디지털카메라용 CMOS 이미지센서의 강자인 소니와 스마트폰용 CMOS 이미지센서(CMOS Image Sensor)의 신흥강자인 삼성전자의 마켓 점유율을 위한 싸움은 적층형 CMOS 이미지센서를 출시하면서 더욱 흥미진진합니다. 삼성전자의 미세공정 반도체기술을 기반으로 한 화소 수 경쟁은 2021년 가을, 화소(Pixel)수 2억 개의 CMOS 이미지센서를 출시함으로써 소니를 압도한 상황이며, 주력으로 하는 고급형 스마트폰용 CMOS 이미지센서에서처럼, 디지털카메라용 이미지센서 시장에도 얼마나 큰 영향력을 발휘할지에 대해 자못 궁금합니다.

CMOS 이미지센서란?

이미지센서는 렌즈와 조리개를 통해서 들어온 빛을 받아들여 영상데이터를 만들어 주는 중요 부품으로서, 빛을 전기신호로 전환해 주는 기능을 하는 포토다이오드(Photodiode)를 이미지센서의 픽셀에 포함하고 있습니다. 이미지센서 픽셀 1개에는 1개의 포토다이오드가 존재하며, 빛의 3원색인 Red Color용과 Blue Color용은 각각 1개씩 대각선 방향에 위치하고, Green Color용은 2개의 픽셀이 서로 대각선 방향에 위치해 있습니다. 각 픽셀의 포토다이오드(Photodiode)의 윗부분에는 빛을 Red/Green/Blue 즉, 빛의 3원색으로 구분하기 위해 용도에 맞게 배치된 ‘컬러필터(Color Filter)’와 그 위로는 렌즈를 통해 입사된 빛을 각각의 포토다이오드(Photodiode)의 중심으로 집광하기 위한 ‘마이크로렌즈(Micro Lens)’가 존재합니다.

1. 적층형 CMOS 이미지센서 기술(화질과 ISO 감도성능 개선)

소니 세미컨덕터 솔루션즈 주식회사는 2021년 12월 보도자료를 통해 세계 최초로 2층 트랜지스터 화소 적층형 CMOS 이미지 센서 기술(Stacked CMOS Image Sensor Technology)의 개발에 성공했다고 밝혔습니다.

기존에는 포토다이오드(Photodiode)와 이를 제어하는 로직회로(Logic Circuit)인 픽셀 트랜지스터(Pixel Transistor)를 같은 회로기판에 설계를 했지만, 포토다이오드를 윗층에 두고 이를 제어하는 픽셀 트랜지스터를 아래의 다른 층(2층 구조)에 분리해서 설계를 했습니다. 이를 통해 포토다이오드의 광포화점을 늘려서 다이내믹 레인지를 넓혀줄 수 있으며, 별도의 층에 설계된 픽셀 트랜지스터 중의 광 증폭용 AMP는 공간의 제약이 줄기 때문에 성능이 좋은, 다시 말하면 노이즈 피겨(N.F) 적은 앰프를 적용할 수 있기 때문에 광량이 적은 저조도 환경에서 ISO 수치를 크게 올려도 영상이나 사진에 끼는 노이즈를 크게 줄일 수 있습니다.

포토다이오드에 집광된 빛은 ADC(Analog-Digital Converter)를 통해서 세기에 따라 그에 상응하는 전기적인 디지털신호로 변환되며 이를 ISP(Image Signal Processor) 칩이 처리를 거쳐 사진의 화소별 RGB정보/ISO/조리개값/화이트밸런스 및 색공간 등의 정보를 압축된 JPEG/MP4/Raw 파일의 형태로 마이크로SD 카드 혹은 고속의 CFexpress 카드로 저장하게 됩니다.

이러한 4개의 포토다이오드를 1개의 그룹으로 갖는 구조는 일반적 CMOS 이미지센서의 구조였지만, 기술경쟁에 따른, 이미지센서의 픽셀 구조의 기술적 변화가 생겨났습니다. 그것은 바로 미세공정을 통해서 포토다이오드를 수직 방향으로 반(1/2)으로 나누어 쓰는 ‘듀얼 픽셀(Dual Pixel)’ 방식이 도입되었으며, 각각의 나눠진 픽셀들에 절연부를 형성하는 FDTI(Front Deep Trench Isolation) 공법을 ‘듀얼 픽셀’ 구조에 적용해 초미세공정에서 발생하는 Cross Talk로 인한 혼색을 최소화하고 전하저장용량을 극대화했습니다.

따라서 렌즈에서 들어오는 사진과 영상정보는 품질을 그대로 유지하면서도, 좌우에 있는 픽셀간의 위상차(Phase Difference)를 이용해 좌우로 움직이는 피사체에 대해 더욱 빠른 위상차 오토포커스(PDAF: Phase Difference Auto Focus)가 가능하게 되었습니다.

