이미지센서

CCD형 이미지센서와 CMOS형 이미지센서는 공통적으로 광을 받아들여 전기 신호로 전환하는 수광부를 가지고 있다. CCD형 이미지센서는 이 전기 신호를 CCD(전하결합소자, Charge Coupled Device)를 통해 전달하며 마지막 단에서 전압으로 변환하게 된다. 반면 CMOS형 이미지센서는 각 화소에서 전압으로 신호를 변환하여 외부로 보내게 된다.좀더 구체적으로 살펴보면, 크게 빛에 의해 발생한 전자를 그대로 게이트 펄스를 이용해 출력부까지 이동시키는 것이 CCD형 이미지센서이며, 빛에 의해 발생한 전자를 각 화소 내에서 전압으로 변환한 후에 여러 CMOS 스위치를 통해 출력하는 것이 CMOS형 이미지센서이다.참고로 이미지센서의 개발 연혁을 표 1에 나타낸다.CMOS형, 2007년에 매출액 기준 CCD형 추월최근 20년간 시장을 독주했던 CCD형 이미지센서 시장의 아성에 새로운 CMOS형 이미지센서가 도전장을 내밀고 있다. CMOS형 이미지센서는 모바일폰 핸드셋과 무선 내시경, 광마우스, 머신비전(machine vision) 등 다양한 응용 분야에서 시장을 구축하고 있다. 이미지센서 시장은 그림 2에서 보는 바와 같이 향후 급격한 성장이 계속되어 2008년에는 4조원 이상의 시장을 형성하리라 예측된다.CCD형 이미지센서의 경우 공정이 CMOS형 이미지센서에 비해 상대적으로 어렵고, 랜덤 액세스(random access)가 불가능했다. CMOS형 이미지센서의 경우 CMOS 공정기술의 발달 및 신호처리 알고리즘의 개선 등으로 인해 기존의 CMOS형 이미지센서가 가지고 있던 단점들이 극복되기 시작했다. 또한 선택적으로 CCD형 이미지센서 공정을 CMOS형 이미지센서에 적용, 제품의 질이 기존에 비해 월등히 개선되어 이미지센서 시장을 CCD형 이미지센서와 양분할 정도로 기술력이 급격히 상승하고 있는 상황이다.물량으로는 2002년에 이미 CCD형 이미지센서 시장을 넘어섰지만, 광마우스 등 저가 시장을 위주로 하기 때문에 그림 3에서 보는 바와 같이 2007년이 돼서야 매출액으로 CCD형 이미지센서 시장을 능가할 전망이다.연구개발 방향 CMOS형에 집중그림 4는 출원 연도별 전체 특허동향을 나타낸 것으로, CCD형 이미지센서와 CMOS형 이미지센서에 대한 연구개발 판도인 특허 출원(등록) 비중은 1990년을 전후한 시기에는 CCD형 이미지센서 중심이었으나, 2000년을 전후한 시기에는 CMOS형 이미지센서로 무게 중심이 전환됨을 알 수 있다. 따라서 향후 이미지센서 분야에서의 주 연구개발 방향은 CMOS형 이미지센서가 될 것으로 판단된다. 이러한 CMOS형 이미지센서로의 중심 이동은 다음과 같은 이유로 CMOS형 이미지센서 기술이 발전하게 된 것이 그 원인으로 보인다.이미지센서는 1967년부터 개발되기 시작하여 1970년대 후반에 CCD형 이미지센서가 상업화되었다. 이후 꾸준한 기술발전에 힘입어 CCD형 이미지센서 중심의 기술개발이 이루어졌고, 특히 1980년대 후반에는 일본에서 특허출원이 크게 늘어 전체 특허건수가 급증한 것을 볼 수 있다.1990년을 전후한 특허건수의 증가는 개인용 디지털 비디오의 보급 확대에 따른 CCD형 이미지센서에 대한 수요증가뿐만 아니라, 일본을 중심으로 한 CMOS형 이미지센서의 기술개발에 기인한 것으로 판단된다. 그리고 1995년을 전후한 특허건수의 감소는 히타치 등이 1979년부터 CMOS형 이미지센서의 기술개발을 추진하였으나, 당시까지의 주변기술 여건상 CMOS형 이미지센서의 단점을 해결하지 못해 1989년 CMOS형 이미지센서의 기술개발을 포기하는 등 연구개발 방향전환에 기인하는 것으로 보인다.▲ 반도체 공정 기술에 힘입어 1990년대 초반 Hamamatsu 사, 1990년대 중반 및 후반에 미국의 대학 및 연구기관에서 CMOS형 이미지센서의 단점인 잡음을 제거하는 기술 등이 개발됨.▲ 반도체를 주문받아 생산해 주는 파운드리 업체의 출현으로 설계 능력만 있으면 생산이 가능하게 되어 주문형 반도체 제작이 가능해짐.▲ 아울러 이동통신기기와 같은 저전력 소비와 저전압 구동을 요구하는 이미지센서 시장의 출현과 인터넷 등에서의 저 해상도 이미지 전송의 요구에 적합한 저가의 이미지센서 수요에 부응.등으로 이미지센서 관련 특허가 급증하게 된다는 것을 알 수 있고, 이로 인해 전체적인 특허건수가 증가하고 있다.