[DEEP BYTE] 스마트폰 안에는 뭐가 들었을까?

[DEEP BYTE] 스마트폰 안에는 뭐가 들었을까?

'스마트한' 기기인 스마트폰은 어떻게 그 작은 몸집으로 다양한 기능들을 구현할 수 있는지, 핵심 부품들을 토대로 이야기를 풀어보려 합니다.

🐶  JAY
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최근 스마트폰 시장에서의 경쟁이 뜨겁습니다. 삼성전자는 얼마 전 올해 상반기 플래그십 스마트폰인 '갤럭시 S22' 시리즈를 공개하며 인기몰이에 나서고 있는데요. 지난해 하반기 내놓은 새로운 폼팩터 'Z FLIP3'도 흥행에 성공하며 업계에 '폴더블 스마트폰 열풍'을 몰고 오기도 했죠. 새로운 폼팩터의 흥행에 애플과 중국 스마트폰 업체들은 물론, 구글 같은 빅테크 기업들도 폴더블폰 출시를 준비하고 있다는 이야기까지 나오고 있습니다.

이번 주 BYTE+에서는 점점 경쟁이 치열해지고 있는 스마트폰 시장에 대해 자세히 알아보려 하는데요. 한국의 삼성전자와 미국의 애플, 그리고 중국의 오포, 비보, 샤오미까지 점유율 확대를 위해 사투를 벌이고 있는 가운데, 전 세계 스마트폰 시장의 구조는 어떤지, 최근 유행으로 자리매김한 폴더블폰의 원리는 무엇인지, 또, 스마트폰 열풍을 몰고 온 애플의 향후 전략은 무엇인지 들여다보려 합니다.

월: 스마트폰 안에는 뭐가 들었을까?
화: 요즘 스마트폰 대세는 이것! 폴더블폰
수: 글로벌 스마트폰 시장의 구조는?
목: 애플, 아이폰 다음은 무엇일까?


스마트폰의 '스펙'을 결정하는 하드웨어

스마트폰은 우리의 일상과 가장 가까운 첨단기기 중 하나입니다. 스마트폰 하나에만 초고집적 반도체부터 폴더블 디스플레이, 고성능 카메라, 그리고 인공지능까지 최첨단 기술들이 전부 활용되고 있기 때문인데요. 스마트폰이 업그레이드되면서 반도체, 디스플레이, 카메라 기술 역시 함께 고도화되는 것을 보면, 스마트폰의 발전이 스마트폰에 들어가는 부품 시장의 발전을 이끌고 있다고 해도 과언이 아니겠죠.

오늘 <DEEP BYTE>에서는 최첨단 기술의 집합체인 스마트폰이 어떻게 구성되어 있는지를 하드웨어를 중심으로 살펴보려 하는데요. 전화 통화와 인터넷 검색, 사진·동영상 촬영, 그리고 게임까지 가능한, 그야말로 '스마트한' 기기인 스마트폰은 어떻게 그 작은 몸집으로 이 모든 기능들을 구현할 수 있는지, 핵심 부품들을 토대로 이야기를 풀어보려 합니다.

흔히 스마트폰에는 700~1,000여개의 부품이 들어간다고 하는데요. 진동을 가능하게 해주는 진동 모터부터, NFC와 무선 충전을 가능하게 해주는 코일, 그리고 스마트폰의 본체 역할을 하는 케이스까지 정말 다양한 부품들이 있죠. 하지만 이 부품들 중 가장 핵심적인 역할을 하는 부품은 단연 반도체(AP), 카메라, 디스플레이 그리고 배터리입니다.

아이폰13 울트라의 분해도. 왼쪽에서 두 번째인 배터리가 스마트폰에서 가장 많은 공간을 차지하는 것을 확인할 수 있습니다. 그 외에 카메라와 각종 반도체 칩들이 들어가죠.[출처: UnitedLex]

스마트폰의 '두뇌', 반도체(AP)

사진 속 아이폰에서 A15라고 쓰여있는 칩이 바로 컴퓨터의 두뇌, AP에 해당합니다. [출처:ifixit]

사실 반도체는 스마트폰의 '거의 모든 것'이라고 해도 과언이 아닙니다. 모바일 프로세서 혹은 어플리케이션 프로세서(AP)라고 불리는, 엄지손가락 한 마디만 한 반도체 칩이 사실상 컴퓨터 한 대의 기능을 하기 때문인데요. 위의 아이폰 분해 사진을 보면 기판 위에 'A15'라고 쓰여있는 반도체 칩이 보일 텐데, 이 손가락만 한 칩이 바로 스마트폰의 두뇌 역할을 하는 AP입니다.

