Ⅰ. 서론
유무선 초고속 통신망 인프라가 광범위하게 구축되면서 데이터 통신뿐만 아니라 멀티미디어의 꽃이라 할 수 있는 화상 통신 등과 같은 디지털 미디어 통신이 가능하게 되었다. 이러한 멀티미디어 통신시대의 도래는 광학적 이미지를 전기적 신호로 바꾸어 주는 이미지센서에서 실현되었다고 할 수 있다. 특히 무선 통신은 고속 데이터 통신이 가능해 짐으로써 꿈의 화상 통신시대가 도래하고 있는 실정이다. 이러한 화상 통신에 있어서 모든 화상의 첫걸음은 화상을 전기적 신호로 변환하는 것이다.
이 변환에는 반드시 이미지센서가 사용되게 된다. 또한, 화상 통신뿐만 아니라 화상 인식에 필요한 화상 역시 전기적 신호로 변환할 필요가 있다. 향후의 정보산업사회에서 필수적인 보안 인식에는 지문, 홍채 등의 화상 인식 장치가 필요하게 되고, 광 마우스 등에서도 기판의 패턴을 인식해서 마우스의 이동 방향을 인식하는 장치가 필요하게 된다. 이러한 화상 입력 또는 화상 인식을 위해서는 이미지센서가 필수적으로 쓰이게 된다.
이미지센서는 광을 받아들여 전기 신호로 전환하는 소자로서, 전자-정공이 신호를 형성하여 출력부까지 전송되는 방식에 따라 CCD형 이미지센서와 CMOS형 이미지센서로 대별할 수 있다. CCD형 이미지센서와 CMOS형 이미지센서는 공통적으로 광을 받아들여 전기 신호로 전환하는 수광부를 가지고 있는데, CCD형 이미지센서는 이 전기 신호를 CCD(전하결합소자, Charge Coupled Device)를 통해 전달하며 마지막 단에서 전압으로 변환을 하게 된다. 반면에 CMOS형 이미지센서는 각 화소에서 전압으로 신호를 변환하여 외부로 보내게 된다.
좀 더 구체적으로 살펴보면, 빛에 의해 발생한 전자를 그대로 게이트 펄스를 이용해서 출력부까지 이동시키는 것이 CCD형 이미지센서이며, 빛에 의해 발생한 전자를 각 화소 내에서 전압으로 변환한 후에 여러 CMOS 스위치를 통해 출력하는 것이 CMOS형 이미지센서이다.
본 내용에서는 CCD형과 CMOS형 이미지센서에 대한 기술동향분석, 특허정보 분석, 산업 및 시장에 대해 살펴보았다.
Ⅱ. 기술동향 및 전망
1. 기술의 개요
가. 정의
이미지센서는 크게 CCD(전하결합소자, Charge Coupled Device)형과 CMOS(상보성금속산화물반도체, Complementary Metal Oxide Semiconductor)형으로 구분된다. 보통 CMOS형 이미지센서는 CIS(CMOS Image Sensor)라고도 한다. CCD형 이미지센서는 빛에 의해 발생한 전자를 그대로 게이트 펄스를 이용해서 출력부까지 이동시킨다. 따라서 도중에 외부잡음이 있어 전압은 달라지더라도 전자의 수 자체는 변환이 없으므로 잡음이 출력 신호에 영향을 주지 않는다.
반면 CMOS형 이미지센서는 빛에 의해 발생한 전자를 각 화소내에서 전압으로 변환한 후에 여러 CMOS 스위치를 통해 출력한다. 따라서 잡음은 원래 전압의 형태로 들어오는 것이므로, 잡음이 더해진 만큼 그대로 출력 신호에 나타나게 된다.
또한 CCD형 이미지센서는 하나의 출력 회로를 모든 화소의 신호가 거쳐감으로써 각 화소 간에 차이가 없는데, CMOS형 이미지센서는 각각의 화소가 전자-전압 변환 회로를 가지므로 각 화소 회로의 불균일성이 그대로 출력 신호에 반영되게 된다. 이러한 불균일성에 의한 잡음을 고정패턴잡음이라고 한다. 따라서 CMOS형 이미지센서는 고정패턴잡음을 비롯한 여러 잡음으로 인하여 화질이 CCD형 이미지센서에 비해서 떨어진다.
