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카메라 이미지 센서 (CMOS Image Sensor) – 나가디’s 공부방
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Date Published: 6/9/2022
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Source: blog.naver.com
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이미지센서(CCD, CMOS) – ITFind
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CMOS Image Sensor (CIS) 제작기술동향 – KoreaScience
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<카메라와 렌즈의 구조 31> 디지털 이미지 센서의 구조 I – 이면조사형 센서와 적층형 CMOS / Degital image sensor I. Back-se illuminated sensor, …
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Date Published: 4/9/2021
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[보고서]이미지 센서의 기초 지식 – 한국과학기술정보연구원
그런데 CMOS(Complimentary Metal-Oxe Semiconductors)는 반도체 구조 또는 제조 프로세스의 이름으로서 정확하게는 CMOS 프로세스+α이지만 CCD 이미지 센서보다 …
Source: scienceon.kisti.re.kr
Date Published: 6/21/2022
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주제에 대한 기사 평가 이미지 센서 구조
- Author: SK하이닉스 [SK hynix]
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- Date Published: 2018. 3. 18.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=YGfRYCdbLag
[5장] 이미지센서의 원리와 종류(CMOS, CCD)
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오늘은 이미지 센서에 대해 이야기해보겠습니다.
21세기에 가장 훌륭한 과학자가 누구로 선정되었는지 혹시 아시나요? 바로 아인슈타인입니다. 아인슈타인 상대성 이론으로 더 유명하지만, 빛의 광전효과를 증명한 것으로도 유명한데요. 오늘날 우리가 카메라를 이용해 사진을 찍거나, 휴대폰으로 동영상 촬영할 할 수 있었던 이유는 다 아인슈타인이 저 광전 효과를 증명했기 때문입니다.
아인슈타인(출처: 위키피디아)
1. 이미지 센서의 원리
카메라로 빛 정보를 처리하려면 빛 정보를 숫자 정보로 바꿔주는 매개체가 있어야 합니다. 그것이 센서의 역할입니다. 광양자 이론에 의하면 빛 안에는 광양자가 빛의 세기만큼 존재하고 이 빛이 금속판을 쏘면 광양자에 비례에서 금속판에서 전자가 나옵니다. 금속판에서 전자를 측정만 할 수 있다면 그게 센서가 되는 것입니다. 당연히 광양자에 잘 반응하는 금속판이 있다면 센서의 성능이 더 좋겠죠? 센서 회사에선 센서의 성능을 높이기 위해서 광양자가 잘 반응하는 재질의 금속판을 만들기 위해 많은 노력 한답니다.
아인슈타인의 광양자 이론(출처: 위키피디아)
센서라는 것은 단순히 빛의 세기를 측정하는 ‘금속판’입니다.
2. 이미지 센서의 구조
자 이제 원리는 알았으니, 이미지 센서의 구조에 대해 이야기해봅시다. 렌즈와 셔터 아이리스에 의해 모아진 빛이 이미지 센서에 닿게 된다는 건 다 아실 것입니다. 이미지 센서에도 이 빛들을 금속판 위에서 잘 모아 주기 위해 마이크로 렌즈가 존재합니다. 마이크로 렌즈가 없다면 빛이 퍼져서 들어와 제대로 감광이 잘 되지 않을 것입니다.
이미지 센서의 구조(하늘색: 마이크로 렌즈, 빨간/초록/파랑색: 필터)(출처: 위키피디아)
그리고 여기서 빛의 세기만 측정하면 단순히 흑백 영상이겠죠? 칼라 이미지를 얻기 위해서 추가적인 작업을 합니다. 금속판의 셀에 칼라 필터를 넣어서 빨간색 필터는 빨간색 성분의 빛만 통과시키고 나머지 초록색/파란색 필터는 각각 초록 파란색 성분의 빛만 통과를 시킵니다. 제일 금속판의 마지막단에 전위를 측정할 수 있는 전자 회로가 있어서 빛의 세기를 측정할 수 있는 것입니다.
이 통과 시킨 빛이 필터 모양 그대로 빛 정보가 센싱이 되기 때문에 센싱된 정보만 보면 모자익 된 이미지(Bayer Pattern)와 같습니다.
Color Filter Array(Bayer pattern)-출처: 위키피디아
모자익된모자익 된 이미지는 아직 제대로 볼 수 있는 단계가 아닌데요. ISP가 이 모자익 된 이미지를 받아서 사람이 보는 영상처럼 보정을 해야 합니다.
(ISP에 대해선 다른 장에서 다루겠습니다.)
3. 이미지 센서의 종류
그리고 센서는 크게 CCD 센서와 CMOS 센서가 존재합니다.
3-1. CCD
먼저 CCD에 대해 이야기해볼 텐데, CCD는 chared coupled device의 약어로 벨 연구소에서 개발이 되었는데요.
CCD Image Sensor(출처: 위키피디아)
CCD가 동작하는 방식은 금속판에 쌓인 전하를 컨베이너 벨트 움직이듯 하나씩 옆으로 옮기고, 마지막에는 전하를 측정 회로가 하나만 있어서, 그 회로가 옮겨진 전하들을 하나씩 측정합니다. 이것이 어떻게 가능할까요? 빛의 세기만큼 금속판에서 튀어나온 전자는 양전하 쪽으로만 이동이 가능합니다. 그래서 임의로 전자 옆에 낮은 전압을 걸어 놓게 되면 이 전자는 움직이지 못하게 됩니다. 이러한 원리를 이용해 여기는 일부러 전압을 높게 걸고 저기는 전압을 낮게 걸어서 전자를 한 칸씩 이동하게끔 유도를 하는 것입니다. 그릇이 있다고 가정하면 이 그릇에 전하가 쌓이고 때가 되면 옆으로 하나씩 전하가 이동된다고 생각하시면 됩니다! 마지막에는 빛의 세기를 측정하는 회로가 하나 있습니다.
CCD/ CMOS의 동작원리를 알려주는 사이트가 있습니다! 원리를 동영상으로 확인해볼까요?
CCD/CMOS 동작 원리(출처:유튜브)
CCD의 장점은 전위를 측정하는 회로 장치가 하나이기 때문에 일관된 품질로 전하량을 측정할 수 있는 장점이 있습니다. 그래서 CMOS 센서보다 노이즈가 적어 저조도 특성에 좋고 *감도가 좋습니다. (센서 *감도란 입력 신호 그대로 출력 신호로 재현해낼 수 있을 때 좋다고 이야기합니다.) 대신에 소비전력이 크고 회로도가 복잡한 단점이 있습니다. 과거에는 CMOS 센서가 성능이 너무 좋지 않아서, CCD를 사주로 용해 왔지만, CMOS 반도체 공정 기술과 센서 기술이 크게 발전됨에 따라 요즘은 대부분 CMOS 이미지 센서를 사용합니다. CCD 센서의 동작 방식 때문에 CCD 센서에서만 관찰되는 현상이 있습니다.
CCD:Smearing Effect (출처: 위키피디아)
CCD는 전하를 옆으로 한 칸씩 이동시킵니다. 특정 셀에서 빛을 많이 받는 다면 그 전하가 바로 옆에 전하로 흘러 들어가 버릴 수 있답니다. 그러면 그 라인은 전부 포화가 되겠죠? CCD의 동작 방식 때문에 이러한 현상이 관찰되곤 합니다. 다음 시간엔 CMOS에 대해서 이야기해보겠습니다.
