스마트폰 카메라 센서 기술, 어디까지 왔나

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스마트폰 신제품 소식이 들리면 이번에는 어떤 카메라 기술이 들어갔을지 궁금해진다. 후면 카메라가 여러 개 탑재되는 건 거의 기본 옵션이 됐다. 카메라 화질의 우수성과 기능의 다양성으로 승부를 봐야 한다.

더 나은 화질을 보여주기 위해서는 기초가 튼실해야 한다. 카메라에서 가장 중요한 핵심 부품 ‘센서’가 중요한 이유다. 현재 스마트폰 카메라에 탑재되는 이미지 센서는 주로 소니와 삼성이 만들고 있다. 두 브랜드의 최근 센서 기술은 어디까지 왔을까. 신제품 동향을 통해 살펴보았다.

◆ 소니, 가장 큰 스마트폰용 이미지 센서 출시 예정

안드로이드 관련 소식을 전하는 해외 매체 ‘안드로이드 오소리티(Android Authority)’는 소니가 조만간 출시할 스마트폰용 이미지 센서가 시장에서 가장 큰 크기를 자랑할 것이라고 25일(현지시간) 보도했다.

소니 엑스모어(Exmor) IMX800이라는 모델명의 신형 센서는 1인치 크기로 출시될 것이라는 루머가 있었지만 안드로이드 오소리티는 그보다 약간 작은 1/1.1인치로 추측했다.

센서 해상도는 5천만 화소로 알려졌다. 그동안 가장 컸던 모바일 이미지 센서 삼성 아이소셀 GN2와 동일하다. GN2의 크기는 IMX800보다 약간 작은 1/1.2인치다.

IMX800의 크기가 좀 더 크다 보니 픽셀 하나하나가 받아들이는 빛의 양이 더 많다. 따라서 빛이 적은 저조도 환경에서 화질 손상을 조금이나마 줄이기 용이하다.



샤오미 12 울트라 예상 렌더링 이미지 (출처 : 레츠고디지털)

소니 IMX800을 가장 먼저 사용할 스마트폰 제조사는 어디일까. 안드로이드 오소리티는 샤오미가 조만간 공개할 플래그십 카메라 ‘샤오미 12 울트라’에 IMX800이 탑재될 것이라고 전했다. 그간 샤오미는 삼성전자의 신형 이미지 센서를 적극적으로 탑재해왔지만 이번에는 소니 센서의 신세를 질 모양이다.

센서뿐만 아니라 카메라 렌즈 품질과 화각, 칩셋을 통한 후처리 같은 소프트웨어 최적화 정도도 사진 화질에 중요한 영향을 끼친다. 삼성 센서를 탑재한 샤오미 플래그십 스마트폰 ‘미 11 울트라’는 자연스러운 디테일과 줌 기능으로 호평받은 바 있다. 샤오미 12 울트라가 소니 최신 센서를 탑재하면 어떤 변화를 보일지 기대된다.

◆ 삼성 ‘최고 화소’ 도전…2억 화소 스마트폰 유출돼

삼성전자의 동향은 어떨까. 삼성은 크기가 더 큰 센서를 개발하기보다 집적도를 높여 화소 수를 늘리는 방안을 모색 중인 것으로 보인다.

삼성은 지난 2월 국제고체회로학회(International Solid-State Circuits Conference, ISSCC)에서 스마트폰용 2억 화소 이미지 센서를 소개했다. 이 초고해상도 센서가 탑재된 스마트폰은 조만간 시중에 등장할 전망이다.



모토로라 프론티어 유출 사진

신형 센서는 삼성전자 스마트폰이 아닌 모토로라에 먼저 탑재될 예정이다. 모토로라가 곧 출시할 플래그십 스마트폰 ‘프론티어’의 후면 사진이 온라인에 유출됐다. 사진에는 프론티어의 후면 카메라와 로고 일부가 식별된다.