CCD형 이미지센서와 비교했을 때 회로가 복잡하며, 가격 측면에서 CCD형 이미지센서에 비해서 차이점이 없고, Chip 크기가 크다는 단점 등으로 인하여 CCD형 이미지센서에 비하여 그동안 크게 주목 받지 못하였다.
한편, CMOS형 이미지센서는 표준 공정을 사용하지만, CCD형 이미지센서는 특수한 공정을 사용하기 때문에 웨이퍼 제작 단가가 높다. 또한, CCD형 이미지센서는 구동 펄스가 통상 3.3V, 0V, -7V, 12V 등 여러 가지가 있어야 하므로 구동 IC가 특수해지면서 비용이 높아지는데, CMOS형 이미지센서는 0~3.3V 등의 단일 전원으로 구동이 가능하다. 또한, CMOS형 이미지센서는 Chip 내에서 디지털로 변환이 가능하고, 영상 신호 처리까지 가능하지만, CCD형 이미지센서는 이미지센서 이외 회로의 One-Chip화가 힘들다.
나. 발달사
이미지센서는 빛이 Color Filter를 통해 광 도전체에 들어오면 빛의 파장과 세기에 따라 광 도전체에서 발생하는 전자-전공이 신호를 형성해서 출력부까지 전송되는 것으로써, 그 방식에 따라 발달 과정이 다르다.
대체적으로 모든 기술이 그렇듯이, MOS계열의 이미지 소자 기술이 채택되고 상업적 전성기를 맞이하기까지는 약 40년이 흘렀다. 1960년까지는 화학적 필름을 이용한 사진 기술이 1800년대 중반부터 시작되었고, 1900년대에 들어와서야 진공관을 이용한 전자 이미징 기술이 시작되었다가 2차 세계대전 동안 발전이 가속화 되었다. 1960~1975년 사이 반도체 기술을 이용한 CMOS 및 CCD형 이미지센서가 발명되기 시작했다.
1967년 처음으로 수동형 화소(Passive Pixel) MOS형 이미지센서가 RCA(Sarnoff)의 Weimer, Fairchild의 Weckler 등에 의해 개발되었으나, 잡음이 심해 1990년도까지 별 다른 진척을 보지 못하였다. 1968년부터 개발되기 시작한 MOS형 이미지센서는 pn접합에서 전자-정공이 생성되어서 MOS스위치에 의해 신호를 내보내는 구조로 되어 있었다. 1979년에 320x224개의 화소를 가지는 흑백의 MOS 소자가 Hitachi에 의해 처음 개발되었다. 그러나 고정패턴 잡음을 비롯한 잡음으로 인하여 화질이 CCD형 이미지센서에 비해서 열등하고, 또한 CCD형 이미지센서 대비 회로가 복잡하고 Packing Density가 낮으며, Cost 측면에서 CCD형 이미지센서에 비해서 차이점이 없고, Chip 크기가 크다는 이유로 1989년에 MOS형 이미지센서 개발을 포기하고 CCD형 이미지센서 개발로 전환을 하였다. 그 후, 1981년에 384×485개의 화소를 가진 Color Chip이 개발되었고, 1985년에 TSL(Transversal Signal Line) 방식을 이용한 소자가 개발되었다. 이 소자는 VLSI 기술의 발달에 따라 한 화소에 2개의 MOS 트랜지스터를 연결해서 각 수직 신호선의 스미어(Smear) 잡음을 수백분의 1로 줄인 것이다. 이 MOS형 이미지센서는 화소의 pn접합에서 빛에 의해 발생한 전압이 단순히 스위치를 통해 출력부에 연결되는 구조이기 때문에 신호가 약하고, 잡음이 들어올 경로가 많았다.
