²⁾, 소비 전력까지 함께 만족해야 한다. 결국 화소수를 늘리는 것만으로는 충분하지 않다. 작은 픽셀 하나하나가 빛을 얼마나 충분히 받아들여 전하로 처리할 수 있는지, 그리고 그 신호가 픽셀에서 센서 밖으로 나가기까지의 경로 전체가 얼마나 효율적으로 동작하는지가 함께 뒷받침되어야 한다.

삼성전자는 이러한 과제에 대응하기 위한 새로운 픽셀 아키텍처로 DeepPix를 개발했다. 이번 아티클에서는 두 편에 걸쳐 DeepPix를 살펴본다. 1편에서는 DeepPix가 탄생한 배경과 기존 픽셀과의 차이, DeepPix만의 설계 특징을 쉽게 풀어본다. 이어지는 2편에서는 각 기술이 실제 픽셀 안에서 구현되는 방식과 동작 원리, 시스템 성능 및 이미지의 변화를 자세히 들여다본다.

화소 수를 넘어, 픽셀 하나의 성능으로

삼성전자는 2021년 업계 최초의 2억 화소 이미지센서를 선보인 이후, 픽셀 크기를 0.7㎛에서 0.5㎛까지 줄이면서도 화질을 유지하기 위한 기술을 축적해 왔다. 제한된 센서 면적 안에 더 많은 픽셀을 집적하려면 픽셀은 계속 작아져야 하지만, 픽셀이 작아질수록 받아들일 수 있는 빛과 전하의 양도 줄어든다. 픽셀을 작게 만드는 기술과 작은 픽셀의 화질을 지키는 기술이 함께 발전해야 했던 이유다.

아이소셀의 픽셀 기술은 이러한 과제에 대응하며 진화해 왔다. 단순히 더 많은 픽셀을 집적하는 데 그치지 않고, 인접 픽셀 간 간섭을 줄이는 동시에 각 픽셀이 받아들이는 빛을 더욱 효과적으로 활용하도록 진화해 온 것이다.

대표적인 기술이 DTI(Deep Trench Isolation)³⁾다. DTI는 인접한 픽셀 사이에 깊은 홈을 형성해 빛이나 전하가 옆 픽셀로 넘어가는 것을 막는다. 웨이퍼 후면에서 홈을 형성하는 BDTI(Backside Deep Trench Isolation)가 픽셀 사이의 빛 간섭을 억제했다면, 픽셀 전체를 격리하는 FDTI(Full-depth Deep Trench Isolation)는 전기적 격리까지 한층 강화했다.

FDTI를 통해 픽셀 사이의 경계를 더욱 견고하게 만들면서 포토다이오드(Photodiode, PD)⁴⁾가 깊이 방향의 공간을 적극적으로 활용할 수 있는 기반도 마련됐다. 삼성전자의 FDTI 픽셀은 이를 바탕으로 우수한 전하저장용량(Full-Well Capacity, FWC)⁵⁾과 픽셀 격리(Pixel Isolation)⁶⁾ 특성을 확보했다.

DeepPix는 이러한 아이소셀 픽셀 기술의 연장선에 있다. 기존의 격리 방식을 다른 기술로 대체한 것이 아니라, FDTI가 마련한 기반 위에서 픽셀의 저장·전달·수용 구조를 함께 최적화해 기존 FDTI 픽셀이 가진 잠재력을 더욱 끌어올린 기술이다. 아이소셀의 혁신 범위를 ‘더 많은 픽셀’에서 ‘픽셀 하나가 빛을 처리하는 전체 과정’으로 확장한 셈이다.

픽셀은 빛을 어떻게 이미지로 바꿀까

이미지센서의 픽셀은 렌즈를 통해 들어온 빛을 전하로 변환하고, 이 전하를 이미지 신호로 읽어낸다. 이때 픽셀이 포화되기 전까지 수용할 수 있는 전하의 양이 FWC다. FWC는 픽셀이 밝기 정보를 처리할 수 있는 범위와 직접 연결되는 지표다.

