어릴 적 기억에 SLR(single lens relex) 필름 카메라는 서민들이 편하게 취미로 사용하기보다 사진관에서 전문적으로 사용하는 기기였다. 90년대 들어서 그나마 콤팩트 필름 카메라가 보급되면서 일반인들도 사진을 어느 정도 자유롭게 찍을 수 있었으나, 필름이 우리 손에 사진으로 오기까지는 현상과 인화를 거치는 시간이 소요되는 귀찮은 과정이 필요했다. 당시 일반 사람들은 필름을 조도 환경에 따라 사용하는 이해도가 낮을 뿐더러 일반적으로 사용하는 필름의 저조도 감도가 낮아서 저조도 환경에서 플래쉬가 터져도 흔들리는 사진을 얻기가 일쑤였다. 또한 이 동영상을 촬영하는 것은 또 다른 영역의 기기로 아주 비싼 장비로 받아들여지고 있었다. 그런데 현재 우리가 즐겨 사용하는 스마트폰 속의 카메라는 어떠한가? 이제는 당연히 동영상과 사진이 동시에 지원되며, 언제든지 촬영된 결과물을 바로 확인할 수 있다. 사진의 결과물도 예전의 것들과는 확연하게 다른 우수한 화질을 보여주고 있다. 이렇게 우리 생활 문화까지 바꿔버린 현대 디지털카메라가 가능한 이유는 바로 카메라의 핵심 소자인 이미지 센서를 Si로 만들 수 있으며 센서 제조 기술이 반도체 공정 기술과 지속해서 발전해 왔기 때문이다.

디지털카메라의 태동에는 물리학이 아주 크게 역할을 했다. 처음 상용화된 CCD 센서를 제안한 사람들은 캐나다 물리학자 Willard Boyle과 미국 물리학자 George E. Smith이다. 이후 대중화된 CIS는 픽셀이 다양한 회로로 구성되어 마치 전자공학 분야에서 많은 기여와 발전의 노력을 기울이는 것처럼 보이나, 이 또한 포토다이오드를 가지는 수광 소자가 핵심이다. 더욱이 픽셀 동작의 회로는 처음 제안 때부터 지금까지 변화되지 않고, 단지 수광의 효율을 최대한 높이는 것과 광전 변환을 어떻게 구성할지에 대한 고민과 노력이 있어 왔다. 지금 픽셀은 0.5 μm급까지 축소되어, 가시광의 광학적 분해능 한계까지 와 있으며, 더이상 단순히 픽셀 크기를 줄이는 설계는 이미지 센서로 활용하기 어려울 정도의 특성 저하를 유발할 것으로 보인다.

더 높은 화소 수에서 더 우수한 화질에 대한 인간의 욕구는 끝이 없다고 본다. 이 욕구를 충족하기 위해서는 현재까지의 기술의 재조합이나 단순 고도화의 접근은 크게 유의미한 결과를 기대하기 어렵다고 본다. 이제 물리학에서 나노 광학 영역과 관련하여 다시 한번 실력 발휘를 할 때가 되었다고 생각한다. 나노미터 영역에서 빛을 다루는 새로운 접근, 새로운 광전 변환의 현상, 기존에 알려지지 않은 광학적 현상 등 차세대 이미지 센서를 위한 미지의 문은 분명 존재한다고 본다. 앞으로 누가 먼저 이 문을 찾아내고 그 넘어 응용의 기술을 선점하느냐에 따라 전 세계 이미지 센서 산업의 주도권이 바뀔 것이다.

[객원 책임편집위원 군산대학교 교수 이용제 (tricorn.lee@kunsan.ac.kr)]