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2019년 스마트폰의 카메라 신기술. 48MP 초고화소 CMOS 센서.

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스마트폰 카메라 센서 기술을 선도하는 양대 회사는 소니와 삼성 두 회사입니다.

스마트폰 센서를 공급하는 회사들은 많지만, 중고가 이상 스마트폰 제품에 채용하는 센서를 기준으로 보면 두회사의 점유율은 큰차이가 없습니다.

물론 전체 스마트폰 센서 시장을 놓고 본다면 소니는 여전히 삼성을 압도하고 있습니다. 거의 두배의 점유율 차이가 납니다.

그만큼 다양한 센서 제품군을 보유하고 있고, 전체적인 센서 기술력은 전반적으로 소니가 우세합니다.

기술 개발 속도도 미세하지만 소니가 확실히 앞서가고 있습니다.


전체 점유율로 보면 소니가 40%, 삼성이 20% 선이지만

압도적인 자체 스마트폰 판매량과 브랜드 브랜드 파워를 기반으로 삼성전자가 바짝 추격을 하고 있는 쪽에 가깝습니다.

특히 작년부터 비메모리 반도체 투자를 늘리기로 한 삼성의 추격 속도가 무서울 정도로 빠릅니다.

CMOS 이미지 센서 투자 및 생산 용량을 대폭 늘리고 있어 카메라용 센서 기술력과 제품군에 있어서 세계 1위인 소니가 긴장하지 않을 수 없습니다.


2018년 7월 소니는 세계 최초로 4800만 화소 스마트폰용 CMOS 카메라 센서를 발표합니다.

모델명은 IMX586.


저조도 환경에서의 노이즈 개선 기술과 함께 4800만라는 현존 최고 화소를 제공해 기술 격차를 한단계 벌리게 됩니다.

샘플샷 화질은 고화소인 만큼 확실히 눈에띌 정도로 많이 개선되었고, 48MP 화소를 12MP로  촬영해서 픽셀당 센서 면적을 4배로 늘리는 방식으로 수광율을 올리는 쿼드베이어 기술로 저조도 노이즈도 개선을 했습니다.

수광 면적을 4배로 늘렸다는 표현이 좀 애매한데, 같은 센서 크기일 경우 12MP짜리 기존 CMOS센서와 결국 면적이 같아지는 것이기 때문에 수광면적이 늘어난 것이라고 보기는 어렵습니다. 결국 저조도 노이즈 개선과 더 선명한 화질은 48MP로 찍은 것과 비교를 했을 때는 말하는 것이지 기존 12MP 센서와의 비교는 아닙니다.


소니 쿼드베이어 기술



아울러 이런 픽셀 병합 방식으로 노이즈와 화질을 개선하는 방식은 그동안에도 소프트웨어적으로 구현을 해왔기 때문에 크게 획기적인 것은 아닙니다.


이 48MP 소니 센서는 바로 화웨이의 스마트폰 신모델인 노바4에 적용어 작년 12월 출시됩니다.


화웨이 노바4



소니의 48MP 센서 발표 2달 후 삼성도 아이소셀 브라이트 48MP 센서를 내놓으면서 소니를 추격합니다.

한동안 소니의 압승일 줄 알았던 프리미엄급 스마트폰용 48MP CMOS 센서 시장은 다시 근소한 추격적으로 변합니다.

모델명은 GM1.




올해초 나온 샤오미 신모델인 홍미노트7에 채택되었고, 갤럭시 S10 시리즈에도 채택될 것이 확실합니다.

삼성은 48MP GM1외에 32MP GD1도 함께 발표를 해서 투트랙 전략으로 차별화를 합니다.

GD1 모델은 아마도 중가형 폰에 적용될 가능성이 큽니다.

GM1과 GD1은 동일한 센서이고 GM1에서 다이크기를 작게 잘라낸 작은 버전이 GD1입니다.




* 아이소셀은 센서 픽셀의 수광율을 높이는 기술입니다. 저조도 야간샷 화질 개선 및 노이즈 감소에 효과가 있습니다. 정확하게는 후지의 기술이 삼성 센서에 적용된 것이고, 센서 픽셀 사이를 격벽 구조로 막아 센서 셀로 들어온 빛이 옆의 셀로 퍼지는 것을 막아주는 기술입니다. 

개선된 아이소셀 플러스에서는 포토다이오드에 더해 상단 컬러 필터에까지 격벽 구조를 더하면서 수광율이 더욱 개선되었습니다. 아이소셀 플러스의 경우 일반 센서대비 15% 수광율 및 화질 개선이 있는 것으로 알려지고 있습니다.

48MP 고화소에서는 노이즈 문제가 가장 큰 문제가 되기 때문에 아이소셀 기술은 고화소 스마트폰 센서에서 중요한 역할을 하게됩니다.


삼성 아이소셀 기술




현재까지 알려진 바로는 소니의 IMX586과 삼성의 GM1중 소니의 IMX586이 전체적인 고화소 화질이 다소 좋은 것으로 알려져 있습니다.

