[배진솔의 전자사전]스마트폰 카메라 화질…'이미지센서 반도체'의 발달로

[이데일리 배진솔 기자] 지금 보고 있는 이 순간을 사진 속에 담아 생생하게 간직하고 싶었던 적이 있으신가요. 좀 더 실제와 같은 선명한 사진을 위해 과거 흑백사진에서 컬러사진으로, 노랗거나 푸르딩딩한 사진에서 선명한 색감을 표현하는 카메라로 발전해왔습니다. 이제는 매일 들고 다니는 스마트폰 카메라가 어엿한 카메라로서 기능을 해 일반인들도 전문가 못지않은 사진과 영상을 찍는데요. 이를 가능하게 하는 것이 바로 ‘모바일 이미지센서 반도체’입니다. 오늘 ‘배진솔의 전자사전’에서는 이미지센서 반도체에 대해 알아보도록 하겠습니다.

디지털 카메라 속 반도체 기술 (사진=삼성 반도체이야기)

스마트폰 카메라 화질, ‘작은 칩에 많은 픽셀’

이미지센서 반도체는 카메라 렌즈를 통해 들어온 빛을 전기적 디지털 신호로 변환해주는 역할을 합니다. 영상신호를 저장하고 전송해 우리가 보는 스마트폰 화면 위로 촬영한 사진을 볼 수 있도록 만들어주는 반도체죠. 옛날 필름 카메라의 필름과 유사한 역할을 한다고 보면 됩니다.

요즘에는 스마트폰 앞·뒤로 카메라 한두 개가 들어가는 게 아니라 후면에만 3개 이상 들어간 제품이 나오고 있는데요. 그만큼 이미지 센서 반도체도 많이 필요하다는 뜻입니다.

응용 방식과 제조 공정에 따라 CCD(전하결합소자) 이미지센서와 CMOS(상보성 금속산화 반도체) 이미지 센서(CIS)로 나눌 수 있습니다. CMOS 이미지센서가 CCD 이미지센서 대비 저전력 공정으로 배터리 사용 시간을 연장할 수 있고, 잡신호가 적다는 점 등에서 주목받고 있습니다.

일반적으로 이미지의 화질은 이미지 센서를 구성하는 각 픽셀(화소)에 모이는 빛의 양에 많은 영향을 받습니다. 지금 한번 카메라로 사진을 찍어 크게 확대해보면 다닥다닥 모자이크 타일처럼 붙어 있는 점들이 보일 텐데요. 이것이 바로 픽셀입니다. 이 픽셀들은 그 위치에서 하나의 색상을 내며 전체 이미지를 만들어냅니다. 픽셀의 수가 많으면 많을수록 더 세밀하게 이미지를 표현할 수 있기 때문에 화질이 좋아지겠죠.

그럼 이미지센서의 픽셀 수만 늘리면 스마트폰의 카메라의 화질도 좋아지겠다고 생각하실 수 있습니다. 하지만 그렇게 된다면 과거 소위 ‘벽돌폰’을 들고 다닐 때처럼 두꺼운 휴대폰이 됩니다. 지금처럼 슬림한 스마트폰 외관을 유지하려면 작은 칩에 많은 픽셀을 넣어야 하는 고성능 이미지 센서 반도체가 필요합니다. 즉, 픽셀의 크기는 줄이면서 수광율(이미지센서가 빛을 받아들이는 정도)를 높이는 방향으로 발전해오고 있습니다.

테트라셀과 노나셀 기술 차이 (사진=삼성 반도체이야기)

9개의 인접 화소가 마치 한 개처럼…인간의 오감을 대신하는 센서까지

지금까지 이미지센서 시장에서 1위는 소니였지만 삼성이 그 뒤를 바짝 따라가고 있는데요. 삼성은 최근 1억800만 화소 이미지센서인 ‘아이소셀 브라이트 HM1’을 출시했습니다. 아이소셀은 격리하다(Isolate)와 세포(cell)이 합쳐진 말로 픽셀과 픽셀 사이에 물리적인 벽을 세워 픽셀로 들어온 빛이 밖으로 나가지 않도록 하는 첨단 이미지센서 기술입니다.

9라는 의미를 갖는 최첨단 ‘노나셀(Nonacell)’구조를 가진 것이 특징인데요. 9개의 인접 화소가 마치 한 개의 화소인 것처럼 동작해 어두울 때 빛을 받아들이는 면적을 9배로 넓힙니다. 밝을 때는 1억800만 해상도로 선명하게 볼 수 있습니다.

세계 최초 1억 화소 CMOS 이미지센서로 지난 5월 ‘2020 대한민국 임팩테크 대상’에서 대통령상을 수상한 바 있죠.

삼성전자는 앞으로 우리 눈에 보이는 가시광선 영역(450nm~750nm)을 넘어 자외선(파장대역 450nm 이하)과 적외선(파장대역 750nm 이상)을 활용할 수 있는 이미지센서도 연구하고 있습니다.

그럼 이미지센서를 이용해 암 조직을 진단하고 농업, 산업 영역에서 불량품도 구분할 수 있겠죠. 또 삼성전자는 후각, 미각 등 다양한 센서 개발을 하며 인간의 오감을 대신하는 영역까지의 센서를 꿈꾸고 있습니다.