3-2. CMOS
CMOS 이미지 센서는 반도체 소자를 이용해 빛의 세기를 측정합니다. 반도체라는 것은 전압을 걸지 않으면 부도체가 되고, 전압을 걸면 전기가 흐르는 도체가 되는 것을 말합니다.
CMOS Image Sensor(출처: 위키피디아)
CMOS는 CCD와 같이 전하를 하나씩 옆으로 이동시켜서 측정하는 방식이 아니라, 셀마다 반도체 회로가 있고 전압을 걸어 측정값을 한 번에 병렬로 읽는 방식입니다. 병렬로 읽기 때문에 CCD와 달리 빛의 세기를 측정하는 회로 장치가 셀 마다 전부 존재를 합니다.
CMOS 이미지 센서의 장점은 무엇일까요?
1) 소비 전력이 작습니다.
2) 반도체 공정 기술만 있다면 저비용 대량생산이 가능합니다.
3) 발열이 적습니다.
4) 병렬로 처리하기 때문에 고속 처리가 가능합니다.
그러면 단점은 무엇일까요?
1) 빛의 세기를 측정하는 장치가 셀 마다 있는 게 큰 단점입니다! 아무리 공정상에 동일한 빛의 세기를 측정하는 회로를 설계했다 하더라도, 재질의 편차, 공정상의 편차, 물리적인 편차는 어쩔 수없이 존재하게 됩니다. (그래서 센서 데이터 시트를 보면 편차 -00%~00%가 존재한다고 항상 명시되어있습니다.) 그 말은 셀마다 전위를 측정하는 방식에 조금씩 편차가 있어 영상의 품질을 일관되게 측정하는 것이 어렵다는 말입니다.
그래서 CMOS 센서는 감도가 낮습니다. CCD는 전위를 측정하는 회로가 하나라서 이러한 문제를 전혀 고려하지 않아도 됩니다. 2) 또 암 전류가 잔존하여 노이즈가 많이 생기는 문제가 있습니다. 당연히 저조도에 취약합니다. 광전 효과가 아주 오래전 아인슈타인에 의해 증명 되었지만, 품질상의 이유로 초기엔 CCD 이미지 센서를 사용한 카메라가 대다수였습니다.
하지만 센서 회사들의 독자적 기술들이 끊임없이 발전하고 CMOS 이미지 센서의 기술도 비약적으로 향상되면서 CCD가 재현해 낼 수 있는 성능만큼 CMOS 이미지 성능이 향상이 되었습니다. CCD의 장점을 CMOS가 전부 극복해내기 시작하면서, CCD를 사용하는 카메라도 점차 줄어들게 되었습니다. (CMOS 이미지 센서의 경우 위에서 얘기한 것처럼, 대량 생산이 쉽고 소비전력이 적기 때문에 요즘 카메라는 CMOS 이미지 센서를 대다수 채택하고 있답니다.) CMOS와 작동 방식 때문에, 그 특성에 의해서 CMOS 센서에서만 재현되는 문제있답니다. 태양과 같이 강한 광원이 있을 때 CMOS 센서는 Black Sun Effect가 관찰이 됩니다.
Black Sun Effect (출처: envision)
[참조]https://www.envision.co.kr/ko/support/knowledge/detail.asp?iBOARD_CONT_NO=222&&sKeywordKind=&sKeyword=&sKIND_TYPE=
한 셀에서 밝다고 인식하는 경우는 전위차가 클 때, 밝다고 인식을 하는 것입니다! 전위차란 base가 되는 전위와 측정된 값의 차이를 의미합니다.
하지만 저런 상황에선 전하가 넘쳐흘러 넘치면 base가 되는 전위도 함께 넘칠 수가 있습니다. 그러면 전위차가 0이 되어버려서 그 셀은 까맣게 인식하는 것이랍니다. 신기하죠?
오늘 배운 내용 정리해보겠습니다.
CCD CMOS 장점 1) 센서 감도가 좋다
2) 노이즈가 적다 1) 소비전력이 적다.
2) 반도체 공정으로 대량 생산에 용이하다.
3) 병렬 방식 데이터 처리로 고속 영상처리가 가능하다. 단점 1) 소비 전력이 크다
2) 대량 생산에 적합하지 않다
3) 주변회로가 복잡하다.
4) 영상 처리속도가 느리다. 1) 센서 감도가 좋지 않았다.(최근엔 CCD 수준까지 개선)
2) 암전류에 의한 노이즈가 많다.
자 오늘은 여기까지입니다.
카메라 이미지 센서 (CMOS Image Sensor)
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0. 카메라 이미지 센서란?
– ‘카메라의 필름과 같은 역할’ -> 렌즈를 통해 들어온 빛 을 전기적 디지털 신호로 변환 해주는 역할
1. CCD 와 CIS 의 차이점
1) CCD 이미지 센서
전자 형태의 신호를 직접 전송하는 방식으로 아날로그 제조 공정
수광부에서 발생된 전하가 일렬로 연결된 MOS Capacitor 를 거쳐 순차적으로 이동하여 최종단에 연결된 Source Follower 에서 전압으로 변환
를 거쳐 순차적으로 이동하여 최종단에 연결된 에서 전압으로 변환 빛에 의해 발생한 전자를 그대로 게이트 펄스를 이용해서 출력부까지 이동
화상 품질을 극대화시킬 수 있는 방향으로 제조 공정을 채용 / 고가의 디지털 카메라 등에 주로 사용
2) CMOS 이미지 센서
각각의 Pixel 내부에 내장된 Source Follower 에서 전하가 전압으로 바뀌어 외부로 출력
내부에 내장된 에서 전하가 전압으로 바뀌어 외부로 출력 빛에 의해 발생한 전자를 각 화소 내에서 전압으로 변환한 후에 여러 CMOS 스위치를 통해 출력
스위치를 통해 출력 비교적 단순한 제조 공정으로 원가가 상대적으로 저렴하고 크기가 작아 휴대폰 카메라에 주로 많이 사용 / 최근에 IT 기기의 소형화 추세 , 상대적 가격 우위 , 기술 격차 감소 등으로 CMOS 가 CCD 의 주력 시장까지 빠르게 잠식
2. CIS (CMOS Image Sensor)
CMOS 이미지센서의 화소 구조를 살펴보면, 주로 1화소를 구성하는 요소가 MOSFET 1개와 포토다이오드 1개로 구성되므로 MOSFET의 숫자에 따라 1-Tr, 3-Tr, 4-Tr 구조 및 1.75-Tr, 2-Tr 구조 또는, 1.5-Tr 구조 등으로 구분된다.
