[CES 2023 혁신상 수상] 아이소셀 HP3, 놀라운 디테일을 위한 2억 화소 이미지 센서

삼성전자는 모바일 사진 경험의 혁신을 위해 초고화소 제품과 관련 기술 개발을 계속해나가고 있다. 이러한 노력의 결과물인 2억 화소 이미지 센서 아이소셀 HP3는 고품질 사진과 영상 촬영을 위한 설계 혁신으로 CES 2023 디지털 이미징 및 사진 부문 혁신상을 수상했다. 더 많은 소비자가 초고해상도를 경험할 수 있도록 센서아키텍쳐팀 신승철 님은 “2019년 0.7μm 픽셀, 2021년 0.64μm 픽셀을 개발한 미세 픽셀 기술 리더십을 바탕으로, 업계 최초로 0.56μm 픽셀 기술 개발에 성공해 1/1.4인치 포맷의 2억 화소 이미지센서를 개발했다.”고 밝히며 “이는 더 많은 소비자가 초고해상도 사진을 경험할 수 있도록 해줄 것이다.”고 덧붙였다. 아이소셀 HP3는 첨단 미세 픽셀 기술을 통해 0.56μm 픽셀의 성능을 극대화 한다. 새로운 DTI 기술은 4개의 동일한 컬러 픽셀들의 포토 다이오드 사이 격벽을 제거해, 더 많은 빛 정보를 포착하고 저장할 수 있다. 이처럼 성능이 향상된 초고해상도 이미지 센서는 사진의 디테일을 향상할 뿐만 아니라 줌 배율의 범위를 넓힌다는 이점도 있다.

DSLR용 광학 줌렌즈와 달리 스마트폰 카메라의 광학 줌은 단일 초점 거리에서만 작동된다. 디지털 줌은 범위가 넓기는 하지만 초고해상도가 지원되지 않으면 이미지 품질이 떨어질 수밖에 없다. 센서아키텍쳐팀 팀장 고주현 상무는 “삼성전자는 2019년 3배 무손실 줌을 위한 1억 8백만 화소 이미지센서를, 2022년에는 4배 무손실 줌을 위한 2억 화소 이미지센서를 개발해 사진의 품질을 저해하지 않고 줌 배율의 범위를 넓혔다.”고 밝혔다. 초미세 픽셀에서 더 빠른 자동 초점을 위한 슈퍼 QPD 초미세 픽셀에서 빠르고 정확한 자동 초점 기능을 구현하는 것은 넘어야할 큰 숙제였다. 고주현 상무는 “이미지 품질을 유지하면서 줌을 구현하려면, 뛰어난 자동 초점 기능이 필수다. 이전에는 2PD 구조의 듀얼 픽셀 기술이 사용되었는데, 이는 1.0μm보다 작은 미세 픽셀에는 적용할 수 없기 때문에 새로운 슈퍼 QPD 기술을 개발했다.”고 설명했다.

아이소셀 HP3 는 슈퍼 QPD 기술을 통해 모든 픽셀을 활용해 위상차를 탐지한다. 슈퍼 QPD는 인접한 네 개의 픽셀에 하나의 렌즈를 사용해 가로와 세로 방향 모두에서 위상차를 탐지하여 빠르고 정확한 자동 초점이 가능하다. 저조도 사진 품질을 위한 초미세 픽셀 기술

