CMOS 이미지 센서란?

CMOS 이미지 센서는 들어오는 빛을 디지털 이미지로 변환하도록 설계된 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 기술이 적용된 반도체 장치입니다. 대부분의 디지털 카메라와 마찬가지로 반도체 칩 표면에서 수천 개의 광자 검출기로 들어오는 빛을 감지합니다. 각 검출기는 광자의 에너지를 전류로 변환하여 흡수된 광자의 주파수(색상)와 계수(밝기)를 측정합니다. 그런 다음 각 검출기에 부착된 트랜지스터에 의해 전류가 증폭됩니다. 이러한 유형의 이미지 센서를 APS(Active Pixel Sensor)라고 합니다.

CMOS 이미지 센서는 표준 반도체 제조 기술로 구성되므로 칩에는 일반적으로 신호 처리, 아날로그-디지털 변환기 및 디지털 로직 온칩이 포함됩니다. 그 결과 칩에 전체 카메라가 장착됩니다. 이 기술은 스마트폰의 소형 디지털 카메라, 고화질, 고속 전문 비디오 카메라, 위성의 지구 관측 센서를 포함한 많은 이미징 애플리케이션을 가능하게 했습니다.

두 가지 주요 이미지 센서 기술인 CCD(Charge Couple Device)와 CMOS 센서는 1960년대 후반에 동시에 개발되었습니다. 둘 다 빛의 입자[1]인, 광자가 원자에 흡수되어 원자의 전자에 에너지를 전달할 때 발생하는 광전 효과를 활용합니다.

충분한 에너지가 흡수되면 원자는 전자를 방출하여 반도체 물질에 음전하를 생성합니다. 이미지 센서의 빛을 흡수하고 전자를 생산하는 영역을 포토다이오드라고 합니다. 포토다이오드는 표면에 초점을 맞춘 빛의 색상과 세기를 측정할 수 있는 배열로 배열됩니다.

CCD 센서에서 포토다이오드의 전자는 일련의 커패시터에 포착된 후 증폭됩니다. CMOS 센서에서 전자는 트랜지스터로 직접 공급되고 검출기에서 증폭됩니다. CCD 접근 방식의 가장 큰 장점은 커패시터가 포토다이오드 뒤에 있어 각 픽셀에 대해 광흡수 영역이 더 넓다는 것입니다. CMOS 센서의 트랜지스터는 포토다이오드 옆에 있으며 충전율(Fill Factor)라고 하는 표면적의 30%를 광선 검출을 위해 남겨 둡니다.

CMOS 기술은 잘 정립된 반도체 제조 공정이므로 CMOS 센서는 CCD 카메라보다 제조 비용이 훨씬 저렴합니다. 처음에는 CCD 센서가 노이즈가 적은 고품질 이미지를 생성하기 때문에 더 자주 사용된 반면, CMOS 센서는 전력 효율이 더 높거나 저렴한 솔루션이 필요할 때 활용되었습니다.

시간이 지남에 따라 반도체 제조 기술이 개선되면서 CMOS 이미지 센서의 픽셀 크기를 더 작게 만들 수 있었고 온칩 디지털 신호 처리로 품질 문제를 해결할 수 있었습니다. 이러한 개선을 통해 CCD 센서와 동등한 이미지 품질을 구현하는 동시에 비용 절감 및 에너지 효율성 향상이라는 이점을 유지했습니다. 따라서 저전력, 고해상도 CMOS 이미지 센서는 2010년대 후반까지 대부분의 응용 분야에서 선호 되었습니다.

오늘날 CCD 장치는 사진 천문학, 머신 비전 시스템 및 현미경 카메라와 같이 노이즈가 낮고 높은 감도를 요구하는 고급 응용 분야에 주로 사용됩니다. 그러나 CMOS 이미지 센서도 이러한 응용 분야에 진출하고 있습니다.

CCD 및 CMOS 기술 비교

CMOS 이미지 센서는 픽셀 배열로 구성되며, 각 픽셀은 빨간색과 파란색은 각각 하나씩, 녹색은 두 개, 총 4개의 광검출기로 캡처됩니다. 각 픽셀은 2x2 배열이고 필터링할 색상이 3개뿐이므로 하나의 색상이 반복되어야 합니다. 인간의 눈은 녹색 주파수에 가장 민감하게 반응하기 때문에 녹색을 반복 색상으로 선택했습니다. 베이어(Bayer) 필터 패턴이라고 하는 이러한 색상 배열은 홀수 행에 파란색-녹색이 반복되고 짝수 행에 녹색-빨간색이 반복됩니다.