이후 반도체 공정 기술의 발전에 힘입어 1990년 초반 Hamamatsu, IVP, STMicroelectronics 등이 수동형 화소 CMOS형 이미지센서를 개발하기에 이르렀고, 1990년도 중반부터 미국의 JPL(Jet Propulsion Laboratory)이 오늘날 널리 쓰이는 능동형 화소(Active Pixel) 이미지센서의 발전을 이끌었다. 그 이후 1990년 NHK/Olympus에서 AMI(Amplified MOS Imager)를 발표하였고, 1993년 Edinburgh 대학에서 최초의 CMOS형 Camera Chip을 발표한 이후로 같은 해 JPL(Jet Propulsion Laboratory)에서 CMOS형 APS(능동형 화소센서, Active Pixel Sensor)를 발표하였고, 1995년 미국의 대학 및 연구기관에서 본격적인 CMOS형 이미지센서에 대한 개발이 시작되었다. 이 무렵 생겨난 파운드리(Foundry) 업체로 인해 생산 시설을 보유하지 않고도 많은 이미지센서 업체가 이미지센서를 설계, 생산, 판매할 수 있는 Business Model을 갖출 수 있었다.
그 후, 반도체 기술이 발달함에 따라 한 화소에 3개 또는 4개의 트랜지스터를 넣어 화소 내에서 신호를 증폭하는 기술이 널리 쓰이게 되었다. 이 기술에 의해 화소 내에서 신호를 증폭해서 내보내기 때문에 잡음에 강하고, 또 CDS(상관 이중 샘플링, Correlated Double Sampling)방식을 응용해서 고정패턴 잡음과 랜덤잡음(Random Noise)을 저감시킬 수 있게 되었다. 2001년에는 130만 화소 CMOS형 이미지센서가 Motorola에 의해 발표되었고, 현재는 200만 화소급이 발표되고 있다.
한편, CCD형 이미지센서는 1969년 CCD의 전신인 BBD(Bucket Brigade Device)가 Philips의 Sangster에 의해 도입되었고, 1969년에서 1970년 사이 Bell Labs의 Boyle, Amelio 및 Smith가 Philips와 CalTech의 도움을 받아 CCD를 이용한 새로운 기능의 전하 결합(Charge Coupling) 원리에 대하여 발표하였다.
그 후 Amelio와 Tompsett, 그리고 Smith가 발표한 MOS 다이오드를 이웃하게 배치하여 아주 간단한 최초의 CCD를 개발하였다. 1973년 Interline 방식을 사용한 CCD형 이미지센서가 발표되었고, 1982년에는 OFD(Overflow Drain) 구조가 채택되어서 화질이 크게 향상되었다. 1980년대 후반부터 NTSC 및 PAL방식의 CCD형 이미지센서가 널리 쓰이기 시작했다. 최근에는 디지털 카메라용으로 400~500만 화소의 CCD형 이미지센서가 일반적으로 쓰이고 있다.
2. 기술의 특성
이미지센서는 크게 빛에 의해 발생한 전자를 그대로 게이트 펄스를 이용해서 출력부까지 이동시키는 CCD형 이미지센서와, 빛에 의해 발생한 전자를 각 화소 내에서 전압으로 변환한 후에 여러 CMOS 스위치를 통해 출력하는 CMOS형 이미지센서로 구분된다.
가. CCD형 이미지센서
CCD형 이미지센서는 각 화소마다 구성된 포토다이오드(Photo Diode)와 이 신호를 외부로 전달하는 CCD로 구성되어 있다. 각 화소의 신호를 받아서 수직 방향으로 신호를 전달하는 CCD를 VCCD(수직 CCD, Vertical CCD)라 하고, 이를 받아서 수평 방향으로 전달하는 기능을 하는 CCD를 HCCD(수평 CCD, Horizontal CCD)라고 한다. CCD형 이미지센서는 전하를 전달하는 방식에 따라 IT(Interline Transfer) 방식, FT(Frame Transfer) 방식, 그리고 FIT(Frame Interline Transfer) 방식으로 나눌 수 있다.
