일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2023.6.27

스마트폰 카메라, 초 진화
한계가 임박한 이미지 센서의 미세화
삼성도 소니에 이어 대형화를 할까?

현재 스마트폰에서 가장 큰 차별화 요인은 카메라다. 그리고 카메라의 심장부인 이미지 센서에서는, 1위 소니 그룹(이하, 소니G)과 2위 한국 삼성전자가 점유율 획득을 위해 격렬한 불꽃을 튀기고 있다.

2017년에는 금액 점유율에서 소니G이 42%, 삼성전자가 20%로 22% 차이가 났지만 2021년에는 소니G의 39%에 대해 삼성전자가 22%로, 그 차이를 17%까지 좁혔다. 앞으로도 점유율 획득을 위해 격렬한 추격을 보일 것이다.

삼성전자가 소니G의 이미지 센서에 대항하기 위한 무기로 삼는 것이 화소의 미세화, 즉 많은 화소수였다. 18년 이후, 매년 신제품을 쏟아내며 이제는 2억 화소까지 육박했다. 많은 화소수는 마케팅 워드로서 유저에게 큰 영향을 미친다. 상품 페이지에서도 최초로 화소수를 기재했고, 2억 화소라는 숫자는 유저에 대한 세일즈 포인트로서 인상 깊다. 2026년에는 6억 화소 제품을 투입할 계획이다.

이에 대항하는 소니G은 화소의 미세화 경쟁에서 거리를 둔다. 삼성전자의 최소 화소 크기는 0.56µm인데 반해 소니G이 23년 6월 15일에 발표한 모바일용 신브랜드 ‘LYTIA’의 제1탄인 ‘LYT500’의 화소 크기는 0.6µm, 화소수는 5,000만 화소다.

화소수는 어느 정도의 수준에 맞추고, 센서 사이즈의 대형화나 센서의 성능 향상을 추진하고 있다. 22년에는 스마트폰용으로는 세계 최초의 1형 센서 ‘IMX989’를 발표했다.

센서 사이즈의 대형화를 통해 포화 전자수를 개선하고, 다이내믹 레인지를 넓힐 수 있다. 모바일용 1형 센서는 현재 소니가 시장을 이끌고 있으며, 주로 중국 업체의 플래그십 모델에서 채택되고 있다.

2023년 5월 11일에는 ‘2층 트랜지스터 화소 적층형’을 처음 채택한 ‘Xperia 1V’를 발표했다. 2층 트랜지스터 화소 적층형은 트랜지스터 사이즈를 크게 함으로써 노이즈 특성을 개선했으며, 애플리케이션 프로세서의 계산 능력과의 조합을 통해, 어두운 곳에서의 정지화면 풀사이즈와 동등한 저소음 촬영을 할 수 있다고 한다.

소니G이 화소수 경쟁에서 거리를 두는 이유는, 화소를 줄이면 고화질 그림이나 디지털 줌에서 화질 열화가 잘 발생하지 않는다는 장점이 있지만 광감도(Light Sensitivity)가 떨어진다는 단점도 있기 때문일 것이다. 하지만 그 외에도 삼성전자가 반도체 미세화 기술에 강하다는 점도 간과할 수 없을 것이다.

삼성전자는 직접 최첨단 반도체 공장을 운영하며, 현재는 3nm 세대 반도체를 양산하는 실력을 갖고 있다. 이러한 반도체 프로세스에서 쌓은 노하우를 이미지 센서로 전용함으로써 미세 화소를 실현하고 있는 것으로 보인다.

-- 소문난 미세화의 한계 --
미세화는 삼성전자가 자랑하는 기술이지만 한계도 제기되고 있다. 빛은 입자이기도 하고 파동이기도 하다. 렌즈를 통과한 빛은 파동의 성질 때문에 회절 현상이 발생한다. 이 결과, 빛은 1점에 결상되지 않고 원형으로 퍼진 강도 분포를 갖는다.

원형으로 확대되는 강도 중에 중심의 가장 강도가 높은 부분을 ‘에어리 원반(Airy Disk)’이라고 부른다. 이미지 센서는 빛 강도가 강한 에어리 원반 내의 빛을 집광해야 한다. 에어리 원반보다 바깥쪽 빛은 강도가 약하기 때문이다.

물체를 식별하기 위한 해상한계(Resolution Limit)는 에어리 원반의 반경에 의해 결정된다. 2개의 다른 광점이 만드는 형상을 생각해 보자. 두 광점이 만든 형상은 회절의 영향으로 원형으로 퍼지면서 원형상(円形像)이 된다.

2개의 원형상이 충분히 떨어져 있는 경우에는 강도의 산이 2개 생기기 때문에 분리가 가능하다. 2개의 원형상이 가까워지고 원형상의 중심 사이 거리가 에어리 원반의 반경과 같아지면 분리는 어려워지고, 이곳이 해상한계가 된다.

삼성전자의 '갤럭시 S23 울트라'를 예로 화소 피치와 에어리 원반 반경을 계산해 보자. 갤럭시 S23 울트라는 메인 카메라 화소 크기가 0.6µm, F값이 1.7이다. 파장 550nm 빛의 에어리 원반 반경은 1.14µm이며, 베이어 배열의 화소 피치 1.2µm는 에어리 원반 반경보다 크기 때문에 2광원을 식별할 수 있다.

하지만 화소 크기가 0.54µm가 되면, 화소 피치가 1.08µm로 에어리 원반 반경보다 작아 식별 한계를 맞게 된다. 이런 배경 때문에 미세화의 한계가 가까워지고 있다고 보는 것이다.

-- 대형화가 다음 트렌드 --
삼성전자가 내세우고 있는 6억 화소를 실현하기 위해서는 미세화를 더욱 추구하는 것보다 센서 사이즈를 늘려 미세 화소를 펼치는 것이 실현성은 높을 것이다. 그런 이유로 삼성전자도 1형 센서 시장에 참전할 것으로 보인다.

모바일 시장은 IMX989 등장을 계기로 1형 센서를 채택하는 모델이 늘고 있어 시장 성장을 기대할 수 있다. 미세 기술에 강한 삼성과 신규 구조를 속속 개발하고 있는 소니가 동일한 1형 센서 시장에서 경쟁함으로써 센서 진화는 더욱 가속화될 것으로 기대된다.

소니는 25년에 이미지 센서의 시장 점유율 60%를 목표로 하고 있다. 삼성전자도 30년까지 점유율 30% 이상을 목표로 하고 있다. 소니는 지난 5년간 이미지 센서에 1조엔 이상을 투자했지만 글로벌 경쟁에서 이기기 위해 지금까지와는 차원이 다른 투자도 고려하고 있다.

삼성전자도 생산 능력 증강을 위해 자사의 D램 생산라인을 이미지 센서 생산라인으로 변경했다. 세계 3위 파운드리 사업자인 대만의 UMC와도 제휴했다. 23년부터 삼성전자는 이미지 센서를 양산할 예정이다. 앞으로도 치열한 점유율 싸움은 계속될 것 같다.

 -- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei XTECH] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.