작은 픽셀 크기는 저조도 촬영에 적합하지 않다는 편견이 있었다. 아이소셀 HP3는 첨단 미세 픽셀 기술로 픽셀 성능을 극대화 하는 한편, 저조도 환경에서 미세 픽셀들이 큰 픽셀처럼 작동하는 첨단 픽셀 비닝 기술인 테트라 스퀘어드 기술이 적용되었다. 이를 통해 다양한 조명 조건에서 최적화된 품질을 제공할 수 있도록 세 가지 모드로 작동한다. 즉, 밝은 환경에서 초고해상도 구현을 위한 0.56㎛ 2억 화소, 보통의 환경에서 고품질 이미지를 위한 1.12㎛ 5,000만 화소, 그리고 어두운 환경에서도 선명하고 깨끗한 이미지를 위한 2.24㎛ 1,250만 화소 모드로의 작동이 가능하다. “테트라 스퀘어드 픽셀 구조에서 슈퍼 QPD 기술을 적용하기 위해 새로운 알고리즘을 개발했고, 이를 업계 최초로 0.56μm픽셀에 안정적으로 적용하는 데 집중했다. 또한 저조도 조건에서 이미지 품질을 개선하기 위해 수없이 많은 시뮬레이션과 실험을 통해 노이즈를 최적화했다.”고 신승철 님은 덧붙였다. 향상된 색 표현을 위한 첨단 기술 센서아키텍쳐팀 기명오 님은 “복잡한 조명 조건에서도 눈으로 보는 것과 같은 색 표현을 위해 위해 다양한 HDR(High Dynamic Range) 기술을 적용했다.”고 밝혔다. 아이소셀 HP3는 서로 다른 노출 시간으로 촬영된 3개의 이미지를 결합하여 최종 이미지를 만드는 스태거드 HDR을 지원한다. 그뿐 아니라 스마트 ISO 프로(iDCG) 기술은 픽셀에 축적된 전하가 전압으로 변환되는 과정에서, 두 가지의 다른 변환 비율을 적용해 얻은 정보들을 병합하여 다이내믹 레인지를 증가시킨다. 기명오 님은 “또한 Smart-ISO Pro를 통해 센서는 12비트 이미지보다 64배 더 많은 색상인 4조 개 이상의 색상으로 이미지를 표현할 수 있는 14비트 이미지를 생성 한다. ISOCELL HP3 는 촬영 환경에 따라 Smart-ISO Pro또는 스태거드 HDR을 선택해 활용할 수 있어 사용자 의도에 부합하는 고품질 HDR 이미지를 생성할 수 있다.”고 덧붙였다.

카메라 경험의 혁신을 가능하게 하는 이미지센서 소비자는 기본에 충실하고 빠른 자동 초점과 뛰어난 저조도 성능을 지원하는 카메라 성능을 요구한다. CIS TD 팀의 최성수 님은 혁신상 수상의 원동력을 묻는 질문에 “아이소셀 HP3는 슈퍼 QPD 기술을 통한 빠르고 정확한 자동 초점 성능과 테트라 스퀘어드 기술을 통한 뛰어난 저조도 성능을 제공하여 소비자의 요구를 충족한다. 특히, 0.56μm 크기의 미세 픽셀을 통해 슬림한 스마트폰에서 초고화소 구현이 가능하고, 무엇보다 더 많은 사용자가 초고화소를 경험할 수 있게 된다.”고 언급했다. 신승철 님은 “가장 작은 0.56μm 픽셀을 개발함으로써 더 작은 센서 사이즈에서 2억 화소의 초고해상도를 구현할 수 있었고, 이미지 센서가 인간의 시각을 뛰어넘는 가능성을 제시하는 기술 혁신으로 평가 받은 것 같다.”고 덧붙였다. 미래 이미지 센서 혁신을 위한 계획 고주현 상무는 “System LSI사업부는 2억 화소가 플래그십 스마트폰 카메라의 주류로 자리매김 하도록 제품 기술 개발을 계속해 나갈 계획이며, 0.5μm 미만의 미세 픽셀 기술은 물론 픽셀 성능과 알고리즘 향상 등의 업그레이드를 계속 해나갈 계획”이라고 밝혔다. 또한 “소비자 경험을 향상하는 것이 곧 센서 시장에서의 경쟁력이며, 이번 CES 혁신상 수상으로 우리가 소비자에게 더 나은 경험을 제공하고 있음을 인정 받은 것 같아 팀 모두가 뿌듯해하고 있다.” 고 덧붙였다.