카메라 범프 가장자리에는 ‘200MP HP1 OIS f/2.2’라고 적혀 있다. 삼성전자의 차세대 스마트폰용 2억 화소 이미지 센서 아이소셀(ISOCELL) HP1이 탑재된다는 점, 광학 손떨림 보정(OIS)을 지원하고 최대 조리개 값이 F2.2라는 점까지 알 수 있다.

프론티어에는 큼직한 메인 카메라와 별도로 작은 카메라가 2개 더 탑재됐다. 정황상 작은 렌즈 2개는 광각과 망원 화각을 담당하는 것으로 추정된다.

2억 화소짜리 카메라 크기는 다른 화각의 4배 정도나 된다. 스마트폰 디자인을 해친다고 해도 과언이 아닐 정도로 거대하다. 과연 미관을 포기할 정도의 메리트가 있을까. 2억 화소 카메라를 어떻게 활용할 수 있을까.



삼성 아이소셀 센서 (출처 : 삼성전자)

대체로 스마트폰에 고해상도 이미지 센서가 탑재된 경우 해당 해상도를 온전히 사용하지는 않는다. 여러 화소를 묶어 픽셀 하나처럼 활용하기도 한다. 4800만 화소 센서를 탑재하고 화소 4개를 1픽셀처럼 묶어 1200만 화소 이미지를 촬영하는 게 대표적인 사례다.

높은 화소 수를 디지털 줌에 활용하는 것도 가능하다. 기존 디지털 줌은 사진 크기를 확대해 화질이 손상되기 쉬웠다. 반면 고해상도 센서에서 가장자리만 잘라낸다면 화질 손상 없이 충분히 높은 해상도로 망원 사진을 촬영할 수 있다. 2억 화소 이미지 센서를 탑재하는 경우 줌을 약 18배까지 확대하더라도 화질을 손상시키지 않고 1200만 화소 이미지를 촬영할 수 있다.

◆ 작은 센서에 고해상도…부작용과 해결 방안은?

이미지 센서는 면적이 넓고 화소가 낮을수록 수광률이 향상돼 화질이 좋아진다. 반대로 면적이 좁고 화소가 높아지면 픽셀 크기가 너무 작아진다. 픽셀 하나하나 받아들이는 빛의 양이 줄거니와 내부에서 빛이 굴절돼버리는 상황도 발생한다.

게다가 근처 픽셀에 들어온 빛의 방해를 받을 가능성도 높아진다. 삼성 2억 화소 이미지 센서의 픽셀피치(한 픽셀의 중심에서 다음 픽셀의 중심까지 거리)는 0.56마이크로미터(㎛)다. 기존 센서(0.64마이크로미터)보다 10% 이상 작아졌다. 그만큼 바로 옆 픽셀에 들어온 빛이 본 픽셀의 빛에 간섭할 여지가 커진다.



삼성 신형 센서에는 공기 층이 더해진 펜스가 탑재됐다 (출처 : 삼성)

일반적으로 이미지 센서를 구성하는 포토다이오드 위에는 인접 픽셀의 빛을 막는 울타리 ‘펜스’를 둘러친다. 펜스에 사용되는 소재의 굴절률이 낮을수록 빛이 더 잘 차단되는데, 삼성 2억 화소 센서의 펜스 내부에는 공기 층이 있다. 공기는 어떤 물질보다도 굴절률이 낮기 때문에 빛을 차단하기 용이하다.

포토다이오드에 빛이 닿으면 전하가 축적되는데, 축적되는 전하량을 감지해 빛이 어떤 색을 띠는지 읽어낸다. 그런데 픽셀 크기가 작아지면 저장 가능한 전하량이 줄어 표현할 수 있는 색 범위가 줄어드는 문제가 발생한다. 삼성은 각 픽셀을 격리하는 벽의 두께를 줄이고 포토다이오드를 개량해 기존 센서와 같은 양의 전하를 축적하도록 개선했다.
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