1) 1-Tr Structure
– 1 pixel 을 구성하는 요소가 MOSFET 1개, Photo Diode 1개로 구성
– 동일한 pixel size에 대해서 2 ~ 4TR 구조의 pixel 보다 수광부 면적을 크게
– parastic capacitance의 영향을 많이 받아 결과적으로 Fixed Pattern Noise(FPN)가 크게 나타나는 단점
2) 3-Tr Structure
– Pixel 내에 source follower를 삽입한 구조 / 1 pixel내에 3개의 Tr과 1개의 photo-diode가 첨가
– 1-Tr 구조에 비해 상대 적으로 fill factor가 낮으며
– parastic capacitance에 의한 noise 제거를 위해서 삽입된 source follower의 pixel간 threshold voltage uniformity에 따라 noise 가 발생할 소지가 증가
3) 4-Tr Structure
– Readout noise 억제를 위해 제안한 구조
– 4개의 Tr과 1개 의 photo-diode로 구성
– CCD와 마찬가지로 출력단을 floating diffusion node를 이용하므로 image lagging이 발생할 소지
– 3-Tr 구조와 마찬가지로 noise가 발생할 소지가 높으며, 1pixel당 Tr수가 상대적으로 다른 구조에 비해 많기 때문에 fill factor가 낮은 단점
3. 카메라 기능
1) HDR
가장 밝은 곳부터 가장 어두운 곳까지 사람이 눈으로 보는 것과 최대한 가깝게 밝기의 범위를 확장하는 기술
메타데이터 – 영상이나 게임 , TV 앱과 같은 콘텐츠에 담긴 컬러와 밝기 정보 등의 데이터
HDR10 – 정적 메타데이터 / HDR10+ – 동적 메타데이터
2) 노출 보정 기능
카메라는 이미지를 흑백으로 변환 18% 의 회색을 최적의 노출값으로 인식 결과 출력 (‘0’)
의 회색을 최적의 노출값으로 인식 결과 출력 결과물이 적절하지 않을 때 +,- 로 적당히 값을 변경하여 원하는 이미지 얻음
3) WB (화이트밸런스)
‘ 카메라가 흰색을 얼마나 흰색처럼 표현하는가 ’ / 색온도 ( 주황 ~ 파랑 )
4) 렌즈의 초점, 화각
여러 개의 렌즈를 통해서 초점 조정
https://it.donga.com/15336/ 위상차 af, 콘트라스트 af, 하이브리드 af
5) ISO
ISO 감도란 필름이 빛에 얼마나 민감하게 반응하는가를 나타내는 수치
디지털 카메라로 넘어오면서 이미지 센서가 필름 카메라의 어느 정도에 해당하는 감도를 가지고 있느냐에 따라
크게 고감도와 저감도 필름으로 나누어서 구분
고감도로 갈 수록 필름 입자에서 빛을 받아들이는 광량의 크기가 커지기 때문에 저감도 필름보다 더욱이 밝은 화면을 얻음 , 빛이 적은 곳에서 촬영을 하거나 밝게 촬영을 하기 위해서 사용
반대로 저감도는 너무 밝은 곳에서 찍어야 하거나 어둡게 찍고 싶을 때 사용하던 필름의 종류
6) Shutter Speed
셔터 깜박이는 속도 / 빛이 들어오는 시간을 조절
7) 조리개(F)
빛이 들어오는 구멍의 크기
인간의 홍채에 해당하는 장치
밝기뿐만 아니라 사진의 심도에도 영향을 준다 . 조리개 값이 클수록 심도는 깊어지고 , 작을수록 심도는 얕아진다 .
4. 아이소셀
삼성 CIS 기술
이미지의 화질은 센서를 구성하는 각 픽셀 (Pixel, 화소 ) 에 모이는 빛의 양에 많은 영향
최근 CMOS 이미지센서의 칩 크기는 작아지고 픽셀 수는 늘어나 픽셀의 크기가 계속 작아짐. 작은 픽셀일수록 충분한 빛을 흡수하기 어려워 CMOS 이미지센서 기술은 ‘ 수광율 ( 이미지센서가 빛을 받아들이는 정도 )’ 을 높이는 방향으로 발전
이미지센서의 칩 크기는 작아지고 픽셀 수는 늘어나 픽셀의 크기가 계속 작아짐. 작은 픽셀일수록 충분한 빛을 흡수하기 어려워 이미지센서 기술은 수광율 이미지센서가 빛을 받아들이는 정도 을 높이는 방향으로 발전 각 픽셀에 들어온 빛이 주변 픽셀에 영향을 주는 ‘ 간섭현상 ’ 을 최소화해 빛의 손실을 줄인 것이 특징. 때문에 빛이 적은 어두운 공간에서도 보다 깨끗한 이미지를 얻을 수 있어 모바일기기 사용자들의 카메라 성능 만족도를 향상
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【그림】 이미지 센서란? CMOS 이미지 센서의 기본 원리【화소 구조】
픽셀이란 무엇입니까? 어떤 구조입니까? 그런 의문을 가지고 있는 분은 이 사이트에 써 있으므로 읽어 보세요. 이미지 센서 전체를 알고 싶은 경우는, 이하의 기사에 기재하고 있으므로 그쪽도 꼭 확인해 보세요.
그렇다면 픽셀이란 무엇입니까? 픽셀이란 간단히 말하면, 빛을 전하로 변환시키는 부분이 됩니다. 이 동작을 광전 변환이라고 합니다. 아래 이미지의 빨간색으로 둘러싸인 부분이 1화소가 됩니다. 1화소라면 어느 1점의 밝기를 측정할 뿐입니다. 그 화소가 어레이상에 집합하는 것으로, 1장의 화상을 만들어낼 수 있게 됩니다.
화소 구조는 3트랜지스터형 화소와 4트랜지스터형 화소로 불리는 화소 구조를 갖는다. 여기에서는, 그 2개의 화소 구조에 대해 해설해 갑니다.
3트랜지스터형의 화소 구조
우선, 3트랜지스터형의 화소 구조에 대해서입니다. 그 이름대로 3개의 트랜지스터를 이용한 화소 구조가 됩니다.
3トランジスタ型画素回路
구성하는 3개의 트랜지스터는 리셋 트랜지스터, 행 선택 트랜지스터 및 증폭 트랜지스터이다. 이 화소 구조의 기본적인 동작으로서는 PD에 광이 입사하여 광전 변환에 의해 전하가 발생한다. 그 전하를 PD로 축적해, PD의 전위가 변화합니다. 여기서 PD의 전위를 소스 팔로워 회로로부터 판독 Vsig로서 취득한다. 그 후 리셋 트랜지스터를 켜서 PD를 리셋하고 직후 전압을 읽어 Vrst를 얻는다. 이 두 신호의 차이를 취하여 고정 패턴 노이즈를 제거할 수 있습니다. 반면에이 픽셀 구조에서는 먼저 Vsig를 얻은 다음 Vrst를 얻습니다. 이 경우 두 신호 사이에 상관성이 없으므로 리셋 노이즈를 제거할 수 없다는 문제가 있습니다.
4트랜지스터형의 화소 구조
3트랜지스터형의 화소 구조에서는 리셋 노이즈를 제거할 수 없다는 문제점이 있었다. 거기서 새롭게 개발된 것이 4트랜지스터형의 화소 구조가 됩니다. 이 픽셀 구조는 이름대로 4개의 트랜지스터를 이용한 픽셀 구조입니다. 앞서 설명한 3트랜지스터형의 화소 구조에 전송 게이트 TX와 부유 확산층 FD를 추가한 구조가 됩니다.
