[대한민국 희망프로젝트]<660>CMOS 이미지센서

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업계 최초 노나셀 기술을 적용한 삼성의 신규 이미지센서 아이소셀 브라이트 HM1<사진=삼성전자>
<업계 최초 노나셀 기술을 적용한 삼성의 신규 이미지센서 아이소셀 브라이트 HM1<사진=삼성전자>>

카메라 없는 스마트폰은 상상할 수 없는 시대입니다. 근사하게 차려입은 날 스마트폰으로 사진을 찍어서 소셜네트워크서비스(SNS)에 올리기도 하고, 소중한 순간을 이미지로 저장해뒀다가 생각날 때마다 꺼내보는 건 아주 자연스러운 현상이죠.

제조사들은 커다란 덩치의 디지털일안반사식(DSLR) 카메라를 대신할 수 있는 고성능 스마트폰 카메라 기술 개발에 매진하고 있습니다. '멀티 카메라'라는 말처럼 2개 이상 카메라를 스마트폰에 탑재해서 고성능 카메라를 구현하거나, 최근에는 1억배 줌까지 가능한 카메라까지 등장했지요.

이런 스마트폰 카메라가 제대로 작동되기 위해서 반드시 필요한 칩이 있습니다. 바로 기기 속 칩에서 빛을 가장 먼저 받아들이는 '상보형 금속산화(CMOS) 이미지센서'입니다. 모바일 기기 카메라 필수 요소인 CMOS 이미지 센서의 원리와 발전 모습을 알아보겠습니다.

Q:CMOS 이미지 센서란 무엇인가요?

이미지센서 원리. <사진=삼성전자 뉴스룸>
<이미지센서 원리. <사진=삼성전자 뉴스룸>>

A:CMOS 이미지 센서는 스마트폰 카메라의 '눈' 역할을 합니다. 우리가 눈 없이는 사물을 볼 수 없는 것처럼, 이 칩이 없다면 사진 촬영이 불가능하다고 해도 과언이 아닙니다.

우리가 사물을 볼 수 있는 이유는 빛 때문입니다. 물체에서 빛이 반사돼 눈으로 들어와 사물을 보는 원리인데요. 모바일 기기도 마찬가지입니다. 사진을 촬영할 때 물체에서 빛이 반사돼 카메라 렌즈로 들어오는데, 이 때 가장 처음으로 마주하게 되는 것이 CMOS 이미지 센서입니다.

스마트폰 안에서는 렌즈를 타고 들어온 빛을 그대로 저장할 수 없기 때문에 CMOS 이미지센서는 이 빛을 '0'과 '1'로 구성된 디지털 신호로 바꿔주는 역할을 합니다. 이 신호는 바로 뒤에 붙어 있는 이미지신호처리장치(ISP)로 전달돼 다듬어지고, 곧바로 스마트폰 화면에 띄워지거나 저장됩니다.

조금 더 깊게 들어가면 이미지센서는 CMOS 방식 이외에도 전하결합소자(CCD) 방식 칩이 있습니다. CCD 이미지센서는 사진 속 잔상(노이즈)이 CMOS 이미지센서보다 적다는 장점이 있습니다. 그러나 가격 경쟁력이나 소비 전력, 기기 소형화 면에서 CMOS 이미지센서가 상당한 우위를 가지고 있습니다. 스마트폰 카메라에 CMOS 이미지센서가 채택되는 중요한 이유지요.

Q:스마트폰에만 CMOS 이미지센서가 쓰이는 건가요?

A:CMOS 이미지센서 활용도는 무궁무진합니다. 왜냐하면 산업 전반에서 '이미지' 중요성은 상당히 중요해지고 있기 때문입니다. 특히 인공지능(AI) 분야에서 이미지 센서 기능은 반드시 필요합니다. IT 기기가 사물을 인식하기 위해서 카메라와 이미지센서가 반드시 달려 있어야 하니까요. 여러분이 쓰고 있는 태블릿 PC나 노트북 PC 외에도 냉장고, TV, 로봇청소기 등 사물을 인지하는 스마트 가전에 이미지센서가 장착돼 있습니다.

모든 생활 기기가 네트워크로 연결되는 사물인터넷(IoT) 시대 핵심 칩이기도 하지요.

자동차에도 점차 이미지 센서 장착이 늘어날 전망입니다. 자율주행 기능이 강화되고 있어서인데요. 도로를 주행하면서 마주하게 되는 환경에 즉각적으로 대응하기 위해 신뢰도 높은 이미지 센서와 ISP가 개발되는 추세입니다.

Q:CMOS 이미지센서 기술을 구현할 수 있는 대표적인 반도체 회사는 어디가 있나요?

세계 이미지센서 시장 규모. <자료=IC인사이츠>
<세계 이미지센서 시장 규모. <자료=IC인사이츠>>

A:세계 이미지센서 점유율의 49%를 차지하고 있는 회사는 일본의 소니입니다. 애플의 아이폰 카메라, 중국 화웨이 스마트폰 대부분에 소니 이미지센서가 쓰이고 있습니다.

그 뒤를 바짝 쫓아가고 있는 회사가 삼성전자입니다. 삼성전자 점유율은 18%로 소니와의 격차가 꽤 벌어져 있지만 최근 다양한 고화소 제품을 출시하면서 '멀티 카메라' 시대에 대응하고 있습니다.

이미지센서 회사별 점유율. 매출 기준. <자료=TSR>
<이미지센서 회사별 점유율. 매출 기준. <자료=TSR>>

최근 삼성은 이미지의 가장 작은 단위인 '픽셀'을 1억개 이상으로 구성한 고화소 이미지 센서를 출시했습니다. 고화소로 인해 발생하는 노이즈를 줄이는 기술을 차근차근 내놓으면서 기술을 보완하고 있습니다. 앞으로 6억화소 이상 이미지센서를 개발하겠다는 의지도 있습니다.

이외에도 SK하이닉스, 옴니비전, 온세미컨덕터 등 회사들이 커져 가는 이미지센서 시장에서 영향력을 확보하기 위해 기술 연구에 힘쓰고 있습니다.

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필자는 지식정보화 사회를 도구의 관점에서 '규석기 시대'로 정의하고 있다. 규석으로 만들어진 반도체를 도구로 사용하는 시대이기 때문이다. 비주얼 반도체 교본으로 소개한 이 책은 전문용어, 교과서적인 기술 대신 쉽고 편한 글, 가능한 많은 사진과 도표를 넣어 반도체에 관심이 있는 누구나 쉽고 빠르게 반도체를 이해할 수 있도록 했다.

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스마트폰으로도 멋지게 사진 찍는 법을 소개하는 책이다. DSLR 카메라, 미러리스 카메라 등과 비교해도 손색없는 성능을 자랑하는 스마트폰 카메라를 소개한다. 독자에게 스마트폰을 활용해 개성 있는 구도로 사진을 촬영할 수 있는 방법을 소개한다.

강해령기자 kang@etnews.com