과거 스마트폰 제조사들은 대부분 미국의 반도체 설계 업체 '퀄컴'이 설계한 '스냅드래곤' AP를 사용했지만, 최근에는 스마트폰 회사들이 직접 AP를 설계하고, 이를 파운드리 업체에 위탁생산하는 경우가 많아졌습니다. 애플은 'A 바이오닉', 삼성은 '엑시노스'라는 자체 AP 라인업을 갖추고 있죠.  

스마트폰 AP의 구조도. 손가락만한 반도체 칩 안에 또다시 수많은 반도체들이 들어가 있습니다. [출처: 삼성전자]

이 손가락만 한 AP 안에는 사실상 컴퓨터 안에 들어가는 대부분의 부품들이 다 들어있습니다. 각종 연산을 처리하는 CPU(중앙처리장치)과 이미지를 표시하는 GPU(그래픽처리장치), 무선통신을 가능하게 해주는 통신 모뎀칩, 동영상과 소리 신호를 처리하는 미디어 칩 등 정말 다양한 기능의 반도체 칩들이 반도체 소자의 형태로 내장되어 있는 것이죠. 그렇다면 AP 안에 있는 여러 반도체 소자들은 각기 어떤 역할을 하는 것일까요?

  • CPU와 GPU: CPU(중앙처리장치)와 GPU(그래픽처리장치)는 컴퓨터에도 기본적으로 들어가는 부품인데요. CPU는 입력받은 정보를 기억하고, 연산해 외부로 출력하는 역할을, GPU는 그래픽 연산을 처리해 디스플레이에 이미지를 출력하는 역할을 담당합니다.
  • NPU: Neural Processing Unit의 줄임말로, 인간의 뇌 신경망과 유사한 구조로 설계된 반도체를 뜻하는데요. 주로 복잡한 AI 연산에 활용되는데, 최근에는 스마트폰 AP에도 많이 탑재되는 추세입니다. 스마트폰에 탑재된 NPU는 딥러닝을 통해 사진의 품질을 개선하는 데 주로 활용된다고 하죠.  
  • 모뎀(5G 모뎀): 모뎀은 인터넷 연결을 가능하게 해주는 '통신칩'이라고 생각하면 됩니다. 모뎀은 인터넷 공유기나 다른 전화기에서 전달되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 바꾸어주는 역할을 하는데요. 휴대전화에 매우 중요한 부품인 만큼 과거에는 별도의 칩으로 제작되었지만, 이제는 AP 안에 함께 내장되어 출시되고 있습니다.
  • 이미지신호프로세서(ISP): 스마트폰에는 고성능 카메라가 내장되어 있는데요. 이 카메라의 렌즈를 통해 들어온 빛은 '이미지센서'라는 부품을 통해 전기신호로 전환되는데, 이 과정에서 AP에 들어있는 ISP(이미지신호프로세서)가 그 처리 속도와 화질을 높여주는 역할을 합니다. 아무리 카메라가 좋아도, ISP 성능이 나쁘다면 사진이 예쁘게 나오지 않는 것이죠.
  • 디지털신호프로세서(DSP): DSP는 아날로그 신호를 매끄럽게 디지털 신호로 변환하는 역할을 하는데요. 스마트폰에서는 주로 음성 인식 기능을 위해 활용됩니다. 이외에도 각종 오디오 신호 처리를 돕는 역할을 하죠.  
  • 멀티미디어(비디오, 오디오): 우리는 스마트폰을 활용해 정말 수많은 영상을 시청하는데요. 작은 스마트폰으로도 대용량 영상, 오디오 데이터를 쉽게 처리할 수 있도록 아예 별도의 반도체 칩을 만들었는데, 그게 바로 비디오, 오디오 등의 멀티미디어 칩입니다.
  • 이외에도 디스플레이칩, 보안칩 등 다양한 반도체 칩의 기능을 하는 소자들이 AP 안에 내장되어 있는데요. 사실상 스마트폰의 구동에 필요한 거의 모든 연산과 신호처리가 AP에서 이뤄진다고 봐도 무방합니다.