4트랜지스터형의 화소 구조
이 화소 구조의 동작은 입사광에 의해 PD에 신호 전하가 축적된다. 그 때, FD에 축적되어 있는 노이즈 성분을 리셋 트랜지스터를 온으로 함으로써 노이즈 성분을 제거합니다. 리셋 직후의 FD의 전위를 판독 Vrst로 합니다. 그런 다음 PD에 저장된 신호를 전송 게이트 TX를 켜서 FD로 전송합니다. 신호 전하에 의해 FD의 전위가 변화하기 때문에 Vsig로 읽습니다. 이 때 Vsig와 Vrst의 차분을 취하여 신호를 출력합니다. 앞서 설명한 3트랜지스터형의 화소 구조에서는, Vrst를 다음 프레임으로부터 취득하고 있기 때문에 상관성이 없었다. 한편, 4트랜지스터형의 화소 구조에서는 먼저 Vrst를 취득하기 때문에, Vrst와 Vsig가 같은 리셋 노이즈를 가지게 됩니다. 그 때문에 두 개의 차분을 취하는 것으로 리셋 노이즈를 제거하는 것이 가능하게 되었습니다.
이 4트랜지스터형의 화소 구조에서는, 매립 포토 다이오드를 채용할 수 있습니다. 이 구조는 원래 CCD에서 사용되었던 기술이지만 CMOS 이미지 센서에도 사용되었습니다. (대 발명) 이 구조를 채용함으로써 PD의 표면에서 발생하고 있던 암전류의 발생을 억제할 수 있게 되어, CMOS 이미지 센서의 저노이즈화가 가속되었습니다.
정리
그럼, 이번 기사의 정리입니다.
Q. 화소란 무엇입니까?
A. 이미지 센서 내의 광전 변환을 수행하는 부분 Q.3 트랜지스터형 화소와 4 트랜지스터형 화소의 차이는?
A.4 트랜지스터형 화소는 3트랜지스터형에 전송 게이트를 추가한 구조가 됩니다.
PD로 전압을 취득하는지, FD에 전송하고 나서 전압을 취득하는지의 차이가 있습니다.
여기까지 읽어 주셔서 감사합니다. 좋으면 북마크 등록, 부탁드립니다.
<카메라와 렌즈의 구조 31> 디지털 이미지 센서의 구조 I – 이면조사형 센서와 적층형 CMOS / Degital image sensor I. Back-side illuminated sensor, Stackde CMOS
Notice – 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.
비전문적 수다가 마침내 디지털 이미지 센서에 대해 다룰 차례까지 왔다. 아마도 허섭한 연작의 종착지가 가까워지고 있는 것일 게다. 지금 생각으로는 디지털카메라의 셔터 방식(전자 셔터를 포함하고 있어서 이는 이미지 센서의 구조와 함께 언급할 수밖에 없을 듯하다)을 다루고 나면 ‘카메라와 렌즈의 구조’라는 주제로 다루고 싶었던 굵직한 소재는 거의 다룬 셈 일게다. 사실 알고 있는 바 밑천이 바닥나서 더 다룰 수 없는 것이지만, 어쨌든 디지털 이미지 센서의 개괄적인 기술(최신 기술 동향이 아니라 상용화된 기술 중심으로)을 정리하고 여력이 된다면 흥미로운 내용으로 한걸음 더 들어가 보자. 사실, 디지털 이미지 센서의 구조나 원리를 어느 정도 깊이로 다뤄야하나 고민이었는데 빛을 아날로그 신호로 전환하고 다시 이를 디지털 신호로 변환하는 세세한 과정을 정리할 수도 있겠지만, 이런 기술적인 부분이 흥미로운 사람은 그리 많지 않을 듯하고 이를 자세히 다루자면 그 양이 어마어마할 것이 분명하다. 문과 수준의 이해력으로 이런 기술적인 수다로 잘 풀어낼 자신도 없어서 흥미 위주의 맛보기 정도로 다뤄보자. 부족한 부분은 다른 전문적인 글을 찾아서 보충하는 것이 좋겠다.
디지털 이미지 센서의 대명사격인 CCD와 CMOS에 대해서는 익히 잘 알려져 있다. 디지털 카메라 초기(2000년대 초반)에 정립된 구분 기준은 CCD가 대략적으로 화질에서는 앞서나 소비전력이 높고 제조 가격이 높다거나 CMOS가 노이즈와 픽셀 결함이 많으며 빛에 덜 민감하여 화질에서는 뒤지지만, 제조 비용이 상대적으로 낮다는 정도일 텐데, 사실 현시점에서 CCD와 CMOS에서 파생된 각각의 제품까지 다루면 이런 단순한 장단점 구분은 큰 의미가 없을지도 모른다. 반도체 공정 기술의 영향을 받는 CMOS의 집적률과 기술 발전이 눈부시고 그리고 CMOS에 장점에 기반한 지속적인 연구 개발의 결과로 거의 모든 면에서 CCD를 압도하는 수준이 되었으므로 이런 구분이나 정의는 현재의 시점에서는 큰 의미를 가지기 어렵다.(전자 셔터에서 대해 곧 다룰 예정이지만, 글로벌 셔터의 구현에서는 여전히 CCD 방식이 더 효과적이다) 2012년을 기점으로 CMOS 이미지 센서의 점유율 및 기술 발전의 약진이 눈부신데 최근에는 디지털 카메라와 스마트폰 카메라 모듈의 거의 대부분은 CMOS 이미지 센서가 적용되는 등의 기술 발전에 따른 수요 변화가 적극 반영된 것이 아닌가 싶다. 물론 CCD 또한 인터라인 트랜스퍼(Interline transfer) 방식으로 그 미비한 성능을 보완하며 계속 업그레이드되었고 다방면에 활용되고 있지만, 산업용 이미지 센서가 주용도로 일반 카메라나 카메라 모듈 등에 적용되는 경우는 매우 드물다. CMOS의 성능 향상을 위해 적용된 기술이 CCD에도 그대로 적용되어 CCD 제조 기술이 정체되어 있는 것은 아니지만, 반도체 제조 기술과 관련하여 기술 발전 속도가 빠르고 비용에서 유리한 CMOS가 앞으로도 한동안은 계속 우위에 있으리라 생각한다. 따라서 CMOS에 대해서 집중해서 다뤄보자. 현재 디지털 이미지 센서의 매출과 수요에 가장 주요한 부분은 모바일 전자기기 즉, 스마트폰과 테블릿 등에 탑재되는 카메라 모듈의 디지털 이미지 센서이다. 디지털카메라의 경우 시장의 침체와 축소가 반영된 결과이기도 하다. 소비자가 직접 접하는 고성능의 이미지 센서라는 측면에서 기술력을 대표하는 디지털카메라의 상징성은 아직 유효하지만, 이미지 센서 제조업체의 직접적인 매출과 점유율에서는 모바일 기기용 카메라 모듈에 미치지 못한다. 최근 이미지 센서 제조사의 시장 점유율 비중은 매출 수량이나 매출 금액에 따라 조금 다르지만, 매출 기준 점유율에서 소니가 대략 50% 육박하는 성장세를 보여주고 있고, 삼성과 옴니비젼(Ominvision)이 매출이나 수량 기준에 따라 점유율 2~3위를 다투며 그 뒤를 따른다. 비교적 고가의 이미지 센서(디지털카메라용, 고급형 카메라 모듈 이미지 센서 등)를 생산하는 소니가 매출 기준 점유율이 높지만, 매출 수량을 기준으로 하면 저가의 옴니비젼 또한 여전히 높은 점유율을 보이기도 한다.
