[스마트폰 센서 파헤치기] 초고화질 센서?

최근 출시되는 스마트폰에는 대부분 고화소의 카메라가 탑재되어 있습니다.

12MP(1200만 화소)는 이제 기본이 되었으며 48MP, 64MP, 심지어는 108MP(1억 800만 화소)까지 다양합니다.

 

고화질의 센서를 탑재할 경우 제일 좋은 점이 있습니다. 일단 사진이 매우 선명하게 찍힙니다. 그리고 사진을 촬영한 후 확대해 잘라내어도 비교적 선명한 결과물을 얻을 수 있습니다.

 

하지만 장점만 있을 순 없겠죠.

스마트폰에 들어가는 CMOS 센서들은 크기가 작을 수 밖에 없습니다. 카메라 모듈 안에 넣어야하고, 그 카메라 모듈을 공간활용을 위해 작아야합니다. 센서 크기가 커지면서 모듈도 커지긴 하지만 한계가 있죠. 그러려면 카메라 모듈보다 더 작아야합니다. 어쩔 수 없이 작아집니다.

 

이렇게 되면 많은 화소가 작은 크기에 몰리게 됩니다. 면적 당 소자(화소)의 수를 집적도라고 표현하는데요, 기존과 비슷한 작은 크기의 센서에 화소는 몇 배나 많아졌으니 집적도가 증가할 수 밖에 없습니다.

 

출처 : YK의 Pic 스토리

센서 위에는 빛을 모으기 위한 마이크로렌즈가 있습니다(파란색 육각형). 마이크로렌즈며 화소며 작은 면적에 최대한 밀어넣어야 하다보니 크기가 작아져 각각에 빛이 비교적 적게 모입니다(주황색 삼각형).

 

빛을 모으는 정도를 수광량이라고 합니다. 수광량이 적으면 사진은 자연스레 어둡게 찍힙니다. 밝기를 높이려고 셔터스피드를 늘리거나 ISO 감도를 높일 수 밖에 없고, 노이즈가 증가하게 되는거죠. 이때문에 빛이 부족한 저조도 환경에서는 별로 좋지 못합니다.

 

또한 픽셀이 배가 되었으니 저장했을 때의 용량도 꽤 큽니다. 한 번에 많은 화소를 처리해야 하므로 처리시간도 증가합니다. 촬영 버튼을 누르고 일정 시간이 지나야 저장이 완료되는 이유입니다. 이러면 촬영 중에 조금의 흔들림이라도 발생하면 흔들린 사진이 나올 수 밖에 없습니다.

 

이 단점들을 보완하면서도 기존보다는 좋은 품질을 내기 위해 제조사들은 새로운 기술을 만들었습니다.

64MP

먼저 64MP의 경우입니다. 갤럭시 S20과 S20+에 탑재되어 있습니다.

이 선명한 센서를 메인 렌즈가 아닌 망원 렌즈에 탑재했으며, 이유는 아래에서 자세하게 설명합니다.

 

64MP 센서의 경우 1/1.72" 크기에 6400개가 들어있다 보니 화소 하나가 0.8um(마이크로미터) 크기 밖에 되지 않습니다.

갤럭시 노트10 까지 쓰이던 1/2.55" 12MP 센서도 화소 하나에 1.4um 크기였습니다. 이전에 비해 많이 작아졌죠.

 

이때 발생할 수 있는 단점을 보완하기 위해 제조사는 픽셀 비닝이라는 기술을 적용했습니다.

 

픽셀 비닝이란 고화소 센서의 화소들을 4개 이상 씩 묶어 마치 하나의 화소처럼 동작하도록 하는 기술을 말합니다.

몇 개의 화소를 하나처럼 동작 시킴으로써 수광량을 늘릴 수 있습니다. 선명도는 센서 본래의 고해상도보다 조금 떨어지겠지만 노이즈를 줄여 전반적인 사진의 품질을 향상시킬 수 있습니다.

 

이 중 테트라셀(Tetracell)이란 화소들을 4개씩 묶어 하나처럼 작동시키는 기능을 뜻합니다.

이렇게 하면 마치 1.6um 크기의 화소를 가진 대형 16MP 센서처럼 작동하게 됩니다.

 

세부적인 선명도는 저하하지만 전체적인 사진 품질은 좋아지는 것이죠. 이 기능을 동작하려면 화소 4개를 하나처럼 동시에 처리해야하기 때문에 구현하기 어려운 기술 중에 하나라고 합니다.

그럼 왜 S20, S20+에는 이 센서가 메인으로 들어가지 않은 것일까요?

 

결론부터 말하자면 S20 시리즈에 탑재되어 있는 64MP 센서는 테트라셀을 지원하지 않는 센서입니다.

현재 삼성의 64MP 센서는 ISOCELL Bright GW1(S5KGW1) 과 ISOCELL Multi GW2(S5KGW2) 가 있습니다.

 

GW1은 테트라셀 기능이 적용되어 있고 메인 렌즈로써 사용이 적합합니다.

하지만 GW2는 메인이 아닌 망원 렌즈에 사용하기 위해 만들어진 센서이기에 테트라셀을 지원하지 않습니다.

 

S20, S20+에는 GW2 센서가 탑재되어 있습니다. 대신 메인 렌즈에 12MP 센서를 탑재했는데요. 이전 세대에 탑재되던 1/2.55" 센서보다 커진 1/1.76" 크기의 센서입니다. 화소 하나도 1.8um이나 되는 덕분에 품질도 상당히 향상했습니다.

108MP

다음은 108MP 입니다. 갤럭시 S20 울트라에 탑재되어 있죠.

작년 5월 64MP 센서가 최초로 공개된 후 3개월 만인 8월에 삼성이 모바일 센서 업계 최초로 공개했습니다.

 

현재 두 가지 모델이 공개, 양산중에 있습니다.

 

그 중 첫 번째 버전인 ISOCELL Bright HMX(S5KHMX) 입니다.

1/1.33" 크기에 1억 800만개의 화소가 있습니다. 화소 하나의 크기는 0.8um 입니다.

 

HMX는 이 0.8um 크기의 화소를 테트라셀 기능을 이용해 1.6um 크기의 화소처럼 동작하도록 했습니다.

테트라셀을 적용하면 대형 27MP 센서로 촬영한 듯한 결과물이 나옵니다.

 

그럼 후기 모델인 ISOCELL Bright HM1(S5KHM1)은 어떨까요?

1./1.33"이라는 동일한 크기에 동일하게 1억 800만 화소가 있습니다. 화소 크기 역시 0.8um 입니다.

 

HMX와는 다른점은, 더 발전한 픽셀 비닝 기술을 적용했습니다. 바로 노나셀(Nonacell) 인데요.

기존에 4개 씩 묶었던 것과는 달리 9개 씩 묶어 촬영하는 기능입니다.

 

가로세로 3개씩 묶었기 때문에 1.6um보다 더 큰 2.4um 크기가 되며, 대형 12MP 센서와 같은 결과물을 보여줍니다.

 

크기 차이를 보면 이러합니다. 노란색 네모로 표시된 부분들이 화소 하나입니다. 흰색 격자 한칸이 0.8um입니다.

왼쪽부터 오른쪽으로 각각 0.8, 1.6, 2.4um 크기입니다.

 

크기를 2.4um 까지 키운 덕분에 기존보다 전반적인 품질이 상당히 향상되었습니다.

 

 

저는 특정 상황에서만 64MP, 108MP를 사용하고 일반적인 상황에선 12MP를 이용하는 편입니다.

본인에게 편하고 더 맞는 것을 찾으시면 됩니다. 저는 12MP 사용을 권장드립니다.