렌즈를 통해 들어온 빛은 PD에서 전하로 변환돼 저장된다. 이렇게 모인 전하는 트랜스퍼 게이트(Transfer Gate)⁷⁾를 지나 플로팅 디퓨전(Floating Diffusion, FD)⁸⁾으로 이동하고, FD에서 전압 신호로 변환된다. 즉, 픽셀은 전하를 저장하고, 전달하고, 수용하는 세 단계를 거쳐 빛을 읽어낸다. 이 과정을 물을 처리하는 구조에 비유하면 조금 더 쉽게 이해할 수 있다. PD가 빛을 전하로 바꿔 담아두는 저장 공간이라면, 트랜스퍼 게이트는 저장된 전하가 이동하는 통로이고, FD는 전달된 전하를 받아 전압 신호로 바꾸는 공간이다.

어느 한 부분의 용량만 키워서는 충분하지 않다. PD에 더 많은 전하를 저장하더라도 트랜스퍼 게이트가 이를 온전히 옮기지 못하거나, FD가 늘어난 전하를 받아들이지 못하면 병목이 다음 단계로 이동하기 때문이다. 픽셀의 실질적인 성능은 PD의 저장 능력과 전하 전달 효율, FD의 수용 능력이 함께 뒷받침될 때 높아진다.

FWC가 부족하면 어떤 일이 벌어지는지는 사진에서 곧바로 드러난다. 픽셀이 감당할 수 있는 한계를 넘어선 빛이 들어오면, 그 이상의 밝기 차이는 더 이상 구분되지 않고 하나의 값으로 뭉개진다. 밝은 하늘이 흰색 덩어리로 날아가거나 야간 간판의 글씨가 빛에 묻혀 사라지는 것이 바로 그 결과다. 반대로 FWC에 여유가 있으면 같은 장면에서도 밝은 영역의 밝기 차이가 그대로 남는다. 픽셀이 포화되는 지점이 곧 다이내믹 레인지(Dynamic Range)⁹⁾의 상한을 정하는 셈이다. 따라서 ‘더 많은 빛을 담는다’는 것은 픽셀이 포화되는 지점을 높여, 신호가 한계에 도달하기 전까지의 여유를 넓힌다는 의미다. 픽셀 미세화가 계속되는 초고화소 이미지센서에서 FWC가 핵심 성능 지표로 설정된 이유가 여기에 있다.

기존 픽셀은 HDR을 어떻게 확장했을까

HDR 성능을 확장하기 위한 대표적인 접근법 중 하나는 픽셀 내부에 별도의 대용량 커패시터(Capacitor)¹⁰⁾를 추가하는 방식이다. 픽셀이 감당하지 못하고 넘친 전하를 별도의 저장 공간에 받아두는 개념이다.

그러나 이러한 접근에는 분명한 트레이드오프가 존재한다. 우선 커패시터를 넣을 자리를 마련해야 하므로 픽셀 구조가 복잡해지고 공정 단계도 늘어난다. 더 근본적인 문제는 신호의 품질이다. 넘친 전하를 받아두는 별도의 저장 공간은 용량은 크나 저장공간이 깨끗하지 못하고 노이즈가 크다. 밝은 영역은 담아냈지만 신호가 지저분해질 수 있는 것이다.

또한 노이즈를 보완하기 위해 작은 신호와 큰 신호로 여러 번 나눠서 읽으면서 각 신호를 처리하기 위한 회로와 리드아웃(Readout)¹¹⁾ 동작도 추가된다. 그만큼 회로가 차지하는 면적과 소비 전력이 증가하고, 하나의 프레임을 여러 번 읽고 합성하는 데 필요한 시간도 길어져 프레임 레이트에 부담이 생긴다. 여기에 커패시터와 배선 구조를 추가하기 위한 공정까지 필요해지면서 제조 비용도 높아질 수 있다. 결국 HDR 성능을 확장하는 과정에서 픽셀 구조와 센서 시스템 전반의 복잡도가 함께 커지는 것이다.

