나노프리즘: 픽셀 미세화 시대의 광학 구조 혁신

모바일 이미지센서의 발전은 결국 픽셀 기술의 진화와 맞닿아 있다. 더 작고 더 얇은 기기에서도 고품질의 이미지를 구현하기 위한 시장의 요구는 점점 더 까다로워지고 있으며, 이에 따라 '미세 픽셀' 기술은 모바일 이미지센서 산업의 핵심 과제로 떠오르고 있다.

이러한 흐름 속에서 삼성전자 시스템LSI사업부는 미세 픽셀 이미지센서 분야에서 쌓아온 경험을 바탕으로, 새로운 기술 발전을 이어가고 있다. 최근 출시된 모바일 이미지센서 아이소셀 JNP는 업계 최초로 나노프리즘 (Nanoprism)을 적용하여, 픽셀의 물리적 한계를 다시 한 번 뛰어넘었다.

메타광학 (Meta-Photonics) 기술을 이미지센서에 최초로 적용한 기술인 나노프리즘이 어떻게 탄생했고, 또 아이소셀 JNP에 어떻게 구현되었는지 알아보자.
 

픽셀은 더 작게, 빛은 더 많이

이미지센서에서 감도는 선명하고 생생한 이미지를 구현하는 데 핵심적인 요소다. 가능한 한 많은 빛을 포착하기 위해 픽셀 기술은 오랜 시간 진화를 거듭해왔다. 전면조사 (FSI, Front Side Illumination)에서 이면조사 (BSI, Back Side Illumination)로의 발전, 격리구조 (DTI, Deep Trench Isolation) 등 다양한 기술이 그 예다.

특히 스마트폰 카메라 모듈의 크기가 커지지 않으면서 고해상도 이미지를 구현하기 위해 픽셀을 점점 더 작게 만드는 방향으로 기술이 발전해왔는데, 이로 인해 단위 픽셀의 감도는 점차 낮아지고, 픽셀 간 간섭 (crosstalk) 으로 인해 화질이 열화되는 문제가 발생했다. 그 결과 저조도 환경에서는 화질이 급격히 저하되는 한계를 피할 수 없었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 삼성전자는 픽셀 사이에 물리적 장벽을 세운 격리구조 (FDTI, Front Deep Trench Isolation)를 도입하고, 픽셀 상부의 컬러 필터까지도 격리시키는 ISOCELL 2.0 도 개발하였다. 더 나아가 기존 구조에서는 받아들일 수 없었던 주변부 빛까지 활용할 수 있는, 픽셀의 광학 구조 자체를 혁신하는 접근을 생각하였다. 바로 이런 고민 끝에 탄생한 것이 나노프리즘 기술이다.

삼성전자의 픽셀 기술에 대한 자세한 사항은 아래 링크에서 확인할 수 있다.

픽셀 테크놀로지
 

빛을 쪼개서 더 많이 모으는 나노프리즘

나노프리즘이라는 기술은 삼성전자 SAIT (Samsung Advanced Institute of Technology)가 수년간 축적해온 메타광학 원천기술을 바탕으로 2017년 세계 최초로 제안한 신기술이다. 당시 메타광학 연구에서 활발하던 빛의 분산을 최소화하는 메타렌즈 (metalens) 연구와는 달리, 오히려 분산을 극대화하여 색을 분리하는 역발상을 이용한 것이다. 색 분리기능을 수행할 수 있는 메타표면 (meta-surface) 기반의 프리즘 (prism) 구조가 나노프리즘이다.

그렇다면 기존의 픽셀 구조와는 무엇이 달라졌을까? 기존의 마이크로렌즈 (microlens) 기반 광학계는 마이크로렌즈와 픽셀의 컬러 필터가 1:1로 매칭되어, 각 픽셀의 컬러 필터에 대응하는 색깔의 빛만 픽셀이 받아들일 수 있었다. 즉 정해진 픽셀의 크기만큼만 빛을 받을 수 있다는 물리적 한계가 있던 것이다. 
 