단편적인 몇몇 특징이나 기존의 평에 의존하다 보면 화질에서 고성능을 보여주는 고가 제품에 CMOS 이미지 센서가 사용되었거나 제조단가가 CMOS보다 높다는 CCD가 중국산 저가 캠코더에 이미지 센서로 사용되는 등 기존의 상식이나 정보와 부합되지 않아서 혼란만 가중시키는 면이 없지 않다. 하지만 이 또한 적용제품의 사양이나 성능 등을 이해할 수 있을 수준이다. 그리고 단순히 사양은 거의 비슷하더라도 픽셀 불량률이나 안정성 등에 따라 동일한 사양의 이미지 센서도 그 등급(품질)에 따라 큰 가격 차이 등이 있으므로 이런 점도 감안하는 것이 좋겠다. ▶ 수광률과 관련된 디지털 이미지 센서 기술 빛에 반응하는 대부분의 장치들이 그러하 듯이 수광률은 매우 중요하다. 이미지 센서에 수광률은 감도와 노이즈 발생 등 전반적인 성능/품질과 직결된다. 따라서 수광/집광률을 높이기 위한 기술이 핵심적일 수밖에 없다. 마이크로 렌즈 / Microlens arrays 마이크로렌즈 방식은 80년대에 등장하여 수광/집광률 향상을 위하여 대부분의 이미지 센서에 필수 불가결한 방식이 되었다. 이 단순해 보이는 방식이 이미지 센서의 성능 향상에 미친 영향은 지대하다고 생각한다. Micorlens array를 활용하면 픽셀의 포토다이오드의 수광 면적에 크게 제한받지 않고 구변의 회로 부분(circuit section) 설계가 용이한 장점도 있다. 주변 회로 배선은 픽셀에서 얻은 데이터를 전송/처리하므로 이미지 센서의 판독 속도 등에 관여하여 성능과 밀접하게 연관된다. 마이크로 렌즈는 센서 수광 표면에 포토다이오드 면적이 제한적인 interline transfer CCD 뿐만 아니라 주변 회로와 배선으로 포토다이오드 수광 면적이 제한적인 CMOS 이미지 센서 등에도 폭넓게 활용된다. 광학 굴절에 기반한 Microlens arrays 원리는 매우 단순하므로 그림으로 쉽게 이해 가능하리라 생각한다. 마이크로 렌즈의 집광 효율 극대화를 위한 여러 디자인적/기술적 고려가 있으므로 보다 자세한 기술적 접근이 필요한 경우라면 추가 검색을 추천한다.
이면조사형 이미지 센서 방식 (Back-side illuminated image sensor) 최근 소니 미러리스 A7 RII 등에 적용하여 ‘이면조사’(back illuminated)라는 용어가 일반 아마추어 사진 애호가에게도 널리 알려졌지만, BI(또는 BSI) 센서로 불리는 이 기술의 최초(샘플)는 2007년 Omnivision technologies에 의해 등장하였고, 소니는 2009년 CMOS 기반 ‘Exmor R’로 상용 제품을 출시하였다. 이후 경쟁업체에서도 속속 BI 센서는 생산되었다. 초기의 BSI 센서는 모바일 기기를 위한 카메라 모듈의 이미지 센서 성능 향상에 기여하였고 대표적인 적용 기기로는 Apple iphone 4S 등이 있다. 이면조사형 센서는 2009년 소니의 핸디캠 등에 적용되어 출시되었다. 그리고 모바일 기기의 카메라 모듈 등 작은 이미지 센서에 적용되었다. 재미있는 사실은 디지털 미러리스 카메라에 BI 센서가 최초 적용은 소니가 아니라 삼성이었는데 APS-C 규격의 BI 이미지 센서를 2014년 NX1 디지털 미러리스 카메라에 적용하였다. 2015년 SONY 또한 35mm full frame BI 이미지 센서를 A7 RII와 이후 후속 제품에 적용하고 있다. 따라서 홍보 문구에는 “세계 최초 이면 조사형 풀프레임 센서 탑재”라고 조금 길어진 어구를 사용할 수밖에 없었다. 이 업계에서는 ‘세계 최초’를 너무 내세우고 싶어하는 경향이 있지 싶다. 그리고 엄밀하게 ‘이면조사형 센서’의 장점은 작은 이미지 센서일수록 매우 효과적이었고 특히 이런 생각은 초기에 강해서 비교적 큰 이미지 센서를 적용하는 디지털카메라에는 적용되지 않았다. 이에 대해서는 아래에서 다시 다루자.
BSI 센서 이전의 기존 이미지 센서는 “front illuminated sensor/표면 조사형 센서”라고 불리는데 구분을 위한 명칭에 불과하다. 그렇다면 왜 처음부터 이면조사 방식으로 제조되지 않았던 걸까. 이유는 사람의 망막 구조와 비슷한 구조의 재현이라는 측면과 일반적인 반도체 제조 공정의 방식이 그대로 이미지 센서 제조 방식에도 적용된 결과라고 할 수 있다.(일반 반도체 제조 공정과 동일한 CMOS 제조 공정은 CMOS의 장점으로 CMOS 경쟁력의 가장 주요 요인 중 하나다)
이면조사형 센서의 구조는 기존의 Front illuminated sensor의 포토다이오드 수광부 주변을 감싸는 형태의 회로 부분(Circuit section)을 포토다이오드 뒷면에 위치하도록 설계/제조된다. 픽셀 포토다이오드 수광 면적의 확보에 유리할 뿐만 아니라. 회로 부분의 배선을 두께 등의 제한에서도 자유롭다. 따라서 수광률 향상을 통한 이미지 센서의 감도 성능 개선과 회로/배선의 전송 능력(판독-readout- 속도)의 향상이 가능하다.
이전의 이미지 센서와 이면조사형 CMOS와 성능 차이는 어느 정도일까? 사실, 이면조사형 센서의 수광률 향상은 작은 이미지 센서에서 효과적이다. 카메라 모듈에 사용되는 1/2.4 인치 수준의 작은 이미지 센서에서는 약 30%에 달하는 수광률 향상이라 정보도 있지만,(실제 적용된 제품에서는 감도 2배라고 홍보하지만, 이는 다른 부분의 개선도 포함되었으므로 순수하게 이면조사형으로 개선된 효과라고만 하기는 어렵고 조금 과장된 듯하다) 큰 이미지 센서가 적용되는 카메라용 이미지 센서 규격 즉, 35mm 풀프레임 또는 APS-C 규격에서는 확연히 드러날 만큼의 수광률 또는 기타 성능의 상승을 보여주었다고 보기는 어렵다. 이면조사형 이미지 센서 이전에도 수광률을 향상하기 위한 다양한 시도와 기술이 적용되었고, 일부 단순화시켜 효과를 설명하는 홍보용 이미지처럼 이면조사형과 Front Illuminated 센서에서 큰 차이를 보이는 것은 아니며 소폭의 수광률 개선을 보이지 싶다. 이면조사형 이외에도 포토다이오드에 조사되는 빛 즉, 수광률 향상을 위하여 센서 표면의 마이크로 렌즈를 통과한 빛이 소실 없이 포토다이오드에 도달하도록 하는 통로를 확보하는 Light-guide 방식 등도 있다. 따라서 APS-C나 35mm 풀프레임 크기의 센서에서는 수광률의 향상보다는 포토다이오드 후면으로 회로배선 설계 공간을 확보하여 데이터의 전송속도(판독 속도) 향상이 더 눈에 띈다. 이런 회로 부분의 이점은 CMOS 센서에서 특히 연사 속도 또는 동영상의 성능(높은 FPS)과 관련된다. 이에 대해서는 아래 stacked CMOS에서 자세히 언급해 보자.
