CMOS형과 CCD형 이미지센서의 현재와 미래 (2) 3. 기술 연구개발 동향
가. 해외 연구개발 현황
기술의 발전에 따라 이미지센서의 화소 크기가 줄어들어 고화소의 센서가 가능해지고 있다. 화소 크기의 기술 변화는 현재 CMOS형 이미지센서의 경우는 약 3마이크론, CCD형 이미지센서의 경우는 약 2마이크론까지 화소 크기가 줄어들었다.
화소 크기뿐 아니라 여러 가지 방향으로 기술 개발이 이루어지고 있는데, 이미지센서 개발을 주도적으로 이끌어가고 있는 각국의 주요 업체들에 대한 기술 및 제품 개발동향에 대해서 살펴보면 다음과 같다.
신생 회사인 카네스타는 PDA 등 모바일 기기의 키보드, 마우스를 없앨 수 있는 가상 키보드 개념을 도입했다. 이 구조는 CMOS 카메라와 적외선램프, 그리고 레이저 프로젝트 모듈로 되어 있는데, 아직 정확성이 좀 떨어지지만 Dual-Gate CMOS 화소를 사용한 특이한 구조로 실시간 영상 처리를 가능하게 하여 저가의 3차원 이미징 시스템이다.
한편, 이스라엘의 트랜스칩은 2003년 11월 영상 압축 방식인 JPEG 기능을 CMOS형 이미지센서에 집적한 기능의 센서를 개발하였다. 따라서 카메라 모듈의 칩개수를 줄일 수 있기 때문에 작은 카메라 모듈을 만들 수 있다.
포비언은 포토다이오드 구조를 Stack한 형태의 독특한 구조를 사용함으로써 실제적인 화소 개수를 증가시키는 형태를 개발했으며, 이는 수직 방향으로 빛의 파장에 따라 흡수도가 다른 점을 이용하여 컬러필터를 사용하지 않고 색 신호를 구별할 수 있게 한 것이 특징이다. 이로 인해 이 회사는 1천6백만 화소의 고화소수 CMOS형 이미지센서를 내놓았다. 그러나 설계와 공정이 까다로워 양산성이 어려워 보이고 정확한 색 신호를 뽑아내기 위해서 신호 처리는 복잡해진다. National Semiconductor사가 지분을 가지고 있으며, 1천만 화소가 넘는 CMOS형 이미지센서 제품을 디지털 카메라용으로 개발, 판매하고 있다.
Fuji Film Microdevices는 1999년에 일명 Super CCD라 불리는 대가선배열의 CCD형 이미지센서 화소 구조를 사용하여 나중에 보간(Interpolation)을 통해서 해상도를 50% 증가시켰다. 화소 모양도 종래의 사각형 구조에서 팔각형으로 바꾸어 집적도를 높였다.
또한 2003년에 7백만 화소의 Super CCD HR과 Super CCD SR(S: 감도 높은 큰 화소, R: 감도 낮은 작은 화소)을 발표하였다. 이는 크기가 다른 두 가지 화소를 교대로 사용하여 해상도를 높인 구조이다. 최근 10% 정도의 물량을 미쓰비시에 공급한다고 알려졌으며, 핸드폰용으로 삼성전자에 공급한다고 알려졌으나 확실하지는 않다.
Innotech Corp은 VMIS(Threshold Voltage Modulation Image Sensor)라는 트랜지스터를 하나만 사용하는 CMOS형 이미지센서를 내놓았다. 이 구조는 잡음이 적고 저전압 동작이며 화질이 좋다고 주장하는데, 2003년 6월 후지쯔와 세이코 엡손이 이 기술에 대해서 라이선스 계약을 맺었다.
Silicon Video는 Photon Vision Systems란 회사의 바뀐 이름이다. ACS(Active Column Sensor)라는 폐루프(Closed Loop) 증폭기를 사용하여 각 칼럼의 정전 용량을 줄였다. 따라서 전력 소모가 적고 속도가 빠르며 화소 효율을 증가시킴으로써 감도를 높이며, 고정패턴잡음을 줄인다.
