[칼린장비쇼] 디지털 카메라 센서 발전사

디지털 카메라 센서 발전사

디지털 카메라 센서가 발전해 왔던 과정 중에 유독 내 이목을 끄는 부분을 살펴봤어.

첫 번째 혁신, 이면조사 센서의 등장.

이면조사는 전면조사 대비 광학소자(Photodiode)를 수광부 가까이 위치시킬 수 있어. 이를 통해 이전보다 더 양호한 신호 대 잡음비(SNR) 및 명암비를 쟁취할 수 있었는데, 일례로 a7m2(전면조사)와 a7m3(이면조사)의 SNR을 비교하면

a7m3에 들어와 SNR18% 수치가 개선됐어. 참고로 SNR18%란 회색(mid tone)에서 SNR을 말해. 이 수치가 높을수록 잡음보다 신호가 풍부하며, 일반적으로 32 이상이면 양호한 품질, 38 이상은 매우 우수한 품질의 사진을 얻을 수 있대.

소니는 2015년 a7R2를 시작으로 이면조사 센서를 자사 카메라에 탑재하고 있어. (몇몇 예외 존재)

두 번째 혁신, 쿼드 베이어 구조. (베이어 : 색상 필터를 발명한 ‘브라이어스 베이어‘에서 유래)

촬영 환경과 목적에 맞추어 픽셀을 달리 활용해. 어두운 곳에서는 4개의 픽셀을 하나로 뭉쳐서 수광량을 확보하고, 밝은 곳에서는 개별 픽셀로 사용하여 고화소를 달성하고.

스마트폰이 아닌 카메라에서는 아직 쿼드베이어센서 기술이 활용된 바를 못 찾았어. 그러나 쿼드베이어 센서가 쓰이긴 했더라? 소니 a7S3, FX3에서 말야.

a7S3 센서를 확대해서 본 모습. 쿼드베이어 구조야. 이 말인 즉 a7S3는 4800만 화소 센서를 쿼드베이어 조합으로 1200만까지 낮춘 것이다.(유효화소 기준) ..기껏 쿼드베이어 구조 센서를 넣어놓고, 그 장점을 하나도 활용하지 않는 소니. 코웃음을 보냅니다.

단, 쿼드베이어 구조라 해서 이론만큼의 효율성은 얻지 못하는 것 같아. 예를 들어 진퉁 1200만 화소 센서를 탑재한 a7S와, 짭(?) 1200만 a7S3 SNR 비교.

2014년에 나온 a7S가 2020년에 나온 a7S3보다 신호비가 우수해.

세 번째 혁신, 적층형 센서.

기존 센서는 모든 정보를 한 층에서 수행하던 것을, 적층형 센서는 층을 분리해서 분업을 이루었어. 이를 통해 블랙아웃 프리(셔터 중간에 화면이 검게 변하는 현상에서 자유), 1/32000초에 달하는 셔터 속도, 플리커 감쇄, 플래시 동조 속도 단축 등의 이점을 얻었어.

다만, AI(코파일럿)는 적층형 센서가 ‘높은 이미지 품질’을 구현했다는데, 나는 이 주장에 동의 못 하겠어. 적층형 센서 특유의 노이즈가 싫어서 기존 센서 카메라를 유지하는 분도 꽤 계셨거든.

그렇다면 왜 적층형 센서가 기존 센서 대비 사진 품질이 좋지 못한 걸까? 이 질문에 대한 추론은 조금 있다 ‘글로벌 셔터 센서’를 언급하면서 풀겠습니다.

네 번째 혁신, 2층 트랜지스터 픽셀 적층 센서.(Exmor T 센서)

소니가 2023년에 엑스페리아 1V를 출시하며 선보인 센서야. 기존 적층형 센서의 분업화를 더욱 강화했지.

기존 적층형 센서는 분업화를 했다지만, 포토다이오드(광학소자)와 붙어있는 트랜지스터(신호증폭소자)는 분리하지 않았어. 그러나 신형 센서는 최상단의 트랜지스터까지 아래층으로 보내고, 대신 수광부 최상단에는 포토다이오드로 가득 채웠지.

이로써 아까 AI님이 말했던 적층형 센서의 장점, 각 층이 전문화된 역할을 수행함으로서 높은 이미지 품질을 진정으로 달성했어. ...안타깝게도 Exmor T 센서는 현재 스마트폰에만 쓰이고 있어.

다섯 번째 혁신. 글로벌 셔터 센서.

글로벌, 동시, 전체. 이전 센서들은 신호를 순차적으로 받아들인 반면, 글로벌 셔터 센서는 신호를 한 방에 받아들이고 처리해. 더 이상 롤링셔터(영상에서 움직이는 사물이 옆으로 눕는 증상)도 없고, 플리커도 없고, 셔터 속도 제한도 없고, 굉장하지!

단 글로벌 셔터 센서는 사진 품질 면에서 아직 만족스럽지 못 해.

이면조사 센서인 a7R3는 말할 것도 없거니와, 적층형 센서인 a1에 비해서도 SNR비, DR(Dynamic Range, 명암비) 등이 딸려. 특히 글로벌 셔터센서를 탑재한 a9m3는 기본 ISO가 250부터 시작하거든? 이때 DR이 12.5스탑에 불과해.

그렇다면 글로벌 셔터 센서는 왜 사진 품질이 좋지 못 한가? AI님에게 물어봤지.

아하! 한 번에 많은 신호를 처리하기 위해서는 더 많은 트랜지스터를 센서에 박아야 하고, 그 만큼 수광량이 감소하구나. 거기에 센서 전체에 전하가 흐르면서 잡음이 올라가고, 열이 발생하고, 이들 걸림돌이 모여 사진 품질을 떨어뜨리는구나. 이 문제는 적층형 센서에서도 유사하게 나타날 거야.