이면조사형 센서의 단점은 없을까?
장점만 존재하는 기술은 이 바닥에서 찾기 어렵다. 얻는 것이 있으면 잃는 것이 있고, 장점의 이면엔 단점도 존재한다. 그리고 이런 단점을 보완하기 위한 기술이 또 다시 등장하고, 점진적이고 지속적인 성능 향상과 더불어 새로운 기술과 신제품은 언제나 우리의 지갑을 노린다. BSI 센서의 대표적 단점은 컬러 필터를 통과한 빛의 상호 간섭 문제다. 포토 다이오드의 수광면을 컬러 필트 바로 아래로 근접시켜 수광률 향상을 도모했지만, 기존 격벽 역할의 구조물이 사라져서 옆 픽셀의 다른 컬러 필터를 통과한 빛이 유입되어 색 응답성(각 픽셀 간 균일한 색 응답성)이 낮아지는 문제가 발생한다. 이를 개선한 대표적 기술로는 2~3위 매출 규모의 이미지 센서 제조사인 삼성에서 출시한 각각의 컬러 필터와 포토다이오드 간에 격벽 구조를 갖는 ISOCELL 등이 있다.
한걸음 더 들어가 보면, 디지털 카메라에서 표면 조사형과 비교해서 이면조사형 이미지 센서의 또 다른 장점은 수광률의 향상/ 데이터 전송 속도 향상뿐만 아니라 이미지 센서 면(포토다이오드)으로 입사하는 광선에 대해 이미지 센서의 각도 응답성이 대폭 향상하였다는 점이다. 이는 미러리스 카메라만의 장점을 극대화할 수 있는 장점이 된다. (기존 DSLR 등은 미러박스의 공간 확보를 위해 장착 렌즈는 이미지 센서와 일정 거리가 확보되어 센서에 입사하는 빛은 대부분 이미지 센서 수광면과 수직에 가까웠다) 즉, 미러리스 구조로 인해 이미지 센서에 근접한 렌즈 설계가 가능하고, 이면조사형 이미지 센서는 이런 근접한 렌즈 후옥(사출부)에서 비스듬하게 조사되는 빛에 대해 향상된 응답성이 갖추어졌으므로 앞으로 개발되는 렌즈들은 이미지 센서에 매우 근접하여 렌즈 설계의 자유도와 이를 통한 광학성능을 개선하는데 매우 효과적인 방식이다. 카메라 제조사와 광학 제조사가 기존 제품의 판?을 갈아엎어서 (기존 교환식 DSLR용 렌즈를 도태시키고 새로운 광학 설계의 신수요를 창출하기 위한) 시발점의 (소비자의 주머니를 노리는) 수요 창출의 그림이 그려지고 있지 않을까 예상해 본다.
Back-side illumination을 이면조사라는 용어는 소니가 주로 사용하였는데, ‘후면조사’ 또는 ‘배면조사’라는 용어 또한 함께 쓰인다. 이면조사는 한자로 ‘裏面’으로 표기하며 ‘속 면’이라는 의미로 아마도 내부에 조사하는 방식이라는 의미 정도로 생각된다. 용어를 통해 한번에 그 기술이 연상되는 정도가 아니라서 해당 기술을 적절하게 설명하는 적절한 용어인지는 조금 아리송하다. 우리말로 순화하면 ‘속 비침’ 정도가 될까. 어색하기는 마찬가지다.
BSI 센서의 장점은 향상된 수광률로 저조도 촬영 조건에서도 보다 고화질로 촬영할 수 있는 점과 이미지 센서의 넓은 각도 응답성에 기반하여 카메라 렌즈의 광학 설계에 있어 유연성이 증가되었으며, 판독 성능의 향상으로 인한 화질 개선이 가능했다. 단점은 각 픽셀간의 균일한 색 응답 성능의 저하와 초기 제조 상의 수율문제와 제조 단가의 증가 등이 있었으나 이는 또 다른 보완 기술과 제조 공정 안정화와 대량 제조 등으로 해결되는 문제라고 생각한다. 이면조사형 기술을 혁신적인 기술로 과대해석하는 경우가 종종 있는데, 제품 출시 즈음의 제조사의 판촉 홍보는 언제나 과장되기 마련이다. 적절한 검증된 수치가 제공되지 않는 미사여구(美辭麗句)의 홍보 정보는 그대로 모두 그대로 받아들이기에는 무리다. 이런 눈 가리고 아웅 식의 과장된 홍보에 속지 말자. 언제나 신기술은 새로이 등장하고, 이런 소소한 개선을 항상 신제품 홍보의 굵고 큰 폰트로 눈길을 끈다. ▶ 적층-회로부분 개선을 통한- 이미지 센서 / Stacked CMOS (현재 기준에서) 초고화소를 실현하기 위한 이미지 센서의 집적률 향상은 주로 모바일 기기의 카메라 모듈에 사용되는 이미지 센서에서 눈에 띈다. 초기의 고화소 이미지 센서 개발의 가장 주요 과제는 픽셀의 소형화(단순히 픽셀 하나하나의 크기를 줄여서 고해상력을 실현하는 설계)에 있었겠지만, 최근에는 수광 면적의 확보를 통한 화질 개선과 집적률 향상, 그리고 데이터 전송/처리 속도 증진을 동시에 추구하는 것으로 보인다. 가장 주목할만한 기술은 회로 부분(Circuit section)을 픽셀 후면으로 적층(Stacked) 설계하여 이미지 센서의 표면에 픽셀 부분으로만 구성하여 수광 면적 확보를 통한 성능 향상을 향상과 동시에 데이터 전송/처리 성능 향상을 위해 후면 회로 부분(Circuit section)의 공간 확보 또한 눈여겨볼 필요가 있다. 이를 ‘Stacked CMOS’라고 칭하기도 하지만 이면조사형의 이면이라고 할 수 있겠다. 소니에서는 Stacked CMOS를 적용시켜 2012년 EXmor RS로 이를 제품화 하였는데, 이전의 Exmor R 센서와 비교하면 데이터 전송(판독 속도) 속도 향상에 기인한 업그레이드된 성능을 확인할 수 있겠다.
▶ D램 적층형 센서
데이터 전송/처리 속도 문제는 고해상력/고화소화로 전송/처리해야하는 데이터의 양이 폭증하였고, 작은 이미지 센서 주변 공간에 회로 부분을 집적하는 어려움과 관련된다. 따라서 회로의 배선 공간 확보를 위해 이면조사형에서는 픽셀 후면으로 회로 부분 공간을 확보하기도 하고, 충분한 배선 두께를 통해 전송/판독 속도의 향상을 도모할 수 있다. 전송 효율이 높은 소재(구리 등)로 회로 배선의 소재를 업그레이드하거나, D램을 통한 전송/처리 성능 향상을 도모하는 방향으로 발전하고 있다.
