최신 스마트폰의 대부분은 기기 본체의 나머지 부분에서 눈에 띄는 두께의 카메라 모듈을 자랑합니다. 그럼에도 불구하고 이러한 눈에 띄는 돌출부에도 불구하고 이러한 장치는 전체적으로 상당히 얇고 이전 제품의 성능을 몇 년 능가하는 고품질 이미지와 비디오 영상을 캡처할 수 있습니다.
휴대용 사진의 등장으로 2000년대 초반에는 포인트 앤 슛 카메라와 같은 두꺼운 장치를 사용해야 했습니다. 그러나 기술의 발전으로 두께가 0.5인치 이하에 불과한 기기에도 고품질 이미징 기능을 통합할 수 있게 되었습니다. 이는 적층형 이미지 센서의 통합을 통해 이루어졌으며, 이를 통해 뛰어난 성능을 유지하면서 더욱 컴팩트하고 효율적인 설계가 가능해졌습니다.
디지털 사진의 이해
아날로그 카메라와 디지털 카메라는 이미지를 기록하는 메커니즘에서 차이가 있습니다. 아날로그 카메라는 감광성 소재로 만든 필름을 사용하여 사진을 촬영하는 반면, 디지털 카메라는 사진의 각 개별 픽셀에 해당하는 센서의 작은 부분 내에서 빛 정보를 캡처하는 픽셀이있는 전자 센서에 의존합니다.
오늘날의 스마트폰은 기존의 CCD(전하 결합 소자) 이미지 센서 대신 CMOS(상보형 금속 산화막 반도체) 이미지 센서를 사용합니다. 따라서 여기에서는 모바일 장치에서 CMOS 센서의 기능에 대해 자세히 설명합니다.
CMOS(상보형 금속-산화막-반도체) 센서는 몇 가지 필수 구성 요소로 구성되며, 그 중 포토 다이오드가 중추적인 역할을 합니다. 광 다이오드는 빛에 노출되면 전기 신호를 생성하고, 이 신호는 다이오드에 근접한 곳에 위치한 트랜지스터에 의해 포착 및 증폭됩니다. 이 과정에는 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환한 다음 추가 처리를 위해 전자 회로로 전송하는 과정이 포함됩니다.
앞서 언급한 회로는 정보를 디코딩하여 무수히 많은 다른 픽셀 값과 함께 이미지 신호 프로세서로 전송하여 궁극적으로 최종 이미지를 생성하는 역할을 합니다.
휴대폰 카메라의 초기
2008년 이전까지만 해도 CMOS 이미지 센서는 설계에 있어 중대한 도전에 직면해 있었습니다. 특히, 포토 다이오드에서 이미징 신호 프로세서(ISP)로 픽셀 데이터를 전송하는 데 필요한 전도성 경로가 센서 칩의 포토 다이오드와 렌즈 사이를 직접 통과했기 때문에 들어오는 빛의 양이 감소하는 결과를 초래했습니다.이 레이아웃은 빛에 매우 민감한 CCD 센서의 설계에도 활용되었지만, CMOS 센서의 경우 이러한 배열로 인해 이미지가 더 어둡고 노이즈가 많으며 선명도가 떨어졌습니다.
전기 인터커넥트 위에 포토다이오드를 배치하는 BSI 센서를 구현한 결과, 빛에 대한 노출이 증가하여 이미지 품질이 향상되었습니다. 전면 조명을 사용하는 기존 센서와 달리 이 방식을 후면 조명이라고 합니다.
이미지 크레디트: Cmglee/Wikimedia Commons
스마트폰에서 후면 조명(BSI) 센서의 활용은 iPhone 4의 등장으로 보편화되었으며, 이는 모바일 사진에서 Apple이 두각을 나타낼 수 있는 기반을 마련했습니다. 오늘날에는 거의 모든 스마트폰 카메라에 BSI 센서가 탑재되어 있습니다.
적층형 센서로 사진 품질 향상 및 크기 감소
와이어 제거에도 불구하고 CMOS 센서에 대한 개선의 기회는 여전히 남아있었습니다. 특히 포토 다이오드를 포함하는 트랜지스터 데이터 처리를 담당하는 회로는 개선이 필요한 영역으로 판명되었습니다. 결과적으로 각 픽셀에 떨어지는 조명의 약 절반이 광선을 전혀 받지 않는 센서 영역으로 향했습니다.
이미지 출처: 소니
2012년 최초의 적층형 CMOS 센서가 출시되면서 디지털 이미징 분야는 크게 발전했습니다. 이 혁신적인 디자인은 다이오드 아래에 회로를 배치하여 포토다이오드를 회로로 둘러싸는 기존의 방식을 대체했습니다. 이 기술의 통합으로 이미지 품질이 향상되었을 뿐만 아니라 센서에 구조적 강성을 제공하여 추가적인 기판이 필요하지 않게 되었습니다. 소니 및 기타 적응 형 제조업체와 같은 회사의 지속적인 개선 노력의 결과로 후속 세대의 센서는 점점 더 얇아져 더 얇은 스마트 폰 개발이 용이 해졌습니다.
더 많은 스태킹은 어떨까요?
광 검출기의 상위 레이어는 빛을 포착하는 구성 요소로만 구성될 것이라고 생각하는 것이 일반적이지만 반드시 그렇지는 않습니다.
트랜지스터는 포토 다이오드 영역 내에서 상당한 공간을 차지하여 빛을 포착하는 능력을 더욱 제한합니다. 이 문제를 해결하기 위한 한 가지 잠재적 해결책은 적층 기술을 통해 포토다이오드 구조의 레이어 수를 늘리는 것입니다.
이전 엔지니어들이 이를 달성한 바 있습니다.2017년 소니는 포토다이오드와 관련 회로 사이에 RAM이 탑재된 카메라 센서를 공개하여 960FPS의 고속 비디오 레코딩을 가능하게 했습니다. 이 개념을 구현하는 데는 기존 센서 부품을 활용하는 것만으로도 충분했습니다.
포토다이오드는 센서의 정점에 위치하여 신호 캡처 및 저장을 담당하는 유일한 구성 요소로 단독으로 서 있습니다. 그 결과 캡처된 신호의 잠재적 크기가 두 배로 크게 증폭되었습니다.
픽셀당 빛 정보의 양이 증가하면 사진의 기본 원리인 이미지 디테일이 향상됩니다.
용량을 두 배로 늘린 트랜지스터를 통합하면 전기 신호를 포토 다이오드에서 디지털 정보로 보다 효율적으로 변환할 수 있습니다. 이러한 혁신은 이미지 노이즈를 최소화하여 사진의 전반적인 품질을 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
더 밝은 미래를 위한 적층형 센서
포토다이오드와 트랜지스터를 한 층에 구성하는 단일 적층형 센서의 활용은 꽤 오랫동안 널리 사용되어 왔습니다. 그러나 각 구성 요소에 대해 별도의 레이어를 갖춘 이중 적층 센서는 비교적 새로운 기술입니다. 이러한 유형의 센서는 주로 전문가용 카메라 모델에 사용되며, 이러한 센서를 통합하고 2023년 5월에 이 기술을 자랑하는 선구적인 모바일 장치로 출시된 소니 엑스페리아 1 V가 예외적인 경우입니다.
스택형 센서의 구현을 포함한 모바일 사진의 발전은 이 기술이 아직 개발 초기 단계에 있음을 나타냅니다. 추가 개선의 가능성은 스마트폰 카메라 기능의 유망한 미래, 더 정확하게는 더 생생한 이미지 품질을 시사합니다.