이렇게 보면 결국 손가락 한 마디만 한 반도체 칩이 손바닥만 한 스마트폰을 구동시키는 핵심 부품인 셈인데요. 그런데 어떻게 이렇게 작은 칩 안에 위에서 열거한 모든 부품들이 들어갈 수 있는 것일까요? 그 비밀은 바로 SoC(System-on-Chip)초미세공정에 있습니다.

확대촬영한 스마트폰 AP의 단면. 얇은 칩 안에 수 많은 회로 층이 쌓여있는 것을 볼 수 있습니다. [출처: SYSTEMPlus]

사실 위에서 살펴본 여러 프로세서들은 각기 하나의 반도체 칩으로 제작될 수 있습니다. 하지만 칩의 개수가 늘어나면 공간도 많이 차지 하는 데다, 칩과 칩을 서로 연결해야 해 전력 효율이 낮아지게 됩니다. 그래서 여러 기능을 하는 반도체 소자들을 하나의 칩 안에 넣는 기술이 발전했는데, 이것이 바로 SoC(System-on-Chip)입니다. 말 그대로 칩 하나에 시스템이 전부 구현되어있는 것이죠. 수많은 반도체 소자들이 하나의 칩 안에서 회로로 연결되어 있다 보니, 공간도 덜 차지하고, 전력 효율도 매우 높죠.

손가락만한 AP 안에 이렇게 많은 소자들과 회로가 그려져 있다는 사실, 정말 놀랍지 않나요? 워낙 작아서 CT 촬영을 해야 그 구조가 보이는데요. 왼쪽 하단이 CPU, 오른쪽 상단이 GPU 부분입니다. 이렇게 다양한 기능을 하는 유닛들이 하나의 칩 안에 구현된 것을 'SoC'라고 하며, 소자와 회로를 미세하게 그려내는 기술을 '초미세공정'이라고 합니다. [출처: CHIPREBEL]

그런데 반도체 소자들을 칩 하나에 모두 넣으려면 소자들이 매우 작아야 할 뿐 더러, 소자들을 연결하는 회로 역시 엄청나게 미세해야 합니다. 이렇게 반도체 칩에 각종 소자와 회로를 나노미터 수준으로 얇게 그려내는 기술을 초미세공정이라고 하는데요. 현재 나노단위의 초미세공정으로 반도체를 위탁생산할 수 있는 기업은 대만의 TSMC와 우리나라의 삼성전자밖에 없기에, 거의 모든 스마트폰 AP는 TSMC나 삼성전자 파운드리에서 생산되고 있습니다. 퀄컴이나 애플도 AP를 직접 설계하지만, 생산은 모두 삼성이나 TSMC에 맡기고 있죠.

[DEEP BYTE] 반도체 초미세공정 완전정복
최근 TSMC와 삼성을 중심으로 반도체 초미세공정 기술경쟁이 점점 치열해지고 있는데요. 오늘 DEEP BYTE에서는 초미세공정이란 무엇인지, 또 초미세공정 기술은 어디까지 왔는지 알아보세요!

스마트폰의 '눈', 카메라

많은 사람들이 스마트폰을 구매할 때 카메라의 성능을 중요하게 여기는데요. 성능 좋은 카메라를 만드는 일도 어려운 일이지만, 그런 카메라를 손가락 두께로 만드는 것 역시 쉽지 않습니다. 게다가 갈수록 소비자들이 요구하는 카메라의 성능이 높아지면서, 스마트폰에 탑재되는 카메라의 개수도 점점 늘어나고 있죠.

여러 개의 렌즈로 구성된 스마트폰 카메라 모듈 [출처: 오포]

위 사진처럼 스마트폰 카메라는 손가락 두께만 한 '모듈'로 이뤄져 있는데요. 이 모듈 안에는 여러 개의 렌즈와, 초점을 조절해주는 액츄에이터, 렌즈로 받아들인 빛을 디지털 신호로 변환하는 이미지 센서가 들어 있습니다. 최근에는 망원렌즈나 광각렌즈의 기능을 구현하기 위해 삼성이나 애플의 스마트폰에 여러 대의 카메라가 탑재되고 있는데요. 일반 카메라 한 대와 넓은 시야를 보여주는 광각 카메라, 더 먼 곳을 잡아주는 망원 카메라까지 세 개의 카메라가 한꺼번에 들어가는 것이죠.

