이미지센서 시장 동향과 소니·삼성의 기술 현황

[테크월드=선연수 기자] 

프리미엄 스마트폰을 비롯해 중·저가형 제품에서도 카메라 성능이 중요해지면서 이미지센서 기술 고도화에 대한 요구는 높아져만 가고 있다. 삼성전자는 올해 2월 무려 1억 800만 화소 수의 이미지센서를 탑재한 100배 확대 기능을 제공하는 갤럭시 S20 울트라 제품을 선보인 바 있다. 글로벌 시장에서 이미지센서는 어떤 위치에 있으며, 그중 선두를 달리는 삼성전자와 소니의 기술을 살펴봤다.

CMOS 이미지센서, 10년간 연평균 16.9%의 성장

IC 인사이츠(IC Insights)에 따르면, 올해 CMOS 이미지센서 매출은 총 178억 달러로 떨어질 것으로 예상된다. 2009년 이래로 지속적으로 성장세를 이어오던 CMOS 이미지센서 시장은 올해 코로나19의 영향으로 작년 대비 매출이 4% 감소할 것으로 보인다. 그러나 2021년에는 다시 매출이 15% 증가해 2024년까지 꾸준히 시장 규모를 넓힐 것으로 전망된다.

CMOS 이미지센서는 2009년부터 2019년까지 지난 10년간 45억 달러에서 184억 달러로 연평균 16.9%의 성장을 기록하며 증가해왔다. IC 인사이츠는 같은 기간 마이크로 프로세서는 CAGR 5.9 %, NAND 플래시 메모리는 7.8 %, 광학 외 센서는 10.0 %, 전체 반도체 시장은 연간 3.7 % 증가했다고 비교했다.

CMOS는 등장한 이래 10~15년간은 대부분 휴대폰 카메라 기술로 활용됐다. 그러나 모바일 시장이 포화되기 시작하면서 성장 속도가 둔화되다가, 자율주행, 자동화, 인공지능(AI), 머신 비전, 의료 애플리케이션 등에 이미지센서의 활용이 기대되면서 시장은 다시 빠른 성장 궤도를 유지했다. 주로 제품 사용자의 얼굴을 인식하는 용으로 사용되며, 웨어러블 기기용 카메라, 3D 비디오, 가상현실(VR)·증강현실(AR) 등에 이용된다.

특히, 3D 이미지센서 시장은 자율주행, 스마트폰, 사물인터넷(IoT)과 같은 고도화된 기술 제품에 필수적으로 적용됨으로써 시장 규모가 가파르게 증가할 것으로 예상된다. 더 인사이트 파트너스(The Insight Partners)에 따르면, 3D 이미지센서 시장은 2019년 75억 5000만 달러의 매출을 기록했으며, 올해 매출은 112억 9000만 달러에 이를 것으로 예상된다.

상반기에만 2번 발표, 삼성전자의 맹추격

삼성전자는 이미지센서 기술로 올해 상반기에만 2번의 신제품을 공개했다. 2월에 공개된 ‘아이소셀 브라이트 HM1’과 5월에 발표된 ‘아이소셀 GN1’은 채택하고 있는 기술에도 차이가 있다.

먼저, 아이소셀 브라이트 HM1은 삼성전자의 ‘노나셀(Nonacell)’ 기술이 적용된 제품이다. 노나셀이란 인접한 9개의 픽셀을 3×3 구조로 하나의 큰 픽셀처럼 동작하도록 만드는 기술이다.

0.8㎛ 크기의 작은 픽셀 1억 8백만 개를 1/1.33인치 크기에 구현해, 촬영 환경에 따라 어두울 때는 밝게, 밝을 때는 빛으로 인한 색 날아감을 최소화해 더욱 세밀한 이미지를 구현해낼 수 있다. 여기서 노나(Nona)는 그리스어로 숫자 9를 의미한다.

그러나 9개의 셀과 같이 병합하는 픽셀 수가 많으면 가까운 픽셀 사이에 색상 간섭 현상이 일어나기 쉽다. 이를 방지하기 위해 삼성전자는 픽셀 간 분리막을 만드는 ‘아이소셀 플러스(ISOCELL Plus)’라는 특허 기술을 적용해 간섭현상, 빛 손실, 산란 현상 등을 방지했다고 밝혔다.

