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몇 년 전부터 불어 닥친 셀피(Selfie, 셀프 카메라) 열풍은 스마트폰 카메라의 성능을 획기적으로 높여야 하는 과제를 안겼다. 실제로 스마트폰은 그 쓰임새에 있어 사진 촬영이 인터넷 웹서핑과 함께 상당한 활용도를 기록하고 있으며 사용자의 요구사항이 적지 않다. 그동안 크기의 제약으로 인해 CMOS 이미지센서(CIS) 판형이나 적용할 수 있는 렌즈가 아쉬웠으나 기술의 발전으로 디지털일안반사식(DSLR) 카메라 못지않은 성능을 갖추게 됐다.

솔직히 인정할 것은 인정해야 한다. 갖은 방법을 이용해도 사진을 찍을 때 DSLR 카메라보다 스마트폰이 더 좋게 나오기란 쉽지 않다. 자동초점(AF) 속도, 심도, 해상도 등이 엇비슷한 수준까지 올라왔다지만 렌즈를 바꿔가며 사용할 수 있는 DSLR 카메라와는 시작점 자체가 다를 수밖에 없다. 다만 스마트폰으로 사진만 찍는 것인 아니기 때문에 단순 비교가 어렵다는 얘기다. 중요한 것은 스마트폰 카메라가 상당한 수준까지 성능이 올라섰으며 사용자가 제품을 선택하는데 있어 가장 중요한 ‘세일즈 포인트’ 가운데 하나라는 사실이다. 애플 아이폰이나 삼성전자 갤럭시와 같이 글로벌 스마트폰 시장을 쥐락펴락하는 제품이 얼마 전부터 카메라 성능을 무척이나 강조하는 이유도 여기에 있다.

스마트폰 업체는 핵심이 되는 CIS에서부터 성능 강화에 힘을 썼다. 그래서 나온 결과물이 ‘듀얼 픽셀’이다. 듀얼 픽셀은 ‘위상 검출 자동초점(Phase Detection Auto Focus, PDAF)’이 핵심이다. 하나의 화소, 그러니까 한 개의 픽셀에 두 개의 포토다이오드가 내장되어 있다. 일반적인 CIS는 픽셀 하나당 하나의 포토다이오드가 내장된다. CIS에서 포토다이오드는 사람의 눈에서 망막과 같은 역할을 한다. 외부에서 받아들인 빛을 전기적인 신호로 바꿔준다. 따라서 포토다이오드가 늘어나면 더 많은 양의 정보를 처리할 수 있다.

PDAF 기술을 내장한 CIS는 색의 대비(콘트라스트)로 초점을 잡는 기존 제품과 비교해 속도가 월등히 빠르다. PDAF는 렌즈를 통해 들어오는 빛을 한 쌍으로 나누어 위상 차이를 비교함으로써 초점이 맞았는지를 판단해서다. PDAF CIS는 갤럭시S5, 갤럭시노트4, 애플 아이폰6 시리즈부터 탑재되고 있다. 소니도 PDAF CIS를 발 빠르게 개발해 애플에 공급하고 있다. 애플 아이폰6 시리즈에 탑재된 소니의 CIS는 PDAF를 지원하는 제품이었다. 최근 출시된 갤럭시S7을 비롯해 아이폰SE에도 PDAF CIS가 쓰였다. 중국 스마트폰 업계는 갤럭시 및 아이폰6 시리즈를 벤치마킹한 뒤 몇몇 CIS 업체에게 관련 제품 개발 및 공급을 의뢰한 것으로 전해진다. 도시바는 각각 1600만 화소, 2000만 화소의 PDAF CIS를 공식 발표한바 있다. 옴니비전, 온세미컨덕터(압티나) 등도 PDAF CIS를 조만간 개발 완료하고 공급을 시작한다. 특히 CIS 시장에서 치열한 경쟁을 펼치고 있는 삼성전자와 소니는 2016년부터 출시되는 주력 프리미엄 CIS 제품군에 모두 PDAF 기술을 내장한다는 방침을 세운바 있다.

AF 성능이 좋으면 멀리 떨어져있고 움직임이 심한 피사체를 정확히 잡아낼 수 있고 동영상 촬영에도 유리하다. 하지만 스마트폰, 태블릿과 같은 스마트 기기에 쓰이는 CIS는 카메라와 달리 크기의 제약이 심하다. 따라서 판형(크기)을 키우지 않고 성능을 향상시키기 위해서는 CIS 설계 자체를 근본적으로 바꿔야 한다. 물론 판형이 작으면 작을수록 AF가 빨라진다는 장점이 있으나 픽셀 사이의 간섭으로 인해 노이즈가 발생, 화소수가 높아지면 노이즈가 그만큼 커진다. 듀얼 픽셀은 판형을 그대로 유지하면서 AF는 물론 화질을 한층 강화할 수 있는 방법이라고 볼 수 있다.

소니 엑스모어RS는 실리콘관통전극(Through Silicon Via, TSV)을 이용해 이미지 시그널 프로세서(ISP)와 CIS를 하나로 통합했다. CIS는 90나노 공정을 적용한 후면조사형(BackSide Illumination, BSI)에 5개의 금속층(구리), ISP는 65나노 공정에 7개의 금속층(구리 6개, 알루미늄 1개)로 이루어져 있다. 삼성전자 듀얼 픽셀 아이소셀도 소니와 마찬가지로 TSV를 적극적으로 이용했다. CIS는 65나노 공정, ISP는 28나노 공정이다.

업계에서는 스마트폰 카메라 성능이 중요한 차별화 포인트로 떠오른 상황이어서 CIS 시장이 한층 확대될 것으로 전망하고 있다. 시장조사업체 테크노시스템즈리서치(TSR)에 따르면 2014년 기준 소니는 CIS 시장점유율 39.5%로 독보적 1위 자리를 고수했다. 2위는 옴니비전으로 16.2%, 다음으로 삼성전자가 15.7%를 각각 기록했다.

<이수환 기자>shulee@insightsemicon.com