Texas Instruments는 Impactron이라는 이름으로, e2V사는 L3Vision이라는 이름으로 독립적으로 각각 개발하였다. CCD형 이미지센서 외부 칩에서 Avalanche 증폭과 비슷한 개념으로 전하를 증폭시켜 주는 회로인데, 일반적인 증폭기보다 S/N비를 향상시킬 수 있다는 점이 특징이다. 특허권은 Texas Instruments가 보유하고 있다.
한편, 도시바 마쯔시타 디스플레이는 2003년 4월 비정질 실리콘 대신 저온 폴리 공정을 이용한 실리콘 기판을 사용하여 이미지센서가 집적된 평판 패널 디스플레이를 발표하였다. 이는 폴리 실리콘 기판을 사용함으로써 박막트랜지스터의 전자 이동도를 향상시켰다.
캐논, 마쯔시타 및 소니는 2004년 2월 ISSCC 학회에서 각각 종래의 3~4개의 트랜지스터를 사용하는 화소 구조에서 탈피하여 인접한 화소들이 필요한 트랜지스터를 공유하는 방법으로 화소 당 트랜지스터를 2개, 1.5개, 1.75개로 줄여 감도를 올릴 수 있는 구조를 발표하였다. CMOS형 이미지센서의 화소수가 증가함으로서 기술적 한계에 부딪히자 Fill Factor를 올릴 수 있는 방법을 고안한 것이다.
캐논은 CCD형 이미지센서와 CMOS형 이미지센서를 모두 생산하고 있는데, CMOS형 이미지센서 기술은 초기에 미쓰비시로부터 들여왔고 대부분 자체 소모한다. 자체의 리소그래피(Lithography) 기술을 이용하여 Reticle보다 더 큰 35㎜ 이미지센서를 개발하기도 하였다. 현재 이 회사의 가장 앞선 이미지센서는 초당 3프레임을 찍을 수 있는 화소 크기 8.8마이크론의 1천 1백만 화소 CMOS형 이미지센서이다. 또한, 이미지센서 면적이 43㎝×43㎝에 이르는 7백만 화소짜리 디지털 X-ray 카메라도 개발하였다.
소니는 이미지센서에 관한한 20년 이상의 연구개발 역사를 자랑하는 세계최고의 CCD형 이미지센서 제조 회사로 인정받고 있다. 최고 화소수의 제품은 6백만 화소이며, 생산량의 75%를 일반 시장에 공급한다. 2003년 6월 CMOS형 이미지센서를 생산한다고 공표한 바 있다. HAD라 불리는 잡음감소 구조를 처음으로 개발하였으며, 또한 화소에 Micro-lens를 적용하는 기술을 세계 최초로 적용하였다. 그러나 CMOS형 이미지센서에서 세계 최고라 하기엔 아직 이르다.
미쓰비시는 1998년 사람의 망막 구조를 본떠 Artificial Retica Chip을 발표했으며, 2002년 9월 삼성전자와 CMOS형 이미지센서 공동 개발에 합의했으나, 2003년 4월 히다찌와 CMOS형 이미지센서 합작 회사인 Renesas Technology를 세웠다.
샤프는 27만 화소부터 4백 2십만 화소에 이르는 CCD형 이미지센서를 공급하고 있으며, CCD형 이미지센서 주변 회로 칩들도 함께 공급하고 있다. CCD형 이미지센서 생산량의 1/4은 자체 소모하고 있으며, 주 고객은 캐논이다. 디지털 카메라용으로 가장 작은 화소 크기인 2.75마이크론의 2백만 화소짜리를 공급하고 있다. CMOS형 이미지센서의 67%는 자체 소모되고 있으나, CCD형 이미지센서에 비해 경쟁력이 높지는 못하다. 고화질 저가격의 센서로 알려져 있다.