1) IT(Interline Transfer) 방식
포토다이오드와 VCCD를 분리하여 형성하고, 포토다이오드에서 전하를 축적하여 VCCD로 넘긴다. 전하들은 HCCD로 보내고 Sense Amp에 의해 신호전하를 읽어낸다. 포토다이오드와 VCCD로 분리하여 형성되기 때문에 감도를 좋게 하기 위해서 포토다이오드를 키우면 VCCD 영역이 좁아져 전하 전송 효율이 나빠지는 문제가 있다. 일반적으로 감도 향상을 위하여 Micro-lens를 사용한다. 오늘날 대부분의 캠코더에 사용되는 방식이다.
2) FT(Frame Transfer) 방식
빛을 받아들이는 영역과 전달하는 영역이 기판의 위 부분과 아래 부분으로 구분되어 있는 방식의 CCD형 이미지센서를 말한다. 촬상 영역에서는 전송 CCD 소자가 없는 순수한 촬상 소자로만 구성되어 있어 화소 크기가 크고 감광부 전체에 광전 변환이 이루어져 고감도화에 유리하고 고정패턴잡음도 작다. 일반적으로 신호전하 버퍼가 따로 존재하므로 면적이 IT 방식에 비해 커지는 단점이 있다.
3) FIT(Frame Interline Transfer) 방식
IT 방식과 FT 방식의 장점을 이용한 구조로, 촬상면은 IT 방식이고 전하 축적은 FT 방식이다. IT 방식에서는 사용할 수 없는 전자 셔터(Shutter)를 사용하여 스미어와 다이내믹 해상도 개선 및 구동 방식의 개선으로 플리커 잡음(Flicker Noise)을 없앨 수 있다. IT 방식에서는 VCCD에 의한 신호 전달 시간이 길지만, FIT 방식에서는 HCCD의 전달과 감광 영역에서 축적 영역으로의 전송 동작이 각각 독립적으로 이루어지기 때문에 전하의 고속 전송이 가능하다. 스미어 억제와 전자 셔터에 의하여 동작할 수 있다.
나. CMOS형 이미지센서
1) 1-Tr 구조
1-Tr 구조의 경우 <그림 1>과 같이 아주 간단한 구조로 구성된다. 1화소를 구성하는 요소가 MOSFET 1개, 포토다이오드 1개로 구성되므로 동일한 화소 크기에 대해서 2~4 Tr 구조의 화소보다 수광부 면적을 크게 할 수 있는 장점이 있다. 또한 70~80%에 이르는 Fill Factor를 얻을 수 있다. 그러나 신호 판독 잡음 레벨이 대략 250 e-
이러한 구조로는 포토다이오드 형태 수동형 화소(Passive Pixel) 구조와 CMD (Charge Modulation Device)가 있다. 그러나 CMD의 경우 일반적인 CMOS 공정을 사용하지 않고 특별한 공정을 적용하기 때문에 Non-CMOS APS라고 불리기도 한다.
1-Tr 구조의 동작은 수광부에 빛이 입사하게 되면 이에 따라 EHP가 생성되고, 이렇게 생성된 신호 전하는 트랜지스터의 게이트 전압에 따라 출력단으로 전달되는 방식으로 되어 있다.
2) 3-Tr 구조
1-Tr 구조가 가지고 있는 기생 커패시턴스에 의한 잡음을 제거하기 위하여 1968년에 일본의 Noble이 제안한 구조로서, 1980년대 후반에 NHK에서 개발한 구조이다. 3-Tr 구조는 <그림 2>와 같이 아주 간단한 구조로 구성된다. 화소 내에 Source Follower를 삽입한 구조로서 포토다이오드 형태 APS라고 부르기도 한다.
1화소 내에 3개의 트랜지스터와 1개의 포토다이오드가 첨가되어 있으므로 1-Tr 구조에 비해 상대적으로 Fill Factor가 낮으며, 기생 커패시턴스에 의한 잡음을 제거하기 위해서 삽입된 Source Follower의 화소간 문턱 전압 Uniformity에 따라 잡음이 발생할 소지가 증가하게 된다. Toshiba 및 VLSI Vision 등 여러 회사에서 사용하고 있는 구조이기도 하다.
