스마트폰 이미지 센서 고화소 경쟁, 화질·편의 모두 잡는다

[IT동아 차주경 기자] 스마트폰 카메라의 고화소 경쟁이 벌어졌다. 주요 이미지 센서 제조사가 1억 화소를 넘어 2억 화소 이미지 센서를 속속 선보이는 덕분이다. 이미지 센서의 화소 수가 많아지면 빛을 받아들이는 효율이 줄어들고, 전기 신호 변환 과정에서 간섭과 노이즈가 생겨 성능이 오히려 떨어지는 일이 잦다. 업계는 이미지 센서에 여러 기술을 도입해 화소 수와 함께 화질, 편의 기능 모두를 더 좋게 만든다.

삼성전자가 스마트폰 카메라의 고화소 경쟁을 이끌었다. 2019년 업계 최초로 1억 800만 화소 이미지 센서 아이소셀 브라이트 HMX을 출시했다. 이 이미지 센서의 면적은 1/1.33인치로, 화소 하나당 크기는 0.8um(마이크로미터, 100만분의 1m 크기)에 불과하다. 화소 크기가 작지만, 위상차 자동 초점 기능을 품을 정도로 성능은 높다.

이어 삼성전자는 2021년 2억 화소 이미지 센서 아이소셀 HP1을 공개한다. 화소의 크기를 0.64um으로 더 줄여 1/1.22인치 이미지 센서에 2억 화소를 담았다. 화소 4개 혹은 16개를 뭉쳐 화소 1개처럼 사용, 빛을 받아들이는 효율을 높여 고화질을 표현하는 카멜레온 셀 기술도 업계 최초로 개발해 적용했다.

그러자 미국 옴니비전이 맞불을 놨다. 올 초 CES 2022에서 2억 화소 이미지 센서 OVB0B를 공개한 것. 이 이미지 센서의 크기는 1/1.28인치, 화소 크기는 0.61um로 삼성전자 아이소셀 HP1보다 작다. 화소 16개를 뭉쳐 하나처럼 사용해 빛을 받아들이는 효율을 높이는 16셀 비닝, 자동 초점 화소의 상하좌우 화소까지 활용해 위상차 자동 초점을 잡는 쿼드 위상차 자동 초점 등 편의 기능도 갖춰 주목 받았다.

옴니비전에 맞서 삼성전자는 6월, 2억 화소 이미지 센서인 아이소셀 HP3를 공개했다. 화소의 크기를 0.56um으로 더욱 줄여 1/1.4인치 이미지 센서에 2억 화소를 담았다. 화소 하나하나가 자동 초점 모듈 역할을 해, 화면 안 어느 곳이든 빠르고 정확하게 초점을 조절하는 슈퍼 쿼드 위상차 자동 초점 기능도 갖췄다.

8K 동영상 촬영 시 화각이 좁아지는 고화소 이미지 센서와 다르게, 삼성전자 아이소셀 HP3는 화각 변화 없이 화면 그대로 8K 동영상을 담는 장점도 가졌다. 저·중·고감도를 합성해 화면의 밝기와 화질을 균일하게 높이는 스마트 ISO 프로, 다른 고화소 이미지 센서보다 풍부한 14비트 색 재현 능력도 갖췄다.

이미지 센서 시장 최강자, 소니도 스마트폰 카메라용 1억 화소 이미지 센서를 연구 개발 중인 것으로 알려졌다. 업계에 따르면, 소니의 1억 화소 이미지 센서의 크기는 1/1.49인치가 될 전망이다. 삼성전자나 옴니비전처럼 화소 면적을 줄이는 것이 아니라, 이미지 센서 크기를 정하고 거기에 1억 화소를 집적하는 셈이다. 그러면 화소 크기를 넓혀 빛을 받아들이는 효율을 높이기 쉽다.

이미지 센서의 화소 수가 곧 고화질로 이어지는 것은 아니다. 이미지 센서의 면적은 정해졌는데, 여기에 많은 화소를 집적하려면 화소의 크기를 줄여야 한다. 그러면 빛을 받아들이는 효율이 낮아진다. 화소와 화소 사이 거리가 짧아 화소가 빛을 받아들일 때 빛과 색의 간섭이 생기기도 한다. 그러면 자연스레 색을 잘못 표현하거나 빛을 모두 받아들이지 못해 화질이 떨어진다. 전기 회로 구성 문제로 울긋불긋한 노이즈가 끼기도 했다. 빛이 부족한 환경에서는 이들 단점이 더 크게 나타났다.

스마트폰 이미지 센서 제조사는 이들 단점을 기술로 극복했다. 화소 크기를 줄인 후 배열 구조를 최적화, 빛을 잘 받아들이도록 설계했다. 빛을 받아들이는 렌즈 성능을 높이고 화소와 화소 사이에 장벽을 세워 빛 간섭도 막았다. 빛이 부족한 환경에서는 화소 여러 개를 묶어 화소 하나처럼 활용하는 방식으로 밝고 선명한 사진을 담도록 했다.

고화소 이미지 센서의 기술이 꾸준히 발전하면 스마트폰 카메라의 화질과 편의는 더욱 좋아질 전망이다. 고화소 사진의 일부를 잘라내면 화질 저하 없이 확대 효과를 내는 광학 줌을 재현 가능하다. 8K 동영상 촬영 기능이 보편화되며, 전자식 흔들림 보정 기능의 효과도 더욱 강력해질 전망이다. 동영상을 찍을 때 상하좌우에 여유 화소를 설정하고 이 화소에 담긴 정보를 활용해 흔들림을 줄이는 원리다.

시장조사기업 스트래티지애널리틱스는 “스마트폰 제조사들은 고화소 이미지 센서를 차별화 요소로 낙점했다. 1억 개 이상의 화소 수를 가진 스마트폰 이미지 센서 출하량은 2022년에만 4,000만 개를 넘어설 것으로 전망한다.”고 밝혔다.

글 / IT동아 차주경(racingcar@itdonga.com)