스마트폰 카메라의 핵심 BSI CMOS Image Sensor

2000년대 초반 제 기억엔 2003년 피쳐폰에 카메라가 적용되기 시작하면서 CMOS Image Sensor의 비약적인 기술발전과 제조업체는 시장의 지배적 위치를 차지하기 위해 치열한 경쟁이 시작 되었습니다. 그로부터 20여년 가까이 시간이 지난 지금 모바일 카메라 모듈의 핵심인 이미지 센서는 어떻게 변했을 까요? 왜 이렇게 바뀌게 되었는지 알아 보겠습니다.

피쳐폰 시절엔 초창기 카메라의 최대 화소가 VGA(640x480) 였습니다. 그당시 시장의 강자는 하이닉스 였습니다. 가성비가 좋은 이미지 센서이고 경쟁력 있는 피쳐폰 제조사가 대한민국에 여럿 있었기 때문에 엄청난 마켓쉐어를 차지하며 CMOS Image Sensor의 강자로 급부상 했습니다. 카메라폰의 시장이 열리기 시작하니 카메라의 화소 경쟁에 불이 붙기 시작합니다. 그 과정에서 하이닉스의 이미지 센서 부분은 매그나칩 반도체로 분사되고 마이크론, 옴니비젼 등 여러 이미지센서 업체들의 치열한 경쟁의 결과로 시장의 이미지 센서 업체 서열이 재편됩니다. 마이크론이 시장의 강자로 군림하고 2M, 3M, 5M, 메모리 용량이 증가하듯이 이미지 센서의 화소가 급격히 높아집니다. 

센서의 화소를 높이는 것은 결국 카메라 모듈이 적용되는 모바일 디바이스(피쳐폰,스마트폰)가 가진 공간적인 제약 사항을 극복해야 했습니다. 쉽게 말하면 카메라 모듈이 들어갈 수 있는 크기는 정해져 있기 때문에 이미지 센서의 크기는 커지지 않으면서 화소수만 높아져야 시장에서 채택되었습니다. 같은 면적에 점점 더 많은 화소를 넣으려면 화소1개의 크기가 점점더 작아져야 합니다. 화소1개를 작게 만들려면 이미지 센서를 만드는 새로운 장비가 필요하게 됩니다. 흔히 반도체에서 90나노, 10나노, 4나노 공정 이렇게 말하는 미세 패턴을 구현할 수 있는 새로운 장비를 사용해야 화소1개를 점점 더 작게 만들 수 있습니다. 결국엔 경쟁의 승자가 되려면 돈이 있어야 하고 카메라폰 시장이 메모리 시장에 비하면 파이가 너무 작았기 때문에 메모리 공정에서 쓰던 철지난 장비를 사용하여 이미지 센서를 생산하거나 이미지 센서만 생산하는 업체는 고가의 반도체 공정장비에 무작정 투자하기는 어려웠습니다. 

8M화소가 시장에 대중화되고 13M화소가 막 시장에 출시될 시기에 결국은 화소크기를 더이상 작게 만드는게 의미가 있는 건지 문제에 직면하게 됩니다. 화소가 너무 작아지니 빛이 들어오는 양이 적어지게 됩니다. 빛의 양이 적어지니 사진은 어두워 질 수 밖에 없는데 이전에 출시된 카메라폰의 사진과 밝기는 동등수준으로 맞춰야 하기 때문에 결국엔 디지털 게인을 써서 어두운 사진을 밝게 만들게 됩니다. 그러면 노이즈까지 함께 커지게 되고 노이즈가 많으니 노이즈 제거를 위한 추가 영상처리를 하게되고 최종 사진은 밝기는 동등해 졌지면 선명하지 않은 사진이 됩니다. 많이 논란이 되는 수채화현상이 발생하는 겁니다. 그래서 13M화소의 카메라인데 8M화소보다 좋은지 모르겠다는 평가를 받으면서 더이상 화소를 작게 만드는게 의미가 없다는 분위기가 형성되어 이제 화소경쟁은 끝나고 화질 경쟁으로 간다는 분위기 였습니다. 화질을 개선하는 가장 쉬운 방법은 다시 화소를 키우는 것인데 이미지 센서가 커지는 것은 모바일 디바이스에서는 허용이 안되니 모든 이미지센서 업체가 맨붕이었습니다. 

그러나 위기를 극복하면 기회가 되는것 처럼 Sony가 디카(똑딱이)용 센서에서 개발한 기술을 모바일 CMOS Image Sensor에 적용하여 모바일 시장에 출사표를 던지며 갑자기 등장하게 됩니다. 그 기술이 바로 BSI(Back Side Illumination)입니다. 소니가 BSI 센서를 들고 나오기 전에는 모두 FSI(Front Side Illumination) 방식이 업계 표준이었습니다. 사실 BSI가 나오기 전에는 FSI라는 용어도 없었죠. 아래 그림처럼 센서 구조를 반대로 뒤집어서 센서에 도달하는 빛의 양을 늘린 센서 입니다. 이렇게 하면 작은 화소에서도 다시 밝은 사진을 얻을 수 있으니 노이즈 제거를 위한 영상처리를 덜 하게 되고 화질이 좋은 사진을 찍을 수 있게 됩니다. BSI sensor가 나오면서 시장은 급격히 BSI 구조로 변화하게 됩니다. 현재는 모바일 카메라는 100% BSI sensor가 적용되고 있습니다.

    FSI sensor                                BSI sensor

FSI sensor image                              BSI sensor image

                                                                                                                이미지출처 : zdnet.co.kr

BSI sensor가 모바일 카메라 시장의 표준 센서로 자리 잡은 이후 다시 화소경쟁에 불이 붙었습니다. 최근에는 108M 카메라가 적용된 스마트폰이 출시 되었고, 스마트폰 한대에 기본으로 4개의 카메라 최대 6개까지 나왔네요. BSI 센서부터는 제조공정의 난이도가 높아지고 규모의 경제를 가질수 있는 업체 위주로 이미지 센서 시장의 강자가 재편 되었습니다. 삼성LSI 와 Sony 양강이 센서 시장을 장악하고 있습니다. 업체마다 고유의 기술과 노하우가 있어야 하지만 결국엔 자금력과 공정장비 싸움이죠. 반도체 시장처럼 되어가고 있습니다. 막대한 투자가 필요하고 그것을 실행할 수 있어야 살아남게 되고 모바일 뿐만아니라 앞으로는 IoT, 로봇, 자율주행 등등 Image sensor의 사용처는 폭발적으로 늘어 나고 있으니 몇년 후에는 메모리 시장의 규모를 추월할 지도 모르는 일입니다.