삼성전자는 시스템 반도체도 만들지만 세계 최강 기술은 메모리 반도체 기술로 작은 크기에 많은 다이오드를 배치하는 집적 기술이 뛰어납니다. 이 메모리 반도체 기술과 비슷한 것이 이미지센서 기술입니다. 이 이미지센서 시장은 소니가 장악하고 있다고 할 정도로 소니가 최강이었지만 1억 8백만 화소의 '아이소셀 브라이트 HMX' 이미지센서를 먼저 개발하는 등 소니를 따라잡고 앞서갈 준비를 하고 있습니다.
전면조사 FSI 방식보다 뛰어난 후면조사 BSI 기술
이미지센서는 전면에 빛을 모으는 포토 다이오드 앞에 회로배선층을 배치하는 방식인 FSI 방식을 사용했습니다. 위 이미지에서 가장 상단에 원칩 렌즈가 있고 그 밑에 적,녹,청의 컬러 필터가 있습니다. 그리고 그 뒤에 회로 배선층을 배치하고 맨 밑바닥에 포토다이오드를 배치했습니다. 이 FSI 방식의 문제점은 회로배선층이 외부로부터 들어오는 빛을 막아서 빛의 수광율이 낮았습니다. 쉽게 말해서 빛을 모으는데 회로배선층를 지나야 해서 빛을 수광하기 수월하지 않았습니다.
풀프레임 이미지센서가 좋은 좋은 이유는 같은 화소라도 이미지센서가 크다 보니 보다 많은 빛을 받아들일 수 있고 이로 인해 저조도(어두운) 환경에서 빛을 더 많이 받아들여서 노이즈가 적습니다. 이 차이로 인해 야간이나 실내 사진에서 풀프레임 이미지센서가 더 화질이 좋습니다.
FSI 방식의 문제점을 개선한 것이 BSI입니다. 전면조사 방식인 FSI 방식과 다른 점은 회로 배선층이 포토다이오드 뒤에 있어서 빛을 가리는 층이 사라져서 보다 많은 빛을 받아들일 수 있습니다.
이 BSI 방식은 소니에서 개발해서 소니 이미지센서를 삼성전자 스마트폰에서도 사용할 정도로 뛰어났습니다. 그러나 삼성전자가 이미지센서 개발을 가속화 하기 시작했는데 이때가 2014년입니다. BSI 기술을 기본으로 '아이소셀' 기술을 처음 선보였습니다.
BSI 기술을 더욱 개선한 삼성의 아이소셀(ISOCELL)
BSI 기술은 온칩 렌즈를 지난 빛이 컬러 필터를 지나서 포토 다이오드에 도달하기 전세 다른 픽셀에 빛이 들어가는 픽셀 간 간섭(Crosstalk) 문제가 발생합니다. 이렇게 원하지 않는 포토다이오드에 빛이 들어가다 보니 빛이 손실되고 이미지 품질이 저하되는 문제가 있었습니다.
삼성전자는 이런 빛 손실을 막는 isolate + cell인 아이소셀 기술을 개발합니다.
아이소셀(isocell)은 BSI를 기반으로 컬러필터를 지난 빛이 다른 포토다이오드에 영향을 주지 않게 격벽을 만듭니다. 이 격벽 덕분에 빛은 다른 포토다이오드에 간섭을 주지 않고 보다 많은 빛을 포토다이오드에 전달할 수 있어서 좀 더 선명하고 밝은 이미지를 담을 수 있었습니다.
삼성전자가 아이소셀을 처음 선보인 건 2013년입니다. 이 아이소셀 기술은 기존 메탈 소재를 신소재 바꿔서 기존보다 15%나 감도를 향상한 아이소셀 플러스를 2018년에 선보입니다.