여기에 1 그룹에 2개가 들어 있는 Green 색 픽셀을 세로 방향이 아닌 대각선 방향으로 분할하는 방식인 ‘듀얼 픽셀 프로(Dual Pixel Pro)’ 방식으로 진화하여 상하좌우 4방향 모두에서 위상차(Phase Difference)정보를 활용함으로써, 어두운 환경 속에서도 고속의 오토포커싱이 가능하게 되었습니다. 여기 ‘듀얼 픽셀 프로’ 방식에 가로, 세로로 한번씩 더 분할해서 ‘테트라 픽셀(Tetra Pixel)’ 방식으로 더욱 진화하였습니다.

2. 아이소셀(ISO CELL) HP1

이러한 최신 기술들이 디지털카메라의 이미지센서나 스마트폰용의 소형 이미지센서에 적극 채용되고 있습니다. 이중에서도 2019년 업계 최초로 1억 8백만화소 이미지센서를 출시한 이후 2년만인 2021년 가을에 출시한 삼성전자의 최신 이미지센서에 적용된 ‘아이소셀’ 기술을 소개해 드리고자 합니다.

이 이미지센서는 2022년 차기 플래그십 스마트폰인 ‘갤럭시 S22 울트라’ 모델에 탑재될 것이 유력해 보이는 이미지센서로 아직은 루머에 불과하지만, 모토로라 등 타 스마트폰 제조사에서도 관심을 보이고 있는 이미지센서입니다. 하나의 픽셀 가로 혹은 세로의 길이는 0.64um이며, 이러한 픽셀 2억개를 1/1.22″ 옵티컬 포맷에 구현하였습니다. 기존 1억 8백만 화소 제품대비 화소 수를 약 85% 많이 탑재하면서도 옵티컬 포맷의 크기 증가는 최소화했습니다.

3. 카멜레온셀(ChameleonCell) 기술

밝은 촬영환경에서는 0.64um의 미세 픽셀을 활용하고, 야경이나 실내처럼 광량이 적은 저조도 환경에서는 1.28um(4개) 혹은 2.56um(16개) 사이즈의 픽셀처럼 수광 면적을 넓혀, 밝고 선명한 사진을 찍을 수 있는 기술인 ‘카멜레온셀(ChameleonCell)’이란 독자 신기술을 적용하였습니다. 또한 고화질 동영상을 촬영할 때 인접 픽셀 4개를 하나처럼 동작시켜 화각의 손실이 없이 8K/30 fps 고해상도 영상 촬영기술도 탑재했습니다.

4. 아이소셀(ISO CELL) GN5

1um 픽셀 5천만개를 1/1.57″ 옵티컬 포맷에 구현한 업계 최소 크기의 ‘듀얼 픽셀’ 제품입니다. 일반적으로 이미지센서의 픽셀에는 빛을 모으는 포토다이오드(Photodiode)가 한 픽셀당 한 개가 있는데, 위에서 소개해 드린 ‘듀얼 픽셀’ 기술을 탑재한 센서에는 모든 픽셀이 두 개의 포토다이오드(Photodiode)를 가지고 있어 모든 픽셀이 초점(Auto Focus)을 맞추는 동시에 정확한 색 정보도 받아들일 수 있어서 화질 손상이 없이 빠르고 정확한 오토 포커스 기능을 제공해 줍니다.

CMOS 이미지센서의 화소 수 경쟁도 조만간 기술적 어려움, 즉 인접 픽셀간의 크로스토크(Cross Talk)로 인한 성능저하의 어려움에 직면할 것으로 보입니다. 따라서 앞으로의 CMOS 이미지센서의 기술 추세는 화소수 경쟁보다는 ‘듀얼 픽셀’ 기술을 활용한 빠른 PDAF 기능과 야경이나 실내촬영을 위해 특화된 ‘카멜레온셀(ChameleonCell)’과 같은 ISP(Image Signal Processing) 기술력을 강화하는 경쟁 양상으로 바뀔 것으로 예상됩니다.

첨단 CMOS 이미지센서의 현재와 미래: 화소경쟁에서 실질적 화질 혁신으로의 전환

CMOS 이미지센서 시장은 현재 소니와 삼성전자가 주도하는 치열한 기술 경쟁이 진행되고 있습니다. 특히 삼성전자는 2021년에 2억 화소라는 혁신적인 성과를 달성하며 시장에서 강세를 보이고 있습니다. 하지만 앞으로의 기술 발전 방향은 단순한 화소 수 증가보다는 실질적인 이미지 품질 향상에 초점이 맞춰질 것으로 전망됩니다.

주목할 만한 기술적 진보로는 적층형 CMOS 이미지센서, 듀얼 픽셀 기술, 그리고 카멜레온셀 기술을 들 수 있습니다. 특히 적층형 구조는 저조도 환경에서의 성능을 크게 개선했으며, 듀얼 픽셀 프로 기술은 더욱 정확하고 빠른 자동초점 기능을 가능하게 했습니다. 카멜레온셀 기술은 다양한 촬영 환경에 따라 픽셀 크기를 자동으로 조절함으로써 최적의 이미지 품질을 제공하고 있습니다.

향후 CMOS 이미지센서 시장은 인접 픽셀 간의 크로스토크 문제 해결과 함께, ISP 기술력 강화에 주력할 것으로 예상됩니다. 이는 실제 사용자들이 체감할 수 있는 이미지 품질 향상과 카메라 성능 개선으로 이어질 것으로 기대됩니다.