실제, 이면조사형 센서의 장점은 수광률 향상은 작은 이미지 센서에서 개선이나 성능 향상이 두드러지고 큰 이미지 센서에서는 그리 큰 개선이라고 하기 어렵다. 그 보다는 주변 회로 공간 확보에서 오는 판독 속도의 향상이 더 알찬데, 이는 이미지 센서의 고화소화/고해상력과 무관치 않고 동영상 촬영과 카메라의 최대 연사 성능과 관련하여 전자 셔터의 판독 속도가 중요성이 증가하였기 때문이다. 이에 대해서는 다른 포스팅에서 전자 셔터 등에서 다루어 보자.
2017/12/19 – [사진과 카메라 이야기/Camera & Lens Structure] – <카메라와 렌즈의 구조 32> 디지털 이미지 센서의 구조 II – 전자 셔터(글로벌 셔터와 롤링 셔터, 그리고 전자 선막 셔터 기능) / Degital image sensor II – Electronic shutter (Global shutter & rolling shutter, Elect..
정리하자면, 이면조사형 센서의 장점은 단순히 수광률 향상 보다는 점층 구조 설계와 회로 부분의 충분한 공간 확보로 인한 이미지 센서 전체의 성능 향상이라는 점에서 이해하는 것이 타당하다.
최근 소니의 최신형 이미지 센서에는 D램을 이미지 센서 후면에 적층형태로 설계하고 있는데, 이를 통해 이미지 센서의 판독/readout 성능 향상 또한 눈여겨 볼만 하다. (D램이 이미지 센서와 결합한 형태가 되었으므로 이미지 센서에서 한 번쯤 언급해야 하지 않을까 싶었다. D램은 카메라 이미지 판독 및 전송/처리 등의 속도 향상을 위해 이전부터 계속 사용되었지만, 최근 소니에서는 이를 이미지 센서 후면에 적층하여 효율-배선 공간 절약 및 데이터 전송 효율 개선-을 도모한 설계가 아닐까 싶다)
최근 이미지 센서의 고화소화가 눈부시다. 35mm 풀프레임 규격 기준으로 약 5000만 화소, 또는 APS-C 규격 기준으로 약 3000만 화소를 상회하는 수준의 해상력을 보여준다. 하지만, 채 1인치도 되지 않는 이미지 센서 크기로 1900만 화소 이상의 해상력을 실현하고 있고 반도체 미세공정의 기술이 발전 속도에 따라 1인치 이상의 센서를 사용하는 디지털 카메라의 고해상력은 앞으로 대폭 개선될 여지가 높다. 현재 이미지 센서의 고해상력 구현 수준은 이미 제품화된 수준을 한참 상회하고 있으며, 1억 화소 수준의 흑백 이미지 센서 개발 소식도 속속 전해진다. 현재 최고급 카메라 시장의 이미지 센서의 해상력은 이미지 센서의 기술적 문제 보다 고화소 / 고용량의 이미지 데이터를 원활하게 처리하기 위한 프로세싱 과정의 하드웨어적인 성능(한편으로는 효율적인 처리라는 측면에서 소프트웨어 측면도 있다)과 전송 저장의 속도 문제에 있다고 생각하다. 그리고 후속에서 다룰 전자 셔터와 관련된 픽셀의 판독 속도와도 직결된다. 이에 대해서는 다음 수다의 주제로 다뤄보자. 1억 화소 수준의 ‘흑백 이미지 센서’가 먼저 개발되는 것 또한 처리하여야 하는 데이터의 용량과 관련있기 때문이다.(컬러 이미지 센서의 경우 RGB의 색정보가 추가되므로 데이터의 용량이 훨씬 많아진다) 높은 연산과 데이터 처리와 전송/저장 기술이 적절한 가격 대비 성능으로 제품화된다면 이를 카메라에 적용하여 현재 화소 수준을 훨씬 상회하는 고해상력/고화소의 카메라(이미지 센서) 상용화는 당연한 수순이 될 것이다. 디지털 이미지 센서와 관련해서 다룰 주제가 아직 몇 남았는데, 디지털 이미지 센서의 전자 셔터와 관련한 글로벌 셔터와 롤링 셔터 방식 그리고 영상 기능과 관련한 FPS와 슈퍼 슬로우 모션 기능 등의 기술적인 부분에 대해서도 언급해야 하지 싶다. 이에 대해서는 다음 수다에서 다뤄보자. 최근 디지털 카메라의 이미지 센서 기술은 소니에 의해 주도되고 있는 경향이 강하고 DSLR 또는 디지털 미러러스 카메라용 이미지 센서 대부분이 소니 제품을 채용하는 실정이라서 소니와 관련된 브랜드 또는 기술 명칭이 자주 등장하였다. 본의 아니게 소니 홍보를 한 꼴이 되어 못마땅하다. 소니와 아무런 관련이 없고 직접 제품을 구매해서 쓰는 사용자일 뿐이다.
[보고서]이미지 센서의 기초 지식
초록
□ CCD는 1870년대 미국의 Bell연구소에서 지연소자로 발명되었다. 이는 아날로그 전기신호를 일정 시간마다에 전하량(전자의 수)으로 변환하고, 이것을 하나의 단위로 CCD의 각 셀에 넣어 운반한다는 것에서부터 Charge Coupled Device라는 이름이 붙여지게 되었다. 그런데 CMOS(Complimentary Metal-Oxide Semiconductors)는 반도체 구조 또는 제조 프로세스의 이름으로서 정확하게는 CMOS 프로세스+α이지만 CCD 이미지 센서보다 적은 공정으로 센서를 구축할 수 있다.
□ CMOS 이미지 센서는 칩 내에 CMOS 프로세스의 트랜지스터 등을 집적할 수 있어 구동회로와 화상 신호 처리회로 등의 주변 회로를 구성할 수 있는 것이 특징이다. CMOS 이미지 센서의 구동회로를 CMOS 로직회로로 실현하면 구동회로를 내장할 수 있음으로써 외부로부터는 단일 클록 입력으로 센서를 구동할 수 있다. 또한, CMOS 이미지 센서는 온칩으로 A-D 변환을 하여 디지털신호를 출력할 수 있다.
□ CCD와 CMOS 이미지 센서를 구조면에서 고찰할 때 원칙적으로는 양 센서가 다같이 포토다이오드(PD)에서 광 에너지가 전하(電荷)로 변환되고, 전하를 전압으로 변환하는 플로팅 디퓨전(FD) 앰프를 거쳐 출력된다. 그런데 양 센서는 다같이 광을 전하로 변환하는 것이 PD라 해도 그 차이는 FD 앰프가 어디에 설치되어 있는가 하는 것에 따른다.