3) 4-Tr 구조
4-Tr 구조는 판독 잡음(Readout Noise) 억제를 위해 1980년대에 일본의 Hamamatsu가 제안한 구조이다. CCD형 이미지센서의 출력단과 거의 흡사한 구조를 가지고 있으며, 4개의 트랜지스터와 1개의 포토다이오드로 구성되어 있다.
4-Tr 구조는 <그림 3>에서 보는 바와 같이 CCD형 이미지센서와 마찬가지로 출력단으로 부동 확산(Floating Diffusion) 노드를 이용하므로 이미지 Lagging이 발생할 소지가 높다. 또한 3-Tr 구조와 마찬가지로 화소 내에 존재하는 트랜지스터들의 문턱 전압 Uniformity에 따라 잡음이 발생할 소지가 높으며, 1화소 당 트랜지스터의 수가 상대적으로 다른 구조에 비해 많기 때문에 Fill Factor가 낮은 단점이 있다.
기존의 4-Tr 구조가 가지고 있는 이미지 Lagging 문제를 해결하기 위하여 1993년에 JPL(Jet Propulsion Laboratory)에서는 Photo-Gate Type CMOS APS를 제안하였다. 4-Tr Photo-Gate Type CMOS APS의 경우, 포토다이오드 상단부에 Photo-Gate라는 전극을 올려 축적된 신호를 출력 확산 노드로 전송이 잘 되도록 도움을 주기 위한 구조이다. 그러나 포토다이오드상에 존재하는 Photo-Gate를 Poly 전극을 이용할 경우 제조된 소자의 광 응답 특성이 나빠지는 단점(특히, Blue Response)이 있으며, 이를 극복하기 위해서 투명한 전극인 ITO(Indium Tin Oxide)를 사용하기도 한다. 이러한 CMOS형 이미지센서의 가장 큰 단점은 암전류(Dark Current)가 크다는 것인데, 이를 극복하기 위해서 CCD형 이미지센서에서 적용하는 HAD(Hole Accumulated Device) 또는 PPD(Pinned Photo Diode) 구조를 적용한다.
다. CCD와 CMOS형 이미지센서의 특성 비교
1) 응답성(Responsivity)
입력되는 빛의 단위 에너지 당 센서가 전달하는 신호의 양, 즉 선형 영역에서 빛의 강도(Intensity)에 대한 단위 면적 당의 전자의 개수를 의미한다.
CMOS형 이미지센서는 일반적으로 이득 요소들의 One-Chip화가 쉽기 때문에 CCD형 이미지센서보다 응답성이 약간 더 우수하다.
CMOS형 이미지센서는 상보성 트랜지스터를 사용하는데, 이 상보성 트랜지스터는 저전력, 고이득 증폭기들을 만들기 쉽다. 반면에 CCD형 이미지센서는 대개 상당한 이득 손실이 있다. 몇몇 CCD형 이미지센서 제조업체들은 새로운 Readout 증폭기 기법들을 가지고 이러한 개념에 도전하고 있는 중이다.
2) 동적 범위(Dynamic Range)
화소의 신호 잡음 레벨에 대한 화소의 포화 레벨(Saturation Level)의 비율을 의미하며, 20log10 로 주어진다.
포화시 약 20만개의 전자를 검출하고, 잡음시 약 40개의 전자가 검출되면 동적 범위는 대략 5,000이고, dB은 약 -75dB 정도가 된다. 동일 조건에서 CCD형 이미지센서가 CMOS형 이미지센서에 비해서 2배 정도 우수하다. CMOS형 이미지센서는 각 화소의 전하를 바로 전압으로 변화시키는 회로에 사용되는 트랜지스터들의 변화에 따라 출력 특성이 영향을 받기 때문이다. 공정의 발달로 트랜지스터의 문턱 전압 변화, 사진 식각 공정의 균일성 제어 능력이 발전하기는 하였으나, 아직 CCD형 이미지센서에 비하면 잡음의 값이 크다. CMOS형 이미지센서에서는 이러한 잡음을 줄이는 보상 회로로 만회하려는 노력이 있다.
