모바일 카메라 모듈의 구성은?

모바일 카메라 모듈은 어떤 부품들로 이루어져 있을까? 

지난 포스팅에 카메라 모듈의 핵심부품인 image sensor에 대해 알아 보았습니다. 스마트폰에 요즘은 기본 서너개씩 들어가고 많게는 6~7개까지 들어가는 (이건 좀 선을 넘고 있는건 아닌가? 싶은) 카메라 모듈에 대해 알아보겠습니다. 초창기 피쳐폰에 들어가던 카메라기능은 그냥 사진이 찍힌다는 것으로도 차별화 되었기에 오토포커스나 손떨림방지(OIS), 조리개, 줌 등등 기존 카메라가 가지고 있던 기능들이 아무 것도 없었습니다. 그냥 찍히면 끝! 그러니 FF(Fixed Focus)면 그만 이었습니다. 현재는 앞에 나열한 기능들이 거의 다 들어가 있죠. 앞으로는 카메라 모듈의 하드웨어 적인 기술 발전 보다는 소프트웨어 기술이 중요한 computational imaging이 모바일 카메라의 기술을 선도해 갈 것이라 생각 됩니다. computational imaging은 준비하여 다음에 따로 포스팅 할 기회를 가져보겠습니다. 이번 포스팅은 카메라 기능을 어떻게 축소하여 모바일 카메라 모듈에 구현했는지 하드웨어 위주로 알아 보겠습니다.

모바일 카메라 모듈의 일반적 구성

                                                                                                                            이미지지 출처 :  insightsolutionsglobal.com

모바일 카메라 모듈의 하드웨어 구성은 위의 그림에서 크게 벗어나지 않습니다. 사람의 눈으로 치면 망막의 시세포에 해당하는 이미지 센서가 있어야 합니다. 이미지 센서가 보통 카메라 모듈에서 가장 비싼 부품입니다. 주로 갑같은 을에서 만들기 때문에 어찌 할 수 없는 부품이기도 합니다. 삼성LSI, Sony, 옴니비전, SK하이닉스가 시장의 주요 플레이어들 입니다.

그 다음으로 비싼 부품이 렌즈모듈입니다. 특수 기능을 가지고 있는 카메라 모듈이라면 액츄에이터가 렌즈보다 비싼경우도 있죠. 렌즈 모듈은 사람으로 치면 눈의 수정체 이고 빛을 모아 이미지 센서면에 상이 맺혀지게 하는 부품입니다. 고화소로 갈수록 렌즈 모듈에 들어가는 렌즈의 갯수도 늘어나게 됩니다. 렌즈의 f값도 낮아지고 수차도 개선해야 하므로 비구면 렌즈도 쓰이고 경우에 따라서는 글라스 렌즈나 렌즈는 아니지만 줌을 구현하려면 광학소자로 프리즘이 필요하기도 합니다. 렌즈 배럴이라고 부르는 검정색 통에 1번 렌즈를 넣고 스페이서 넣고 2번 렌즈 넣고 또 스페이서 넣고 계속해서 렌즈와 스페이서를 차곡 차곡 쌓아 올립니다. 마지막 렌즈를 넣고 나서는 그 위에 백링을 넣고 에폭시로 고정시켜 배럴에 차곡차곡 넣은 렌즈와 스페이서가 빠지지 않도록 고정합니다. 정교한 작업으로 사람이 손으로 하기 힘들죠 다 자동화 되어 있습니다.(초창기엔 사람이 조립했습니다.) 조립이 완료된 렌즈 모듈은 해상력 검사 까지 장비에서 자동으로 하고 있습니다. Largan, Sunny, 세코닉스 등이 주요 업체입니다. 1,2위 업체가 시장의 상당 부분을 나눠먹고 있죠.

세번째로 비싼 부품이 액츄에이터 입니다. 위의 그림에서는 AF motor라고 표기 되어 있습니다. 액츄에이터는 기능에 따라 AF 액츄에이터가 될수도 있고 OIS+AF 액츄에이터, Zoom 액츄에이터, IRIS+OIS+AF 액츄에이터가 될수도 있습니다. FF(Fixed Focus)의 경우에는 액츄에이터가 아니고 그냥 사출 Holder가 됩니다. 액츄에이터는 렌즈 모듈과 결합되어 이미지 센서면에 최적의 초점을 맺을 수 있도록 렌즈 모듈을 상황에 따라 상,하,좌,우,앞,뒤로 움직여 주는 역할을 합니다. 액츄에이터는 주로 VCM(Voice Coil Motor)방식이 사용되고 있으며, 베어링을 사용하는 액츄에이터도 있고, 피에조 소자를 쓰기도 하고, 형상기억 합금을 이용하기도 합니다. 액츄에이터는 복잡한 구조로 인해 자동화 라인을 구성하려면 특정 모델의 액츄에이터 생산 수량이 대량이 아니면 장비 투자금액을 감당할 수 없기 때문에 대부분 수작업으로 생산합니다. 스마트폰 모델마다 또는 렌즈의 사양에 따라 액츄에이터의 크기나 렌즈배럴과 조립되는 액츄에이터의 보빈이 달라지기 때문에 액츄에이터 생산 수량이 자동화 장비를 투자할 정도로 커지는 것은 애플 아이폰에 적용되는 부품이 아니라면 어렵겠죠. 삼성전기, 미네비아미쯔미, 알프스 등이 주요 업체 입니다.