DeepPix는 이와 다른 방향에서 출발했다. 별도의 대용량 저장 공간을 추가하는 대신, FDTI 픽셀이 본래 갖춘 높은 FWC와 우수한 픽셀 간 분리 특성을 활용한다. 무언가를 덧붙이기보다 PD 자체가 더 많은 전하를 저장하고, 이를 픽셀 내부에서 효율적으로 처리하도록 구조를 다시 설계한 것이다.

이러한 접근은 추가적인 저장 소자와 신호 경로를 줄여 노이즈와 리드아웃, 소비 전력 및 공정 복잡도에 대한 부담을 낮추는 방향으로 이어진다. DeepPix는 HDR 성능을 높이기 위해 더 많은 소자를 추가하기보다, 기존 픽셀 구조가 가진 잠재력을 더욱 효율적으로 활용한다.

DeepPix는 기존 픽셀과 무엇이 다른가

픽셀이 빛을 이미지 신호로 바꾸려면 전하를 저장하고, 전달하고, 받아들이는 세 단계를 거쳐야 한다. DeepPix의 차별점은 이 가운데 한 곳의 크기만 키운 것이 아니라, 세 단계가 더 많은 전하를 끊김 없이 처리할 수 있도록 픽셀의 전체 구조를 다시 설계했다는 데 있다.

새로운 소자를 더하는 대신, 기존 픽셀을 다시 설계하다

기존의 일부 HDR 기술은 픽셀이 담지 못한 전하를 저장하기 위해 별도의 대용량 커패시터를 추가한다. 기존 저장 공간 옆에 보조 탱크를 하나 더 설치해 넘치는 전하를 받아두는 방식과 비슷하다. 하지만 새로운 저장 공간을 추가하려면 픽셀 안에 이를 배치할 면적과 연결 배선이 필요하고, 제조 과정에도 별도의 공정이 추가된다. 별도의 대용량 커패시터는 노이즈가 클 뿐 아니라, 저장된 신호를 읽기 위한 경로도 늘어나기 때문에 회로가 복잡해진다. 신호를 여러 번 읽고 처리하는 과정에서 소비 전력과 프레임 시간에 부담이 생길 수 있다.

DeepPix는 별도의 대용량 저장 소자를 추가하는 대신, 픽셀 안에 이미 있는 PD와 FD, 배선 자원을 다시 설계해 활용한다. 새로운 보조 탱크를 설치하는 것이 아니라 기존 저장 공간과 이동 통로, 수용 공간을 더 효율적으로 사용하는 방식이다. 이를 통해 전하 처리 용량을 높이면서도 추가적인 소자와 공정으로 인한 부담을 최소화한다.

픽셀을 넓히는 대신, 실리콘의 깊이를 활용하다

모바일 이미지센서에서는 센서나 픽셀의 면적을 자유롭게 키우기 어렵다. 특히 같은 센서 면적에 더 많은 픽셀을 집적할수록 개별 픽셀이 사용할 수 있는 공간은 줄어든다. PD를 옆으로 넓혀 저장 용량을 키우는 데 한계가 있는 이유다.

DeepPix는 위에서 바라본 픽셀의 면적은 그대로 유지하면서, 실리콘 내부의 더 깊은 영역까지 PD의 전하 저장 공간으로 활용한다. 입구의 크기가 같은 그릇이라도 내부가 깊어지면 더 많은 물을 담을 수 있는 것과 비슷하다. 이를 통해 픽셀 크기를 키우지 않고도 PD에 더 많은 전자를 저장할 수 있도록 했다. DeepPix라는 이름에도 이러한 접근이 담겨 있다. 픽셀을 옆으로 넓히는 대신 내부의 깊이를 활용해, 같은 크기의 픽셀 하나가 처리할 수 있는 빛의 양을 늘린다는 의미다.