3) 균일도(Uniformity)
동일한 빛 아래에서 화소들 간의 응답의 균일성으로, 이상적으로는 일정해야 되지만, 웨이퍼 공정에 기인하는 불균일성, 입자에 의한 결함, 그리고 증폭기의 불균일성들이 균일도를 나쁘게 한다. 빛이 들어올 때의 균일도와 암흑(Dark) 상태의 균일도를 구분하는 것이 중요하다.
CMOS형 이미지센서는 균일도면에서 불리하다. 각 화소는 개루프(Open Loop) 출력 증폭기로 구성되어 있고, 각 증폭기의 오프셋과 이득은 웨이퍼 공정상의 변화들 때문에 상당히 변하는데, 그 결과 암흑 상태와 조명 상태의 불균일도가 CCD형 이미지센서보다 더 나쁘게 된다.
어떤 사람들은 이것이 디바이스 크기(Geometries)를 줄여서 Variances가 증가될 때 CMOS형 이미지센서의 사용이 어려울 것이라고 얘기한다. 그러나 피드백(Feedback) 기반의 증폭기 구조들은 밝은 상태에서의 이득을 줄여 균일도를 향상시킬 수 있다. 증폭기들은 몇몇 CMOS형 이미지센서의 밝은 상태에서의 균일도를 CCD형 이미지센서에 가깝게 향상시킬 수 있으며, 화소 크기가 줄어들 때도 균일도를 향상시키기가 용이하다.
4) 셔터링(Shuttering)
노출을 임의로 조절할 수 있는 능력으로, 대부분의 산업용 CCD형 이미지센서, 특히 IT(Interline Transfer) 방식 소자의 표준적인 특성이며, Machine Vision 응용 분야에서 특히 중요하다. CCD형 이미지센서는 심지어 작은 화소의 이미지센서들에서도 작은 Fill Factor를 가지고 우수한 전자 셔터링을 제공할 수 있다.
5) 속도(Speed)
모든 카메라 기능들이 이미지센서 위에 집적될 수 있기 때문에 CMOS형 이미지센서가 CCD형 이미지센서보다 장점을 갖는 분야로, 하나의 기판에 One-Chip화 되며, 신호 및 전력선들의 거리가 짧아지고 적은 인덕턴스(Inductance), 커패시턴스, 그리고 전파 지연(Propagation Delays)을 가진다.
CCD형 이미지센서가 산업적, 과학적 그리고 의료 응용 분야 등 비교적 고속을 요구하지 않는 소비자 응용 분야들에 초점을 맞추었기 때문에 이러한 맥락에서 볼 때 최근 CMOS형 이미지센서의 우수성이 더 잘 드러난다.
6) 윈도우화(Windowing)
CMOS형 이미지센서 기술의 고유한 능력 중 하나로, 이미지센서의 한 부분만을 읽을 수 있는 능력이다. 이것은 작은 관심 영역 부분만의 증가된 Frame Rate 또는 Line Rate가 가능하다. 이미지의 부분 영역에서 High Temporal Precision, 물체 추적과 같은 몇몇 응용 분야들에서 CMOS형 이미지센서가 사용되는 이유이다. 그러나 CCD형 이미지센서는 일반적으로 윈도우화가 어렵다.
7) 잡음(Noise)
이미지센서에서의 잡음은 크게 두 가지로 대별할 수 있는데, 패턴잡음(Pattern Noise)과 랜덤잡음(Random Noise)이 그것이다. 일반적으로 랜덤잡음은 실제 잡음으로 불리우는 것으로 화면마다 서로 다르게 나타난다. 그래서 여러 화면을 평균화하면 줄어든다. 반면, 패턴잡음은 위치에 따라 나타나는 것으로 화면마다 크게 바뀌지 않고 거의 동일하게 나타난다. 따라서 여러 화면을 평균화하더라도 없어지지는 않는다. <표 1>은 CCD형과 CMOS형 이미지센서의 전반적인 특성을 비교 분석한 것이다.