글로벌 셔터 센서의 단점을 극복하기 위해서는 어떻게 해야 할까? ‘2층 트랜지스터 픽셀 적층형 센서’ 기술을 극도로 활용해야 할 것 같아. 되도록 많은 트랜지스터를 아래층으로 집적해야 한다! 그러려면 트랜지스터의 공정 미세화가 필수적이다.

그런데 현재 소니의 현실은 어떠한가? 공정 미세화는 개뿔! 2024년 신상품 a1m2에 4년 전 a1 센서를 그대로 박아 넣었어.

최상층 90나노, 하단층 40나노. 2024년에 TSMC는 3나노를 만들고 있는 판국에, 90나노, 40나노가 말이나 될 소리냐? 4년 동안 소니는 대체 뭐하고 있었나!

연구 했다면서요! 14나노 기술 연구했다면서요!

그나마 다행인 소식, 소니가 TSMC와 협업하여 올해 구마모토 현에 22나노 이미지 센서 공장을 짓기 시작했어.

곧 이어 12나노 생산 공장도 지을 거래. 이 말인 즉, 소니의 환골탈태 센서를 보기 위해서는 앞으로 몇 년을 더 기다려야 한다. 아오! 세계 센서 시장을 주름잡고 있다는 기업의 현주소가 이따위인가!

그런데 내 원망과 달리 소니는 이미지 센서 시장에서 승승장구하고 있어.

2023년 기준 소니는 여전히 센서 시장에서 점유율 1등. 2022년보다 점유율을 소폭 더 올렸어. 압도적이야.

이쯤에서 우리 삼성은 뭐하고 있는 거지? 센서 제조 공정은 삼성이 소니를 앞서거든? 그런데도 삼성이 소니를 추월할 기미조차 보이지 않네. ...생각해 보니 그래. 삼성이 야심차게 내놓은 ISOCELL 센서.

1억 화소, 2억 화소, 화소만 보면 삼성이 세상을 다 씹어 먹을 듯해. 그러나 실상은 5천만 화소 소니 센서에 비해 좋다는 느낌을 받지 못하니까. 이유가 뭘까? 경험 부족? 뻥 화소? 후처리 미달?

그런 의미에서 삼성은 카메라 시장을 포기해선 안 되었다! 시기 다 지나고 나서야 뒷북치는 하소연이다만, 그럼에도 너무나 아쉬워. 기술은 로망으로 발전하는 것을, 삼성은 매출과 이익을 쫓아 카메라 시장을 내팽개쳤으니까, 내 아쉬움에 고 이건희 회장님도 찬동하실 거야. 로망의 경험치는 돈으로 살 수 없다.

안타까움을 달래고자, 삼성의 마지막 카메라, NX1 영상 보며 마무리하겠습니다.

untitled (a1 센서 정보)

Scaling CMOS Image Sensors

Quad Bayer Coding | Image Sensor for Mobile | Technology | Sony Semiconductor Solutions Group

Sony a7S III has a 2×2 pixel binning IMX510 BSI sensor | The Landingfield

Sony A7S vs Sony A7SIII vs

Sony A7 II vs Sony A7 III vs

Sony A1 vs Sony A9 III vs

ソニーセミコンダクタソリューションズ、熊本県にイメージセンサー新工場建設を決定 | TECH+

삼성전자, 소니잡을 결심...'이미지센서' 사업부 통합 - 머니투데이 (2024년 기사)

[강해령의 하이엔드 테크] 삼성은 왜 이미지센서에 17나노 '핀펫' 공정을 도입했을까 | 서울경제 (2021년 기사)

[에이치케이81]

삼성이 마지막 남은 일본의 전자 먹거리인 센서도 꼭 가져오길 기도 합니다.

[풍신의길]

삼성이 힘을 내길 바랍니다!

[sdty]

제가 전문가는 아니지만
이미지센서의 공정은 반도체만큼 작을 필요가 없는것 같아요

오죽하면 국내 점유율 높은 캐논도 주력은 카메라사업이 아니라 사무용 복합기 같은거라
거기달린 스캐너의 이미지센서 가져다가 디카 사업을 하고있다고 욕해도 무방하고(....)
삼성도 굵고 짧게(!)미러리스 팔던시절의 이미지센서 크기는 크롭과 마포급 사이었던걸로 기억하고있고....

근데 삼성은 이 노하우를 갖고서 갤럭시 출시와 함께 스마트폰 카메라 시장에뛰었고
출시당시엔 소니센서 달린 스마트폰하고는 어느정도 대결구도를 하고있었지만
이쪽 시장에선 판매량은 아이폰이 주름잡다 시피하고있고.....

거기다 소니의 글로벌 이미지센서 점유율이 높은건 아마도
디지털 카메라 브랜드를 막론하고 크롭부터 중형까지 크기를 막론한 높은 의존도와
아이폰같은 b2c시장에서의 선전이 아닐까 싶은 생각이 듭니다

[풍신의길]

말씀대로 이미지센서의 공정은 굵직(?)하더군요! 삼성도 65나노를 쓰더군요.
카메라 시장이 안 그래도 작았는데, 갈수록 쪼그라들어서 안타깝습니다. 제가 구매력이 없는 시장에서 최상의 상품을 요구하며 때를 쓰고 있는 것 같습니다.
말씀대로 소니가 카메라, 자동차, 스마트폰 등에 센서를 압도적이리만큼 공급하고 있더군요!