Agilent Technologies는 HP(Hewlett-Packard)의 계측기 부분이 분사되어 세워진 회사로, 1990년도 초에 광 마우스 제품을 염두에 두지 않고 개발했던 센서와 Comparator를 결합했던 제품인 광 마우스 시장이 부상하면서 효자상품이 되었다. 1998년 초당 1,500프레임을 처리할 수 있는 작은 CMOS형 이미지센서를 개발하였다.
Waterloo 대학에서 출발한 Dalsa는 세계 최고의 화소수인 2천5백만 화소짜리 이미지센서를 보유하고 있으며, 최근 Philips Electronics의 CCD형 이미지센서 사업 부문을 인수하였다. Dalsa는 TDI(Time Delay Integration) 방식을 이용한 머신 비전용 빠른 속도의 고부가가치 센서에 관심이 많다.
Micron Technology는 DRAM과 플래시 메모리 제조 회사로 유명하며, 2001년 Photobit Corp를 인수하면서 CMOS형 이미지센서를 생산하였다. 30프레임 속도의 1백3십만 화소 센서를 개발하였으며, 200프레임 속도의 4백만 화소 센서도 머신 비전용으로 공급하고 있다.
OmniVision은 자체 생산 시설을 보유하지 않고 Foundry를 이용하여 값싼 CMOS형 이미지센서를 공급하고 있으며, DSP 전문회사였던 Zoran은 2000년 400억원에 PixelCam을 인수하면서 CMOS형 이미지센서 사업을 시작했다. 3.3마이크론급 1백3십만 화소의 센서를 공급하고 있다.
나. 국내 연구개발 현황
하이닉스반도체는 CIF 및 VGA급 CMOS형 이미지센서를 생산한다. 주 공급처는 코니카이며, 3마이크론 화소를 0.18마이크론 공정으로 1백만 화소짜리 센서 개발에 몰두하고 있다.
한편, 삼성전자는 1992년에 CCD형 이미지센서 생산을 시작하였다. 33만 화소 흑백 CCD형 이미지센서와 CMOS형 이미지센서를 주변 칩과 함께 공급하고 있다. 2002년 9월 미쓰비시와 공동으로 CMOS형 이미지센서 개발에 착수했으며, 현재 1백만급 CMOS형 이미지센서와 CCD형 이미지센서를 함께 개발 중이다.
다. 비교분석
CCD형 이미지센서는 정부 첩보기관과 우주개발 프로그램에서 그 역사가 시작되었다. 1969년도 후반에 Bell Labs의 William S. Bolye과 George E. Smith에 의해 CCD형 이미지센서가 개발된 이후, CCD형 이미지센서는 화소수 증가에 따라 CCD형 이미지센서에 집적할 수 있는 감광소자의 한계 극복과, 감광소자의 소형화에 따른 해상도, 감도(Sensitivity), 동적 범위(Dynamic Range), S/N비, 색 재현력 등의 고른 향상을 위해 지속적인 발전과 연구개발이 이루어지고 있다.
일본을 제외한 한국과 미국은 1997년까지는 CCD관련 기술개발이 지속적인 증가세를 나타내고 있으나, 1997년 이후에는 전체적으로 감소하는 경향을 보여 주고 있다. 이러한 경향은 경쟁상대인 CMOS형 이미지센서가 기술개발에 힘입어 저해상도 시장을 잠식하게 되고, 더 나아가 기술개발 경쟁력에서도 CMOS형 이미지센서가 우위를 점하기 시작했기 때문이다. 그러나 일본의 경우에는 CCD형 이미지센서의 주 수요처가 캠코더이며, CCD형 이미지센서의 주요 생산업체가 캠코더의 주요 생산업체인 소니, 마쯔시타, 샤프 등이기 때문에 CMOS형 이미지센서가 발전하였다 하더라도 고해상도 분야에서는 지속적으로 CCD형 이미지센서가 채택되는 등으로 인하여 CCD형 이미지센서 관련 개발이 증가하고 있는 것으로 보인다.