특허권리분석1. CCD형 이미지센서CCD에서 좋은 화질을 확보하기 위한 주요 부분인 수광부는 일차적으로 광의 전기적 변환이 이루어지고 화질의 품위를 결정하는 중요한 부분이다. 이 부분은 화소수의 증가와 함께 화소 면적이 줄어듦에 따라 더욱 더 기술개발이 요구되는 부분이다. 또한 잡음의 억제, 광 변환 효율의 확보 등 좋은 화질을 확보하기 위한 주요 부분이다. 따라서 이미지센서에서의 화질 향상의 관건이 되는 수광부와 관련된 특허를 기술별로 분석했다.▶ OFD(Overflow Drain) 구조 - VOFD(수직 OFD, Vertical OFD) 구조 - 전자셔터 - HOFD 구조 - BHOFD 구조 - 낮은 OFD 전압 기판 구조 - 자동전압인가 회로 등▶ 전송 게이트(Transfer Gate) - 포토다이오드에 전압 경사를 구성하여 전송 효율 증대 전송 게이트 채널에 n형 불순물 주입 - Punch-through 동작으로 전송 게이트 동작 등▶ 암전류(Dark Current) 억제 - HAD(Hole Accumulation Diode) 구조에 의한 표면 잡음 방지 - 수소 열처리를 통한 잡음 방지 - 기판에서 발생하는 스미어(Smear) 방지 구조 - 포토다이오드 가장자리에서 발생하는 잡음 방지 등▶ 소자 및 회로 구조 - 포화되는 시간을 출력하는 방식 - 신호전하의 증가율을 출력하는 방식 - 화소별로 노출시간을 다르게 하는 방식▶ Multi-layer 구조▶ 감도 향상 - Micro-lens 형성방법 - 마이크로렌즈 보호막 - 마이크로렌즈의 형상변화 - 표면 요철 등▶ 광 차폐층 - 고융점 금속을 위한 광 차폐층 - 이중금속을 위한 광 차폐층 등2. CMOS형 이미지센서낮은 소비전력, 공정의 편리성이나 회로의 One-Chip화 등으로 CMOS형 이미지센서에 대한 수요나 사용이 점점 늘어가고 있다. 이러한 수요의 증대와 함께 이 CMOS 이미지센서는 더욱 더 화소수가 증가하여 고품위화가 요구되고, 단점인 잡음 제거 및 극복이 중요한 과제이다. 따라서 좋은 화질을 확보하기 위해 중요한 요소이며, 화소의 피치가 점점 작아짐에 따라 더욱 더 잡음을 줄여야 함으로 잡음 제거와 관련된 특허를 기술별로 분석했다.▶ 고정패턴잡음(FPN, Fixed Pattern Noise) 제거 - CDS(Correlated Double Sampling) 회로 이용 - 클램프(Clamp) 방식 이용 - 기타 방법 이용 등▶ 암전류(Dark Current) 제어 - 암전류(Dark Current) 개선 - 암화소(Dark Pixel) 보상 - 열잡음 제거 등▶ 결함 구제/평균화 - 검출회로와 보정회로를 통한 결함화소 자동 보정 등▶ 스미어(Smear)/블루밍(Blooming) 등 제거 - 광발생 전하를 축적하는 캐리어 포켓을 구비하여 스미어 잡음을 감고시키는 구조 등이미지센서는 “진화 중”1. CCD형 이미지센서이미지센서의 성능은 기본적으로 수광부의 효율이 좌우한다. 피사체에서 입사되는 광 신호를 최대한 많이 집광하여 포토다이오드로 보내주어야 하며, 포토다이오드는 누설 광이 없도록 광전 변환 효율이 높아야 한다. 그리고 발생한 신호 전하(전자 또는 정공)의 저장 용량이 커야 하며, 누설전류 없이 잘 보관하고 있다가 부동확산층으로 잘 전송시켜 주어야 한다. CCD형 이미지센서의 경우는 포토다이오드에서 매몰형 채널로 전송이 용이해야 하며, 로우/칼럼 개수만큼의 클록 신호에 따라 CCD 채널을 따라 이동해야 하므로 전송 효율이 뛰어나야 한다.전송 또는 신호 처리 중 잡음이 발생하면 결국 S/N비가 떨어져 화질 열화를 가져오지만, 그래도 가장 기본적인 물리적 부분은 빛을 잘 받아 보관하는 포토다이오드이다.향후에는 소자마다 민감하게 변화하는 OFD 전압 값을 스스로 설정하는 회로의 개발과 함께 신호 전하의 양에 따라 OFD 전압 값을 적절히 자동 변화시켜 실제적인 동적 범위를 증대시킬 수 있는 구조나 회로 분야로 연구개발이 집중될 것으로 예상된다.협의의 수광부는 신호 광을 광전 변환하고 보관하는 포토다이오드를 의미하지만, 넓은 의미의 수광부는 신호 전하를 보관하거나 전송하면서 발생하는 잡음을 제거하고 다음 단계, 즉 전송 채널이나 부동확산층으로의 전송 효율까지 높일 수 있도록 고려한 설계가 되어야 한다.
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