뒤에서 설명하겠지만 센서 기술의 차이로 인해 근본적인 차이가 생기게 됩니다.


센서사이즈 1/2인치(픽셀 크기 0.8미크론)로 동일

조리개 값도 f1.8 로 동일.


동영상 촬영의 경우 소니 IMX586의 최대 성능은 4K 모드일 때 최대 90프레임/초, 1,080P에서는 최대 240프레임/초, 720P 모드에서는 최대 480프레임/초까지 촬영할 수 있는 것으로 알려졌고 삼성 GM1은 아직 정확한 수치가 나오지 않았지만 다소 떨어지는 것으로 보입니다.

다만 이것은 어디까지나 센서의 최대 스펙이고 카메라 모듈로 양산하고, 스마트폰에 적용하면서 여러가지 다운 스펙이 될 것으로 보입니다.


동영상 촬영 성능은 스마트폰 AP의 성능에 크게 좌우되기 때문에 AP 성능이 떨어지는 중가폰 이하에서는 4K 30fps, 또는 1080p 120fps 로 최대치가 제한될 것으로 보입니다.

홍미노트7의 경우 48MP센서를 사용하지만 1080p에 120fps가 최대 동영상 스펙입니다. 센서 스펙상으로는 4K 30fps도 지원가능 하지만 여러가지 한계가 있어서 제외되었을 것으로 보이고, OIS도 지원하지 않고 있습니다. 센서 자체가 다운스펙은 아니겠지만, 카메라 모듈에서 OIS가 제외된 저가버전 모듈을 사용한 것으로 보입니다.




4개의 센서 픽셀을 하나로 합쳐 하나의 이미지 픽셀에 대응하는 화질 향상 및 노이즈 감소 기술도 두센서 모두 제공합니다. 

소니는 이 기술을 쿼드베이어 컬러 필터 기술이라고 부르는데, 소니와 삼성의 48MP센서의 결정적인 차이점이 여기서 나오게 됩니다.


소니의 IMX586 은 베이어 패턴을 쓰는 전형적인 카메라 센서 기술로 48MP를 만들어냅니다.

RGGB 2X2 베이어 패턴으로 48MP를 달성했기 때문에 하드웨어 스펙이 48MP 이고 센서에서 출력하는 이미지 데이터도 48MP 입니다. 

최종적으로는 별도의 소프트웨어적인 재생성 작업 없이 1:1로 48MP 이미지가 저장됩니다.


삼성의 GM1 센서는 근본적으로는 12MP 센서입니다.

4X4 베이어 패턴으로 하드웨어에서는 12MP로 데이터가 나오게 되고, 이 데이터를 소프트웨어적인 보간 작업으로 48MP로 최종 이미지를 생성하게 됩니다.

인접한 4개의 픽셀이 같은 컬러필터로 한가지 색상만을 읽을 수 있고 48MP를 생성하는 과정은 소프트웨어적인 보간을 통해 만듭니다.



샤오미의 홍미노트7 발표 당시 삼성의 GM1 48MP 센서 기술을 설명한 화면



그림을 보면 삼성의 GM1 센서는 인접한 4개의 인접 픽셀이 같은 색상만을 받아들입니다. 즉, 갤럭시 S9에 쓰인 12MP 센서를 개선한 센서에 소프트웨어적인 보간작업을 통해 48MP를 만들어내게 됩니다. 아이소셀 기술로 인해 저조도 노이즈는 소니의 것보다 더 나을 수 있겠지만, 이걸 진정한 48MP라고 봐야할지는 조금 애매해지는 구석이 있습니다.

동일한 색상 필터를 가지는 2X2 픽셀 사이에 아이소셀 기술을 적용했다면 하드웨어 48MP라고 주장할 수 있고, 시장에서도 수긍하겠지만, 그게 아니면 12MP 센서를 급하게 48MP로 늘리기 위한 꼼수를 썼다는 비난을 피하기는 어려워 보입니다.



샤오미도 홍미노트7에서는 삼성의 GM1을 썼지만, 윗급인 홍미노트7 프로에서는 소니의 IMX586을 채용하면서 확실히 급을 나누었습니다.

AP도 스냅드래곤675로 올리면서 4K 30fps 이상 촬영을 지원할 것으로 예상됩니다.



아울러 최종적으로는 48MP 사진 결과물에서도 소니의 센서가 해상력이 조금 더 좋을 것으로 보입니다.

삼성의 48MP 방식이 화질 개선이 없는 것은 아닙니다. 

고화소에 따르는 화질 개선은 있겠지만, 기술적 차이로 인해 선예도나 해상력에서는 소니의 센서가 조금더 유리할 것으로 보입니다.


반대로 저화소나 저조도 환경에서는 소니의 것보다 삼성의 것이 조금더 유리한 위치에 서게 됩니다.

아이소셀 기술로 인해 저조도에서는 확실히 유리한데다, 하드웨어 12MP 출력이기 때문에 넒은 센서면적의 네이티브 데이터를 그대로 저장하게 되기 때문입니다.