1990년을 전후한 CCD형 이미지센서 분야에서 일본의 특허출원이 급증하고 있는데, 이는 CCD형 이미지센서를 이용한 캠코더의 보급 확대와 CMOS형 이미지센서의 단점을 해결하고자 CMOS형 이미지센서에 투자했던 것이 중단됨으로써 CCD형 이미지센서 중심의 연구개발로 분위기가 확산되었던 것에 기인하는 것으로 보인다.
전체적으로 CCD형 이미지센서 관련 출원(등록) 비중이 일본을 중심으로 흐르고 있는데, 이는 CCD형 이미지센서 최대 수요처인 캠코더의 주요 생산업체가 일본의 주요 CCD형 이미지센서 생산업체이기 때문에 기술 경쟁력에서 일본에 뒤지고 있는 한국, 미국 등에서는 CCD형 이미지센서보다는 CMOS형 이미지센서를 중심으로 기술개발에 치중함으로써 CCD형 이미지센서 관련 특허건수가 급격한 감소세를 나타내고 있으나, 일본은 비교적 완만한 감소세를 나타내고 있다.
CCD형 이미지센서 분야의 전체적인 특허건수 감소 경향은 상기한 이미지센서 관련 시장동향에서 살펴본 바와 같이 점차 이미지센서의 시장 점유율이 CMOS형 이미지센서로의 전환이 예측되고, CCD형 이미지센서 분야는 기술적으로 CMOS형 이미지센서에 비하여 상대적인 안정화기에 돌입한 것에 기인하는 것으로 보인다.
라. 전망
1990년대 후반에 들어 CMOS 공정 기술의 발달 및 신호 처리 알고리즘의 개선 등으로 인하여 기존의 CMOS형 이미지센서가 가지고 있던 이러한 단점들이 극복되기 시작함에 따라 상대적으로 제작비용이 저렴하고, 전력 소모가 적으며, 주변 회로부와 집적이 가능하다는 등의 장점을 갖춘 CMOS형 이미지센서에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
따라서 현재는 CCD형 이미지센서가 디지털 카메라, 캠코더 등의 고급 고화질용으로, CMOS형 이미지센서는 휴대폰, PC, 감시 카메라 등의 저가 저전력을 요하는 분야에 쓰이고 있다. 최근 전자 제품의 추세는 휴대에 중점을 두고 경량화, 저전력화, 고집적화를 추구하고 있으며, CMOS형이 이러한 요구에 잘 부응하고 있다. CMOS형 이미지센서가 최근 200만 화소까지 개발됨에 따라, CCD형 이미지센서만을 사용하는 디지털 카메라 시장까지 진입이 시도되고 있어서 시장이 빠르게 확대될 것으로 예상된다.
Ⅲ. 기술특허정보 분석
1. 국내 특허동향
가. CCD 이미지센서 특허 동향
<그림 1>은 한국내 연도별 출원건수를 나타낸 그래프다. 1979년 일본의 히다찌로부터 시작된 한국내 출원은, 1980년대 말까지 주로 히다찌 및 소니 등의 일본 기업에 의한 출원이 대부분이다. 1996년을 전후하여 보이는 출원분의 하강 및 상승은 1990년대 중반부터 활발한 출원을 보이는 삼성전자 및 LG반도체에 의한 영향이라 볼 수 있다. 1990년대 후반부터 2000년 초반까지 한국의 하이닉스 및 삼성전자와, 일본의 소니, 샤프 및 일본전기에 의한 출원이 대부분을 차지하고 있다. 2002년 이후의 급격한 그래프 감소분의 원인은, 출원은 되었으나 아직 공개되지 않은 출원분이 통계에서 누락되었기 때문이다.
<그림 2>는 한국의 출원인별 출원분포를 나타내는 그래프다. 한국의 하이닉스, 삼성전자, 엘지반도체 및 일본의 소니, 닛본덴키(일본전기) 등의 다출원인에 의한 출원이 전체 출원의 70%이상을 차지하고 있다.