2x2 픽셀의 광검출기가 베이어에 배열되는 방식

각 광검출기는 실리콘 기판에 구축되며 광자를 수집하는 포토다이오드 및 3개의 트랜지스터(행 선택기, 증폭기 및 리셋 트랜지스터)를 포함합니다. 광검출기의 맨 위에는 컬러 필터와 포토다이오드에 빛을 집중시키는 마이크로렌즈가 있습니다. 

단일 광검출기의 형상

각 광검출기는 실리콘 기판, 전위 우물(Potential Well), 들어오는 광자를 측정하기 위한 포토다이오드로 구성됩니다. 컬러 필터와 마이크로렌즈는 빛의 초점을 맞추고 필터링하며, 트랜지스터와 버스는 생성된 전류를 증폭하고 전송합니다.

이 광검출기 어레이는 렌즈 어셈블리의 초점 표면인 칩 중앙에 위치합니다. 또한 어레이는 디지털 이미지를 조립하고 출력하는 데 사용되는 아날로그 및 디지털 회로로 둘러싸여 있습니다.

CMOS 이미지 센서는 원자 수준의 물리학에서 장치 어셈블리 패키징의 기계적 요구 사항까지 다루는 복잡한 시스템입니다. 새로운 CMOS 센서를 설계하는 팀은 다음과 같은 측면을 고려해야 합니다.

포토닉 설계

포토다이오드의 동작은 CMOS 센서의 성능에 매우 중요합니다. 설계자는 광학 효율, 양자 효율, 암전류, 생성된 전하 등의 포토닉스 매개변수를 고려해야 합니다. 또한 적외선에서 가시광선, 자외선에 이르기까지 감지되는 빛의 파장을 고려해야 합니다.

광학 디자인

CMOS 이미지 센서의 정확성과 효율성은 센서 배열에 투사된 이미지의 품질에 따라 달라집니다. 광학 엔지니어는 표면에 명확하고 계획적인 투영을 제공하는 최적화된 렌즈 어셈블리를 개발해야 합니다. 보다 정확한 센서 반응을 얻으려면 렌즈에서 센서 표면까지 빛이 공간적으로 변하는 사입사의 효과도 고려해야 합니다. 또한 포토다이오드에 최대한 많은 빛을 전달하고 입사광이 센서에 미치는 영향을 이해하기 위해 각 포토센서 상단에 마이크로렌즈를 설계해야 합니다.

아날로그 및 디지털 회로 설계

액티브 픽셀 센서의 장점 중 하나는 필요한 모든 아날로그 및 디지털 회로를 센서와 동일한 칩에 집적 회로로 배치하여 칩에 카메라를 만드는 개념입니다. 회로 설계자는 가능한 한 작은 폼 팩터에 최대한 많은 픽셀을 맞추면서 전원 문제, 타이밍, 신호 무결성 및 기타 사항을 고려해야 합니다. 또한 칩 자체에는 효율적인 ADC(아날로그-디지털 변환기)와 디지털 이미지 처리 기능이 필요합니다.

패키징

칩이 설계되면 이를 보호하고 이미지를 사용할 전자 장치에 연결해야 합니다. 패키징은 비용을 낮추면서 열, 응력 및 진동 문제를 해결해야 합니다. 종종 광학 칩은 카메라 시스템을 사용하거나 지원하는 다른 구성 요소와 함께 패키지됩니다.

반도체 제조 기술의 개선은 이미지 센서 기능에 직접적인 영향을 미칩니다. 피처 크기가 감소함에 따라 설계자는 더 작은 영역에 더 많은 픽셀을 넣을 수 있습니다. 소비자는 더 작거나 비슷한 크기에 더 많은 수의 픽셀이 들어가는 휴대폰 카메라에서 이러한 현상을 흔히 볼 수 있게 됩니다.

CMOS 이미지 센서를 사용하는 카메라의 속도도 빨라지고 있습니다. 또 다른 성장 분야에서는 운전자에게 주변 환경을 더 잘 파악하고 자율 주행 기술을 지원하기 위해 자동차에 메가픽셀 비디오 카메라를 사용하는 경우가 증가하고 있다는 것입니다.

전문가들은 더 나은 디지털 이미지를 생성하기 위해 센서 칩에서 수행되는 디지털 이미지 처리에 더 많은 작업이 수행될 것으로 예상합니다. 또한 포토다이오드의 다양한 형상을 살펴보는 작업도 진행되고 있습니다. 광검출기의 적색-녹색-청색(RGB) 필터에서 청록색-황색-자홍색(CYM) 필터로 전환하여 감도를 높이고 전기 신호를 강화할 수 있습니다. 근적외선(NIR) 이미징에서 저조도 감도와 성능을 향상시키기 위한 추가 작업이 진행되고 있습니다.

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