“깜깜한 밤에 네 얼굴 딱 찍혔어”…버려진 ‘빛’ 모으는 삼성 신비의 기술

최신 스마트폰 광고를 보면 가장 많이 강조하는 부분이 ‘카메라 성능’이다. 다른 기능들에 비해 소비자들이 가장 직관적으로 성능 향상을 체감할 수 있는 부분이기 때문이다.

더 작고 얇은 기기에 고성능의 카메라를 집어넣기 위해선 반도체의 한 종류인 모바일용 ‘이미지 센서’의 성능이 중요해진다. 지금까지의 이미지 센서 성능은 화소(픽셀)수 경쟁에 치우쳐있었다. 같은 면적의 이미지 센서에 더 많은 픽셀을 집어넣으면 필연 적으로 픽셀 하나하나의 크기는 작아진다. 그러다보니 1개 픽셀의 감도가 점점 낮아지고 픽셀 간 간섭으로 화질이 뭉개지는 문제가 발생했다. 빛이 모자란 곳에서 스마트폰으로 사진을 찍으면 사진이 예쁘게 찍히지 않는 것이 이런 이유 때문이다.

삼성전자는 이같은 문제를 해결할 방법의 하나로 ‘나노프리즘’ 기술을 개발했다. 나노프리즘은 기존의 ‘마이크로 렌즈’ 방식을 대체하는 기술이다.

이미지 센서는 카메라 렌즈를 통과한 빛이 ‘마이크로 렌즈’와 ‘컬러 필터’를 순서대로 통과한 뒤 ‘픽셀’에 도착하는 구조다. 컬러 필터는 3원색(적·녹·청) 중 한 가지 색깔의 빛만 통과시켜 픽셀로 보낸다. 픽셀은 빛의 강약은 구분할 수 있지만 색상을 구분하진 못하기 때문이다. 각각 적·녹·청의 빛을 받아들인 픽셀은 인접한 픽셀들이 받아들인 색상 정보를 분석해 전체 색상을 계산해낸다. 달리 말하면 적·녹·청이 섞여 있는 원래의 빛이 컬러 필터를 통과하면서 원래 빛이 갖고 있던 색상의 3분의 1만 도착한다는 뜻이다.

나노프리즘은 마이크로렌즈 대신 나노스케일 구조의 프리즘을 두어 적·녹·청의 빛이 각 컬러에 맞는 픽셀을 향할 수 있도록 최적화된 광경로를 설정한다. 예를들어 적색 컬러 필터와 맞물려 있는 픽셀이 예전과 달리 주변의 다른 픽셀 방향으로 들어온 적색광 일부를 받아들일 수 있게 된 셈이다.

삼성전자는 “기존에는 색깔이 맞지 않아 없어지던 빛을, 빛의 굴절과 분산 특성을 이용해 인접한 픽셀로 보내 각각의 픽셀이 받아들이는 빛의 양을 늘린 것”이라며 “나노프리즘 기술을 통해 기존 마이크로렌즈 구조 대비 픽셀이 더 많은 빛을 받아들일 수 있게 되었으며 픽셀이 작아짐으로써 생겼던 고민인 감도 감소를 개선할 수 있었다”고 설명했다.

기존 마이크로렌즈 기술과 삼성전자가 개발한 나노프리즘 기술 비교

나노프리즘 기술을 활용한 이미지 센서는 더 많은 빛을 받아들일 수 있기 때문에 어두운 환경에서 더 밝고 선명한 사진 촬영을 할 수 있다. 삼성전자 관계자는 “실제로 나노프리즘이 적용된 삼성전자의 ‘아이소셀 JNP’는 동일 사양의 전작인 아이소셀 JN5 대비 감도가 25% 향상됐다”고 밝혔다.

나노프리즘 기술은 픽셀에 수십 나노미터 (nm) 크기의 정교하고 복잡한 구조물을 구현해야 가능한 기술이다. 삼성전자는 새로운 기술 구현을 위해 이에 특화된 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정 및 저온공정을 새로 개발했고, TDMS (Thermal Desorption Mass Spectrometry) 기법 등 특수 기술과 방법도 도입했다.

나노프리즘이 적용된 아이소셀 JNP는 올해부터 양산에 들어갔으며 지난 5월 샤오미가 출시한 ‘CIVI5 Pro’ 모델이 삼성전자의 나노프리즘 이미지 센서를 채택한 것으로 알려졌다.