1억 8백만 화소를 지원하는 아이소셀 브라이트 HM1은 촬영 피사체를 최대 3배(1200만 화소)까지 확대해도 화질이 저하되지 않는다. 이는 100배 확대 촬영을 지원하는 스마트폰 ‘갤럭시 S20 울트라’에 탑재됐다. 센서는 스마트 ISO(Smart-ISO), 실시간 HDR(High Dynamic Range), 전자식 이미지 흔들림 보정(EIS)와 같은 다양한 기능을 지원한다.

아이소셀 GN1은 한 개의 화소에 포토 다이오드 2개를 배치하는 ‘듀얼 픽셀(Dual Pixel)’ 기술, 4개의 인접 픽셀을 하나로 묶는 ‘테트라셀(Tetracell)’ 기술이 적용됐다.

이 제품은 1.2μm의 비교적 큰 픽셀 면적을 통해 외부의 빛을 더 많이 받아들일 수 있다. 이는 테트라셀 기술로 인한 4배의 감도 상승과 함께 어두운 환경에서도 1250만 화소의 밝고 선명한 이미지를 촬영할 수 있도록 돕는다.

특히, 하나의 픽셀에 듀얼 픽셀이 집적돼 예를 들어 5000만 화소일 경우 1억 개의 포토 다이오드가 받아들이는 빛을 활용해 그에 상응하는 수준의 이미지를 출력할 수 있다. 2개의 포토 다이오드에서 검출된 이미지의 위상차를 분석해 피사체에 정확하고 보다 빠르게 초점을 맞추는 ‘위상검출자동초점(PDAF, Phase Detection Auto-Focus)’ 기능을 제공한다. 이는 축구, 배구와 같은 스포츠 등 역동적인 상황을 사진으로 담아낼 때 선명하게 찍을 수 있도록 해준다.

이미지센서와 AI 칩의 결합, 소니

소니 또한 삼성의 추격에 뒤지지 않고 신제품 ‘IMX990 SWIR 이미지센서’와 ‘IMX500(베어 칩)’을 발표했다. 지난 5월 공개한 IMX500은 인공지능(AI) 기능이 적용됐다는 점이 눈에 띈다. 센서는 픽셀 칩 아래 AI 로직 칩이 통합되는 형태로, 센서의 경우 1230만 화소를 지원한다.

예로, 기존 스마트폰에서는 이미지센서가 포착해낸 데이터를 AI 기술이 적용된 AP 칩이 분석했다면, IMX500는 이미지 데이터의 분석까지 이미지센서에서 해결하는 것이다. 이를 통해 완성품의 부품 공간을 확보할 수 있고 전력도 절감하는 효과를 볼 수 있다.

로직 칩에는 이미지센서의 신호를 처리하기 위한 회로와 함께 DSP(Digital Signal Processor), AI 모델용 메모리가 장착된다. 픽셀 칩에서 넘어온 신호는 ISP(Image Signal Processor)로 처리되고, AI 기술 작업은 로직 칩에서 진행된다. 두 번의 과정을 거친 메타 데이터가 출력돼 처리되는 데이터의 양도 줄게 된다. 즉, 이미지 정보의 출력 과정을 압축하고 줄임으로써 보안성도 우수하다. AI 로직 칩은 3.1밀리초의 빠른 속도로 영상 데이터를 처리해 실시간 피사체 추적에의 활용도 기대된다.

IMX500보다 이틀 전에 발표된 IMX990 SWIR 이미지센서는 육안으로는 보기 어려운 파장을 감지할 수 있어 일반 컨슈머 시장 외 산업용 시장에서의 적용이 기대되는 제품이다. 대각선 길이 8.2mm의 1/2 형 제품은 1340화소를 제공하며, 대각선 길이 4.1mm의 1/4 형 제품 ‘IMX991’은 340화소를 제공한다.

지난 2월에는 프로페시 SA(Prophesee SA)와 함께 매우 작은 1.86μm 픽셀 크기를 갖는 비전 센서를 개발했다고 공개한 바 있다. 이는 1124dB 이상의 HDR 성능을 제공해 작은 크기와 낮은 전력 소모에도 고해상도의 이미지와 빠른 이미지 처리 속도를 구현한다.

- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2020년 8월 호에 게재된 기사입니다.