소니의 센서가 전형적인 베이어 패턴을 썼고, 삼성의 것이 소프트웨어 보간을 이용한 꼼수라고 어느쪽이 절대적으로 우위에 있지는 않습니다. 스마트폰이라는 제한된 크기에서 카메라 화질을 올리는 기술적인 구현방법의 차이가 있는 것이고, 장단점이 있기 때문입니다. 

소니의 센서가 쿼드베이어 기술로 12MP 저노이즈 고화질을 만들어낸다고 하지만, 저광량 환경에서는 뭘 어떻게 해도 삼성의 센서 방식이 더 유리할 수밖에 없습니다.

거기다 아이소셀 기술로 인해 수광량에 있어서는 삼성의 센서가 우위에 있을 수밖에 없습니다.

48MP의 조금더 나은 주간 촬영 해상력을 원한다면 소니의 센서가 유리할 것이고, 괜찮은 48MP에 더 나은 저조도 촬영 결과를 더 원한다면 삼성의 센서가 더 유리할 것입니다.



소니의 IMX586 48MP 해상력 향상 사진 샘플



거기에 더해 삼성의 48MP 방식은 가격적인 부분에서 소니의 것보다 더 우위에 있을 수 있습니다. 

구조적으로 12MP 생산 프로세스를 그대로 활용할 여지가 있고 수율도 더 높을 것으로 보이기 때문입니다.

소니의 IMX586 센서는 개당 납품가가 23$ 정도로 알려지고 있습니다.

아마도 삼성의 GM1은 이보다는 저렴할 것으로 보입니다.


애플의 아이폰도 신모델에서는 소니나 삼성의 48MP 센서중 하나를 채택할 것으로 보입니다.

고가폰 전략을 쓰는 애플의 특성상 조금이라도 더 낳은 화질과 동영상을 뽑아줄 소니 센서를 채택할 가능성이 조금 더 높기는 합니다.



4800만 화소는 올해 시장에 나오는 중가폰 이상 스마트폰의 필수 요소가 될 것으로 보입니다.

스마트폰에서 48MP는 오버스펙이라는 회의론자들의 말은 곧 공허한 메아리로 사라지고 더 많은 저장공간을 필요로하는 더 비싼 스마트폰을 기꺼이 구매해줄 대기열이 길게 줄 서있기 때문입니다.


이미 가성비의 샤오미가 중저가폰인 홍미노트에 48MP 카메라를 적용한 마당에 이보다 윗급인 프리미엄 스마트폰 제조사들에게 선택의 여지는 없습니다.

뒤를 돌아보는 순간 소비자들의 외면을 받을 것이라는 것은 이미 정해져 있습니다.


확실히 개선된 고화소 사진을 보는 만족감은 최소2배에서 최대4개까지 커질 JPG 이미지 파일 크기로 인해 부족해진 저장공간이 사용자들을 압박하기 전까지 신형 스마트폰에 최고의 만족감을 줄 것이 확실합니다.


비싼 삼성폰 대신 홍미노트7이라도 사야할지를 고민하게 만들고 있기 때문입니다.

90만원이나 주고 산 내 갤럭시S9은 한달 후면 석기시대의 유산이 되서 박물관 앞에 대기열을 타게될 것입니다.


이미 충분히 오버스펙인 구입한지 1년도 안된 스마트폰을 놔두고 48MP 센서가 달린 신형 스마트폰을 사야하는지 고민하는 모습은

흡사 DSLR 카메라 기변병에 걸려 중환자실을 헤메던 때를 딱 연상시킵니다.


48MP 고화소 스마트폰 카메라가 본격적으로 보급되면서 똑딱이 카메라들은 점점더 설자리를 잃게 될 것입니다.

아랫급 카메라 시장은 점점더 쪼그라들 것이고, 전문가용, 또는 사용하는 용도가 점점더 제한되는 시장으로 남게될 것입니다.


결국 CMOS 센서 시장의 주요 매출은 스마트폰에서 나오게되는 시장이 연출될 것이고

미러리스 카메라 시장에서 과감히 철수한 삼성의 판단은 결국 옳았던 것으로 결론이 나고 있습니다.


시간이 조금더 지나면 삼성은 소니를 따라잡게 될 것입니다.

특히 스마트폰 센서쪽에서 압도적이었던 소니의 점유율과 기술은 1-2년안에 삼성과 비슷한 수준이 될 것입니다.

거기에 더해 스마트폰 광학줌 분야에서 독보적인 기술을 가진 이스라엘 코어포토닉스를 인수하면서 스마트폰 카메라 기술을 한단계 끌어올릴 수 있는 원천 기술과 특허를 확보했습니다. 

삼성은 스마트폰 카메라 센서를 포함한 전체 카메라 모듈 기술 경쟁에서 소니에 우위에 설 준비를 차곡차곡 하고 있습니다.


소니는 반도체 공정기술로는 삼성을 이길 수 없습니다. 

공정기술은 곧 센서의 가격경쟁력이 되고, 소니의 싸움은 그만큼 힘든 싸움이 될것입니다.

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