삼성 이미지센서 업계 최초 2억화소 벽 넘었다, 소니 맹추격

업계최초 2억화소·초소형 이미지센서, 갤럭시 차기작에 탑재 전망
스마트폰 탑재 6개로 늘고, 차량용 등 신시장 열려 센서시장 급성장
삼성전자, 2030년까지 업계 1위 목표

[파이낸셜뉴스] 삼성전자 모바일 이미지센서가 업계 최초로 2억 화소의 벽을 뛰어넘었다. 삼성전자는 진화된 이미지센서 신제품을 갤럭시 플래그십 등 차세대 스마트폰에 탑재하기 위해 협의 중이다. 현재 업계 2인자인 삼성전자는 초격차 기술을 앞세워 10년 안에 소니를 따라잡고 선두에 오른다는 의지다.

1억화소→2억화소, 단 2년 만에 극복

삼성전자는 업계 최소 2억 화소 모바일 이미지센서인 '아이소셀 HP1'과 업계 최소 크기의 듀얼 픽셀 이미지센서인 '아이소셀 GN5'를 2일 공개했다.

아이소셀 HP1은 0.64㎛(마이크로미터) 픽셀 2억개를 1/1.22인치 옵티컬포맷 크기에 구현한 제품으로 이전 제품대비 화소 수를 85% 더 많이 탑재하면서도 옵티컬포맷의 크기 증가는 최소화한 게 특징이다.

옵티컬포맷이란 카메라 렌즈를 통해 들어오는 이미지가 인식되는 영역의 지름을 말한다.

삼성전자는 지난 2019년 메모리반도체 설계 기술과 노하우를 바탕으로 업계 최초로 1억800만 화소 이미지센서를 출시한 이후 2년 만에 다시 업계 최초로 2억 화소 제품을 출시하며 업계를 선도하고 있다.

특히 촬영 환경에 따라 4개 혹은 16개의 인접 픽셀을 조합할 수 있는 삼성전자의 독자 신기술 '카멜레온셀(ChameleonCell)'이 최초로 적용됐다. 빛이 충분할 때는 0.64㎛ 미세 픽셀을 활용하고, 야경이나 실내처럼 어두운 경우에는 1.28㎛ 혹은 2.56㎛ 픽셀처럼 수광 면적을 넓혀 밝고 선명한 사진을 찍을 수 있다. 고화질 동영상을 촬영할 때는 인접 픽셀 4개를 하나처럼 동작시켜 화각 손실 없이 초당 30프레임으로 8K 고해상도 영상을 촬영하는 기술도 적용됐다.

2억화소 이미지센서는 단순히 픽셀 2억개를 탑재했다는 것 이상의 의미를 가진다. 기술적으로 2억개 픽셀을 하나로 만드는 것이라면 3~4억 화소 제품도 당장 만들 수 있다. 하지만 이미지센서의 크기와 두께가 늘어나 스마트폰처럼 한정된 크기를 가진 모바일 기기에는 탑재가 불가능해지기 때문에 크기를 줄이는 기술이 뒷받침돼야 한다.

초소형에서도 최대 1억화소 고화질 촬영

'아이소셀 GN5'는 1/1.57인치 옵티컬포맷에 1.0㎛ 픽셀 5000만개를 구현한 업계 최소 크기의 듀얼 픽셀 제품이다.

일반적으로 픽셀에는 빛을 모으는 포토다이오드가 1개 있는데 듀얼 픽셀 제품에는 모든 픽셀이 2개의 포토다이오드를 탑재한다. 센서의 모든 픽셀이 초점을 맞추는 동시에 색 정보도 받아들일 수 있어 화질 손상 없이 빠르고 정확한 자동 초점 기능을 구현할 수 있다.

삼성전자는 이 제품에 듀얼 픽셀 프로 기술을 활용했다. 보통의 듀얼 픽셀 제품이 자동 초점을 맞추기 위해 피사체의 좌, 우 위상차만 활용하는 반면 이 제품은 상, 하, 좌, 우 위상차를 모두 활용해 자동 초점 성능을 훨씬 강화했다. 결정적인 찰나의 순간을 포착하는 기술로 이해하면 쉽다.

삼성전자는 픽셀 사이에 절연부를 형성하는 FDTI(Front Deep Trench Isolation) 공법을 처음으로 듀얼 픽셀 구조에 최적화해 포토다이오드 사이에도 부분적으로 적용했다. 이를 통해 초미세 기술 적용에 따라 발생하는 혼색(Crosstalk)을 최소화하고 전하 저장용량을 극대화해 1.2㎛ 듀얼 픽셀 제품과 동일한 수준의 성능을 구현했다. 이 제품은 빛이 풍부한 곳에서는 1개의 포토다이오드를 1개의 픽셀처럼 활용하는 컬러 필터 재배치 알고리즘을 통해 1억 화소의 고화질 사진도 촬영할 수 있다.

장덕현 삼성전자 시스템LSI사업부 센서사업팀 부사장은 "삼성전자는 초소형 이미지센서에서의 고감도 촬영을 위한 기술적 난제를 극복하기 위해 독보적인 기술을 확보해 나가고 있다"고 있다고 강조했다.

이미지센서 시장점유율

(%)

순위	업체	2019년	2020년
1	소니	52.7	47.9
2	삼성전자	17.6	19.6
3	옴니비전	11.1	12.0
4	온세미콘덕터	4.4	4.1
5	SK하이닉스	2.4	3.9

(옴디아)

소니 추월할 3가지 무기는 '초격차·中·車'

최근 발표된 삼성전자 갤럭시Z폴드3에는 5개의 카메라가 탑재됐으며 차기 스마트폰에는 6개 이상이 탑재될 전망이다. 삼성전자는 후면에 6개의 카메라가 장착된 스마트폰 특허를 이미 취득했다.

이미지센서 시장은 '더 또렷하게, 더 작게' 경쟁이 심화되면서 1억화소 이상의 초고화소 시장이 급성장하고 있다. 올해 5200만개의 1억화소 이상 이미지센서가 카메라에 탑재되며 2025년에는 1억6000만개까지 증가할 것으로 예상된다. 연평균 성장률은 32.4%에 달한다. 올해 204억달러 규모의 전체 이미지센서 시장은 2024년 249억달러로, 연평균 6.8% 성장이 기대된다.

지난해말 소니의 점유율은 47.9%로 독보적이다.

삼성전자는 19.6%로 전년보다 7%p 줄였으나 격차는 여전하다. 삼성전자는 중화권과 차량용 등 신시장 진출을 발판으로 2030년 이전에 소니를 추월한다는 목표를 세웠다.

박용인 시스템LSI 전략마케팅실장 부사장(당시 센서사업팀장)은 지난 2019년 5월 기자간담회에서 "2030년 시스템반도체 1위를 목표로 삼았지만 이미지센서는 더 빨리 달성할 것"이라고 밝힌 바 있다.

[e-mail] 김경민 기자