그러나 나노프리즘은 마이크로렌즈 자리에 나노스케일 구조를 두어 빛이 각 컬러에 맞는 픽셀을 향할 수 있도록 최적화된 광경로를 설정한다. 간단히 말하면, 기존에는 색깔이 맞지 않아 없어지던 빛을, 빛의 굴절과 분산 특성을 이용하여 인접한 픽셀로 보낼 수 있게 되어, 각각의 픽셀이 받아들이는 빛의 양이 늘어난 것이다. 나노프리즘 기술을 통해 기존 마이크로렌즈 구조 대비 픽셀이 더 많은 빛을 받아들일 수 있게 되었으며, 픽셀이 작아짐으로써 생겼던 고민인 감도 감소를 개선할 수 있었다.
 

나노프리즘을 이미지센서에 적용하기까지

모바일 이미지 센서에 메타광학 기술을 적용해 상용화하는 것은 쉽지 않은 도전이었다. 제품을 사용할 고객 신뢰도와 기술적 완성도를 동시에 확보하는 것이 필수적이었기 때문이다. 하나의 제품으로 제대로 작동하기 위해서는 나노프리즘이라는 구조를 구현하는 것뿐만 아니라, 수십 가지의 성능 지표를 만족시켜야 했다. 삼성전자는 설계-공정-측정 루프를 설계 초기 단계에서부터 다양한 시나리오를 고려하여 반영하고, 신뢰성 높은 검증 절차를 확립하는 등 성능을 확보하는 최선의 노력을 기울였다.

나노프리즘이라는 이름에서 알 수 있듯이 픽셀에 수십 나노미터 (nm) 크기의 정교하고 복잡한 구조물을 구현해야 했기에, 공정개발부터 양산까지도 많은 어려움이 있었다. 새로운 기술 구현을 위해 이에 특화된 CMP  (Chemical Mechanical Polishing) 공정 및 저온공정을 새로 개발했고, TDMS (Thermal Desorption Mass Spectrometry) 기법 등 특수 기술과 방법이 도입되었다. 
 

더 밝고 선명한 이미지를 가능케하는 아이소셀 JNP

나노프리즘이 적용된 아이소셀 JNP는 올해 양산에 들어갔고, 최근 스마트폰에도 탑재되어 향상된사용자 경험에 기여하고 있다. 더 많은 빛을 손실 없이 받아들일 수 있기 때문에, 특히 어두운 환경에서도 밝고 선명한 사진 촬영이 가능해졌다. 실제로, 나노프리즘이 적용된 아이소셀 JNP는 동일 사양의 전작인 아이소셀 JN5 대비 감도가 25% 향상되었다.
 

물론 이미지센서의 크기를 키우면 카메라의 전반적인 성능을 높일 수 있지만, 모바일에서는 ‘카툭튀’ 등 디자인적 제약으로 인해 이미지센서 크기를 무한정 키우는 데 한계가 있다. 삼성전자 시스템LSI사업부는 이 한계를 나노프리즘을 통해 정면으로 돌파하고자 했다. 픽셀이 더 작아지는 상황에서도 이 기술을 통해 각 픽셀의 감도와 색 재현력을 향상시켰고, 최초로 적용된 것이 아이소셀 JNP인 것이다.

해당 제품에 대한 자세한 사항은 아래 링크에서 확인할 수 있다.

아이소셀 JNP 제품페이지
 

모바일 시장에서 고해상도 이미지 구현에 대한 니즈는 지속될 것이다. 이에 따라 픽셀 미세화 트렌드는 계속되고, 픽셀이 작아져도 높은 감도, 양자 효율 확보, 노이즈 감소 등을 위한 픽셀 기술의 발전이 요구될 것이다. 나노프리즘은 이 중 감도를 높이기 위한 기술이고, 삼성전자는 이를 필두로 기존의 물리적 한계를 뛰어넘는 방향으로 더 새로운 혁신을 위해 나아가고자 한다.

앞으로도 삼성전자는 다양한 부서 간의 협력을 통해 차세대 이미지 센서 기술의 새로운 가능성을 함께 고민해 나갈 예정이다.

* 표시된 이미지는 예시용으로만 제공되며, 제품 자체 또는 해당 제품과 함께 촬영된 이미지를 정확하게 재현하지 않을 수 있습니다. 모든 이미지는 디지털 방식으로 편집, 수정 또는 보정되었습니다.

* 모든 제품 사양은 내부 테스트 결과를 반영하며 사용자의 시스템 구성에 따라 변동이 있을 수 있습니다. 실제 성능은 사용 조건과 환경에 따라 다를 수 있습니다.