그 다음은 IRCF(IR Cut Filter) 입니다. 모바일 카메라 모듈은 주로 사진을 찍는 용도이기 때문에 사람이 눈으로 보는 영역인 가시광 파장을 기록하게 됩니다. 적외선 영역은 사람눈에는 안보이지만 우리 주변에 많이 존재하고 있죠. 전열기구나 백열전구 같은 붉은 색 광원에서는 엄청난 양의 적외선이 나오게 됩니다. IRCF 가 없으면 상황에 따라 엄청나게 들어오는 적외선 때문에 사진의 색감이 사람의 눈으로 보는것과 완전히 다른 사진이 됩니다. 그래서 사람이 볼수 없는 적외선 영역은 IRCF로 차단하는 것이죠. IRCF에는 반사형과 흡수형으로 나눌수 있고 반사형은 말그대로 적외선을 반사시켜서 차단하는데 일부 적외선이 센서까지 도달하여 사진에 영향을 미미하게 줄 수 있고 흡수형은 필터 내부로 적외선을 흡수해 버려 사진에 주는 영향이 반사형 보다 적습니다. 흡수형 필터를 블루필터라고 부르기도 합니다. 국내업체는 옵트론텍이 있으며 대만이나 중국에 업체들이 있습니다.  

센서와 액츄에이터 수동소자들을 전기적으로 연결시키는 기판은 주로 FPCB를 사용합니다. 특정 업체는 세라믹 기판을 사용하기도 합니다. 카메라 모듈을 만드는 공정에 따라 CoB(Chip on Board) 공정에서는 FPCB를 사용하고, Flip Chip공정을 사용하면 세라믹 기판을 사용하게 됩니다. 

위에서 설명한 부품들을 잘 조립하면 모바일 카메라 모듈이 됩니다. 장난감 조립하듯이 부품을 끼워넣으면 끝나는 간단한 조립은 아닙니다. 광학부품이기 때문에 취급이 어렵고 이물관리가 반도체 제조공정처럼 되지 않으면 카메라 모듈 조립이 불가능 합니다. 거의 모든 부품의 결합이 에폭시로 이루어지고 성능을 물리적 한계까지 밀어붙인 렌즈이기 때문에 이미지 센서와 광축을 맞춰 중앙부터 코너까지 모두 균일한 해상력이 나오도록 잘 조립하는게 모듈생산 업체의 기술력입니다. 비싼 카메라 모듈 불량나면 그냥 폐기해야 하니까요. 모바일 카메라 모듈은 조립이 끝나야 화상검사를 할수 있고 조립이 끝났다는 얘기는 모든 부품들이 에폭시로 붙어 있다는 것이기 때문에 불량 모듈을 재작업 해서 살려내기 불가능 하다는 얘기입니다. 재작업 해봐야 에폭시 분리하다 다 부서지기 때문에 그냥 폐기 하는게 비용이 더 적습니다. 이런 특성이 있기 때문에 공정 관리 능력이 없는 업체는 경쟁력이 없죠. LG이노텍, 삼성전기, Sunny 등이 모바일 카메라의 주요 업체입니다. LG이노텍은 애플이 주요 납품처 이고, 삼성전기는 삼성무선사에 Sunny는 중국 주요 폰메이커에 납품하고 있습니다. 

끝으로 위에서 설명한 카메라 모듈은 단지 모듈일뿐 일반적으로 생각하는 카메라가 아니라는 것입니다. 무슨 말인지 어리둥절 할 수 도 있겠지만 대부분의 사용자가 카메라라고 부르는 카메라는 결국 사진이나 동영상이 찍혀서 저장되고 눈으로 볼 수 있다는 의미로 카메라라고 부르는 거죠. 모바일 카메라 모듈이라고 부르는 이유는 카메라에 들어가는 부품이라는 의미로 '모듈'이란 단어가 붙어 있습니다. 결국엔 스마트폰에 카메라 모듈이 조립이 되어야 진정한 카메라로 부를 수 있습니다. 카메라 모듈은 bayer image를 출력하는 카메라의 부품입니다. bayer image는 일반적 의미의 사진이 아닌 사진이 될수 있는 디지털 데이터에 불과하죠. 이 디지털 데이터가 스마트폰의 AP에서 이미지 프로세싱을 거쳐야 사람이 눈으로 볼 수 있는 사진 또는 동영상이 되는 거죠. 이러한 원리를 모르면 카메라 모듈의 하드웨어 스펙이 사진 또는 동영상의 화질을 결정하는 전부라고 판단하는 오류를 범하게 됩니다. 서두에도 언급했던 computational imaging에 포함되는 이미지 프로세싱이 얼마나 강력한 역할을 하는지는 추후에 따로 포스팅 하겠습니다.