저장 용량만 키우지 않고, 전하가 이동하는 전체 경로를 넓히다

PD에 더 많은 전하를 저장하는 것만으로는 실제 이미지 신호가 늘어나지 않는다. 저장 공간이 커져도 전하가 빠져나가는 통로가 충분하지 않으면 일부 전하가 PD에 남을 수 있다. 이렇게 남은 전하는 실제 신호로 활용되지 못하고, 다음 프레임에 흔적이 남는 잔상의 원인이 될 수 있다.

전하가 PD에서 모두 빠져나오더라도 이를 받아들이는 FD의 용량이 작으면 또 다른 병목이 발생한다. 큰 저장 공간에서 많은 물을 흘려 보내더라도 이를 받는 공간이 작으면 전체 용량을 활용할 수 없는 것과 같다. 결국 PD의 저장 용량과 전하가 이동하는 통로, FD의 수용 용량이 함께 커져야 실제 픽셀 성능이 높아진다.

DeepPix는 PD가 더 많은 전하를 저장할 수 있도록 하는 동시에, 깊은 곳에 저장된 전하까지 FD로 이동할 수 있도록 전달 경로를 개선했다. 여기에 전달된 전하를 충분히 받아들일 수 있도록 FD의 용량도 함께 확대했다. 저장·전달·수용 중 어느 한 단계에서도 병목이 발생하지 않도록 전체 신호 경로의 균형을 맞춘 것이다. 

이러한 설계는 더 높은 FWC와 더 낮은 노이즈를 확보하면서도, HDR 신호를 읽는 횟수와 추가 공정에 대한 부담을 줄이는 방향으로 이어진다. 새로운 소자를 계속 추가하는 방식이 아니라 기존 픽셀 구조의 잠재력을 활용해, 픽셀 성능과 센서 시스템의 효율을 함께 높인 것이다.

DeepPix의 이러한 설계 방식은 PD 전하저장용량 향상, 듀얼 수직 트랜스퍼 게이트(Dual Vertical Transfer Gate, Dual VTG) 기반 완전 전하 전달, 대용량 FD Sharing이라는 세 가지 핵심 기술을 통해 구현된다.

더 깊어진 픽셀, 다음 단계의 아이소셀

아이소셀의 픽셀 기술은 더 많은 화소를 구현하는 것과 작은 픽셀의 화질을 지키는 것이라는 두 가지 과제를 함께 해결하며 발전해 왔다. BDTI와 FDTI가 픽셀 사이의 경계를 강화했다면, DeepPix는 그 기반 위에서 픽셀 내부의 저장·전달·수용 구조까지 혁신의 범위를 넓혔다.

결국 DeepPix가 확장한 것은 픽셀의 물리적 크기가 아니라, 작은 픽셀 하나가 빛을 받아들이고 처리할 수 있는 능력이다. 더 많은 전하를 담는 데 그치지 않고, 저장한 전하를 온전히 옮긴 뒤 안정적으로 이미지 신호로 바꾸는 것까지 하나의 구조 안에서 해결한다.

다만 이러한 개념이 실제 센서 성능으로 이어지려면 각각의 기술을 픽셀 내부에 정밀하게 구현해야 한다. PD의 저장 용량을 높이면서도 전하가 이동할 수 있는 내부 구조를 만들고, 깊은 곳의 전하까지 남김없이 전달하며, 늘어난 전하를 받아들일 FD 용량도 확보해야 한다.

이어지는 2편에서는 DeepPix의 세 가지 핵심 기술을 실제로 어떻게 구현했는지 살펴본다. 고에너지·고도즈 도핑 제어부터 Dual VTG의 전하 전달 원리, FD Sharing와 메탈 자원을 활용한 용량 확대 방식까지 픽셀 내부의 설계를 자세히 들여다보고, 이러한 기술이 센서 시스템과 최종 이미지에 만들어낸 변화까지 확인한다.