여기에 삼성전자는 2개의 포토다이오드의 거리 차이를 이용한 듀얼픽셀 CMOS AF까지 개발해서 아주 빠르고 정확한 AF 기술까지 접목합니다. 이 듀얼픽셀 CMOS AF 기술을 가진 회사가 또 있죠. 바로 캐논입니다. 두 회사의 기술이 어떻게 다른지 기술 공유가 있는지는 모르겠지만 두 회사는 듀얼픽셀 CMOS AF 기술을 가지고 있습니다.
2017년 멀티미디어 기술대상 장관상을 받은 테트라셀 기술
여기에 삼성은 테트라셀(TetraCell) 기술도 선보입니다. 테트라셀 센서는 센서 4개를 1개의 픽셀로 만드는 기술입니다. 우리가 사진 촬영을 할 때 빛이 풍부한 맑은 날씨의 야외에서 촬영할 때는 스마트폰으로 촬영하나 DSLR로 촬영하나 그 차이를 크게 느끼지 못할 수 있습니다. 잘 닦인 경사가 없는 도로에서는 SUV나 세단이나 큰 차이가 없죠. 그러나 경사가 높거나 비포장 도로에서는 세단보다 SUV가 월등히 좋다는 것을 알 수 있습니다. 마찬가지로 사진 품질의 차이는 저조도 즉 어두운 곳에서 촬영해 보면 스마트폰 사진은 노이즈가 자글자글하게 끓어오르지만 풀프레임 이미지센서를 사용한 미러리스나 DSLR은 노이즈가 상대적으로 훨씬 더 적습니다.
삼성 테트라셀 센서는 어두운 곳에서는 4개의 픽셀을 1개로 만들어서 빛을 수광하는 면적을 늘립니다. 대신 화소수는 1600만 화소에서 400만 화소로 줄어듭니다. 대신 픽셀 면적이 4배로 커지니 노이즈 억제력이 좋고 좀 더 밝게 촬영할 수 있습니다. 반면 밝을 때는 픽셀을 각각 독립적으로 활용해서 1600만 화소로 담을 수 있습니다.
쉽게 말해서 어두운 환경에서는 기존 이미지센서에서는 ISO 3200까지 올라가던 것을 4배나 넓어진 이미지센서 덕분에 ISO 800으로 담을 수 있습니다. 이건 어디까지나 예이니 정확한 것은 아닙니다.
이렇게 어두운 환경에서도 보다 밝게 담을 수 있는 기술이 테트라셀 기술입니다. 2019년 11월에 공개된 1억 8백만 화소의 아이소셀 브라이트 HM1 이미지센서는 이 테트라셀 기술을 더 향상시킨 노나셀(Nonacell) 기술을 적용합니다. 기존 테트라셀은 2 x 2 픽셀 구조를 이용했다면 노나셀(Nonacell)은 3 x 3 픽셀 구조를 이용해서 총 9개의 픽셀을 1개의 픽셀로 만들 수 있습니다.
현재 삼성전자 이미지 센서 기술은 0.7μm 픽셀을 기반으로 하는데 이는 가장 작은 크기의 픽셀 단위입니다. 작게 만드는 데는 삼성전자가 최고죠. 최근 삼성전자 박용인 삼성 이미지센서 사업팀장은 육안보다 우수한 6억만 화소 센서를 만드는 것을 목표로 하고 있습니다. 우리가 세상을 인식하는 인간의 눈은 화소수로 보면 5억만 화소 해상도와 비슷합니다. 그런데 이보다 1억만 화소가 더 많은 6억만 화소 이미지센서를 만들겠다는 목표를 밝혔네요.
물론 화소수가 무조건 높다고 좋은 것은 아닙니다. 그러나 화소수가 높으면 이미지를 확대해도 깨지지 않는 장점이 있습니다. 6억만 화소면 그냥 촬영하고 나중에 확대 편집해서 사용할 수 있겠네요. 삼성전자는 카메라 사업을 접었기 때문에 이 6억만 화소 이미지센서는 스마트폰용 이미지센서가 될 것으로 보입니다.