□ CCD와 CMOS 이미지 센서를 특성이나 화질면에서 고찰하면 CMOS 이미지 센서의 랜덤 노이즈가 많은데 그 이유는 1화소 내의 구조가 복잡하여 충분한 PD의 면적을 확보할 수 없기 때문이다. 또한 CMOS 이미지 센서에서는 세로 줄기의 고정 패턴 노이즈(FPN)를 지적하고 있는데, 이는 인간의 눈이 시각적으로 움직이는 노이즈에 대하여 시간 적분효과가 있으므로 이동하지 않고 고정된 FPN이 두드러지게 눈에 띄기 때문일 것이다.
찰칵! 빛을 디지털 이미지로 만드는 ‘CMOS 이미지센서(CIS)’
‘찰칵’, 아름다운 순간과 잊지 못할 추억을 간직해주는 카메라. 불과 몇십 년 전만 해도 카메라가 귀하고 신기했던 시절이 있었습니다. 하지만 이제 카메라는 널리 그리고 많이 보급된 기록매체 중 하나입니다.
특히 필름 카메라에서 디지털카메라의 발전은 우리 생활에도 큰 변화를 가져왔습니다. 콤팩트형의 소형 카메라에서 전문가용 고사양 DSLR까지 그 종류도 다양해졌고 휴대폰, 태블릿PC, CCTV, 블랙박스에 이르기까지 다양한 기기에 카메라 기술이 적용됐습니다.
▲ 디지털카메라 속 반도체 기술
이렇게 우리의 소중한 추억을 기록해주는 디지털카메라에도 반도체 기술이 숨어 있습니다. 렌즈를 통해 들어오는 빛을 전기적인 영상 신호로 바꿔 주는 CMOS 이미지센서(CIS), 이미지 신호를 처리하는 이미지 신호 처리 장치(ISP), 데이터 처리속도를 빠르게 해주는 D램, 사진파일을 저장하는 낸드플래시 등 많은 반도체가 우리 카메라에서 중요한 역할을 하는데요.
오늘은 카메라의 필름 역할을 하는 ‘CMOS 이미지센서’에 대해 알아보겠습니다.
카메라의 필름역할을 하는 ‘이미지센서’
디지털카메라에는 여러 반도체 기술이 필요하지만, 가장 중요한 역할을 하는 부품이 바로 ‘이미지센서’입니다. 이미지센서는 피사체 정보를 읽어 전기적인 영상신호로 변환해주는 장치입니다. 즉 빛에너지를 전기적 에너지로 변환해 영상으로 만드는데 카메라의 필름과 같은 역할을 합니다.
쉽게 말해 렌즈를 통해 들어온 빛을 전기적 디지털 신호로 변환해주는 역할로, 영상신호를 저장하고 전송해 디스플레이 장치로 촬영한 사진을 볼 수 있도록 만들어 주는 반도체입니다. 이러한 이미지센서가 사용되는 디지털카메라는 일반 필름카메라와 달리 필름, 인화 과정을 필요로 하지 않는데요. 사진을 찍은 후 바로 디스플레이 화면에서 사진을 확인하거나 삭제할 수 있는 것이죠!
이미지센서는 응용 방식과 제조 공정에 따라 CCD 이미지센서와 CMOS 이미지센서로 나눌 수 있습니다. CCD 이미지센서는 전자 형태의 신호를 직접 전송하는 방식으로 아날로그 제조 공정이 사용되는데요.
CMOS 이미지센서 대비 노이즈가 적다는 장점을 가지고 있습니다. 반면 CMOS 이미지센서는 신호를 전압 형태로 변환해 전송하는 방식으로 CMOS 제조 공정이 사용되어 가격경쟁력이 있다는 장점이 있습니다.
이러한 특징 때문에 과거 CCD 이미지센서는 디지털카메라에 사용되고, CMOS 이미지센서는 주로 휴대폰에 사용됐습니다.
하지만 휴대폰, 태블릿PC 등 카메라 기능이 탑재된 모바일 기기의 시장이 확대되면서 핵심 부품으로 CMOS 이미지센서가 주목받기 시작했습니다. 특히 모바일 기기는 전력 소비를 줄이는 것이 중요한데 이는 배터리 사용 시간 연장과 직결되기 때문입니다. 때문에 CCD 이미지센서 대비 저전력 공정으로 소비전력에서 강점을 가지는 CMOS 이미지센서가 핵심 부품으로 떠오르게 된 것입니다.
또한, CMOS 이미지센서는 노이즈 등 성능이 매우 개선되고 동영상 지원 기능과 가격 측면에서도 지속적인 우위를 가지면서 최근에는 DSLR 카메라에도 많이 탑재되고 있습니다.
이외에도 CMOS 이미지센서는 CCD 이미지센서에 비해 많은 장점을 가지고 있는데요, 일반 반도체 공정인 CMOS 공정을 사용하기 때문에 가격 경쟁력을 가지며 이미지센서와 주변 회로를 원칩화할 수 있어 소형화 및 관리가 용이합니다.
CMOS 이미지센서의 혁신, ISOCELL
일반적으로 이미지의 화질은 센서를 구성하는 각 픽셀(Pixel, 화소)에 모이는 빛의 양에 많은 영향을 받습니다. 최근 CMOS 이미지센서의 칩 크기는 작아지고 픽셀 수는 늘어나 픽셀의 크기가 계속 작아지고 있는데요. 작은 픽셀일수록 충분한 빛을 흡수하기 어려워 CMOS 이미지센서 기술은 ‘수광율(이미지센서가 빛을 받아들이는 정도)’을 높이는 방향으로 발전해 왔습니다.
그래서 기존 후면조사형(BSI) 센서는 ‘수광부(빛을 받아들이는 부분)’를 센서의 가장 윗부분으로 옮겨 ‘수광율’을 높여 왔는데요, 하지만 픽셀의 크기가 계속 작아짐에 따라 최근 한계에 봉착했습니다.
이에 작년 9월 삼성전자는 업계 최초로 기존 CMOS 이미지센서의 성능 한계를 극복한 ‘아이소셀(ISOCELL)’ 개발에 성공했는데요,
‘아이소셀(ISOCELL)’은 ‘격리하다(isolate)’와 ‘세포(cell)’의 뜻이 합쳐진 어원으로, 용어에서도 알 수 있듯이 픽셀과 픽셀 사이에 절연부를 형성해 인접한 픽셀들을 서로 격리시키는 구조입니다. 즉 이미지센서를 구성하고 있는 수백만 개의 픽셀 각각의 테두리에 물리적인 벽을 세워 픽셀로 들어온 빛이 밖으로 나가지 않도록 하는 첨단 이미지센서 기술인데요,
각 픽셀에 들어온 빛이 주변 픽셀에 영향을 주는 ‘간섭현상’을 최소화해 빛의 손실을 줄인 것이 특징입니다. 때문에 빛이 적은 어두운 공간에서도 보다 깨끗한 이미지를 얻을 수 있어 모바일기기 사용자들의 카메라 성능 만족도를 더욱 높일 수 있답니다.
삼성전자는 이번 MWC 2014(Mobile World Congress)에서 아이소셀을 기반으로 한 1600만 화소 이미지센서와 적층형 구조의 1300만 화소 이미지센서를 새롭게 공개하며 모바일 이미지센서 분야의 기술 리더십을 더욱 강화하고 있습니다. 우리의 소중한 추억 순간순간을 간직해주는 반도체, ‘이미지센서’의 활약을 앞으로도 기대해주세요~!
원문 링크: http://samsungsemiconstory.com/642
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