하나는 일반 카메라를, 다른 하나는 망원 카메라를 탑재한 스마트폰의 예시. 일반 카메라의 경우 먼 거리의 피사체를 촬영할 때 경통의 길이가 긴, '대포' 처럼 생긴 망원렌즈를 활용해야 하지만, 스마트폰의 두께가 얇기에 프리즘으로 빛을 굴절시켜 망원렌즈와 같은 효과를 구현하고 있습니다. [출처: 오포] 

그럼에도 멀리 있는 물체를 확대해 촬영하는 데에는 한계가 있기에, 스마트폰에 내장된 소프트웨어를 통해 추가로 이미지를 확대하기도 합니다. 가령, 삼성전자의 갤럭시 S22는 '100배줌' 기능을 제공하고 있는데요. 10배까지는 내장된 광학렌즈를 통해서 확대할 수 있지만, 그 이상은 내장된 인공지능 소프트웨어로 확대하는 것입니다. 이 과정에서 AP에 탑재된 NPU가 활용되는 것이죠.

스마트폰의 '얼굴', 디스플레이

반도체가 스마트폰의 두뇌라면, 디스플레이는 스마트폰의 '얼굴'이겠죠. 최근 스마트폰 제조사들이 내놓는 플래그십(주력) 스마트폰들은 대부분 'OLED(유기발광다이오드)' 디스플레이를 활용하고 있습니다. 과거에는 두꺼운 'LCD(액정디스플레이)'가 주로 쓰였지만, 최근에는 더 얇고 가벼우며, 화면도 선명한 OLED가 주를 이루고 있죠. 특히 요즘 출시되는 스마트폰은 지문 인식 기능이 보편적으로 탑재되고, 전면 카메라가 액정 밑에 위치하는 경우가 많아, 얇은 OLED 디스플레이가 동작에 훨씬 유리합니다. 디스플레이가 두꺼우면 지문 인식도 느려지고, 카메라의 화질도 낮아질 테니 말이죠.

최근에는 평면 디스플레이를 넘어 디스플레이가 접히거나 말리는 스마트폰도 등장했는데요. 삼성전자가 갤럭시 Z FLIP 시리즈로 큰 흥행을 거두면서 애플과 구글 같은 미국 빅테크 기업뿐만 아니라 샤오미, 오포, 비보와 같은 중국 스마트폰 제조사들도 연달아 폴더블폰 출시에 나서고 있습니다. 폴더블폰의 자세한 원리는 내일 <상식 한 입+>에서 확인해보세요!

스마트폰의 '심장', 배터리

맨 처음 사진에서 봤듯, 스마트폰에서 가장 많은 부피를 차지하는 부품이 바로 배터리입니다. 배터리는 스마트폰 내부 장치들에 전력을 공급하는 역할을 하는데요. 스마트폰에 활용되는 배터리도 전기차 배터리와 마찬가지로 충전이 가능한 '이차전지'입니다. 스마트폰 역시 전기차와 같이 '리튬이온 배터리'가 활용되는데요. 배터리를 충전하면 양극에 있던 리튬이온이 음극으로 이동하게 되고, 이렇게 음극으로 이동한 리튬 이온이 다시 양극으로 이동하면서 전기가 발생하는 것이죠.

과거에는 배터리를 갈아 끼울 수 있는 탈착형 배터리가 대세였지만, 2015년부터 거의 모든 스마트폰에 내장형 배터리가 탑재되고 있는데요. 그 이유로는 방수 기능 강화와 배터리 용량 증가, 안전성, 비용 절감 등이 거론되고 있습니다. 배터리 탈착이 가능하려면 뒷커버가 본체와 쉽게 분리되어야 하는데, 이 경우 방수 기능이 약화될 수 있죠. 또, 스마트폰의 기능이 복잡해지면서 배터리 소모량도 커졌는데, 탈착식의 경우 내장형보다 배터리 용량이 작아질 수밖에 없습니다. 일각에서는 제조사들이 배터리 교체를 통한 추가적인 수익을 얻기 위해 내장형 배터리를 택했다는 지적도 나오고 있죠.

이렇게 오늘은 스마트폰의 핵심 부품들을 통해 스마트폰이 어떻게 '스마트'해질 수 있었는지 알아봤는데요. 내일 <상식 한 입+>에서는 최근 큰 인기를 끌고 있는 '폴더블 스마트폰'의 원리가 무엇인지 자세하게 살펴보도록 하겠습니다!


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