이미지 센서

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1. 개요
2. 종류
- 2.1. 반도체 기술에 따른 분류
- 2.2. 배치에 따른 분류
  - 2.2.1. 선형 이미지 센서
  - 2.2.2. 면적 이미지 센서
3. 성능
- 3.1. 노출 시간 제어
4. 색 분리
5. 특수 용도 이미지 센서
6. 활용 분야
참조

1. 개요

이미지 센서는 빛을 감지하여 전기 신호로 변환하는 장치로, 종류는 재료, 소자, 전하 전송 방식 등에 따라 분류된다. 주류는 CCD 이미지 센서와 CMOS 이미지 센서이며, CMOS 센서는 저렴한 비용과 낮은 전력 소비로 인해 소형 소비자 제품에 주로 사용되고, CCD 센서는 고화질을 요구하는 고급 방송용 비디오 카메라에 사용된다. 이미지 센서는 선형 및 면적 이미지 센서로도 구분되며, 성능은 다이내믹 레인지, 신호대잡음비, 저조도 감도 등으로 평가된다. 색상 분리 방식에 따라 적분형, 포비온 X3, 3CCD 센서 등으로 나뉘며, 다중분광 영상, 의료 기기, 천문학 등 특수 분야에도 활용된다. 디지털 카메라, 비디오 카메라, 감시 카메라 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

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이미지 센서

2. 종류

이미지 센서는 재료, 소자, 전하 전송 방식 등 반도체 기술 및 전자공학적 관점, 스캔 방식이나 용도에 따라 다양하게 분류할 수 있다.

2. 1. 반도체 기술에 따른 분류

디지털 이미지 센서의 두 가지 주요 유형은 전하 결합 소자(CCD, Charge-Coupled Device)와 능동형 픽셀 센서(CMOS 센서, Active-Pixel Sensor)이며, 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS, Complementary MOS) 또는 N형 반도체(N-type semiconductor) MOS(NMOS 또는 Live MOS) 기술로 제작된다. CCD와 CMOS 센서 모두 MOS 기술을 기반으로 하며, MOS 커패시터가 CCD의 기본 구성 요소이고, MOSFET 증폭기가 CMOS 센서의 기본 구성 요소이다.^[4]

소형 소비자 제품에 통합된 카메라는 일반적으로 CMOS 센서를 사용하는데, 이는 CCD보다 비용이 저렴하고 배터리로 작동되는 장치에서 전력 소모량이 적다.^[8] CCD 센서는 고급 방송용 비디오 카메라에 사용되며, CMOS 센서는 전체 비용이 주요 관심사인 정지 사진 및 소비재에서 우세하다. 두 유형의 센서 모두 빛을 포착하고 전기 신호로 변환하는 동일한 작업을 수행한다.

전하 결합 소자(CCD)와 CMOS 이미지 센서는 둘 다 빛을 검출하여 전하를 발생시키는 포토다이오드를 광전 변환 소자로 사용하지만, 그 구조의 차이에 따른 가장 큰 특징은 변환된 전하의 전송 방식이 다르다는 것이다.^[40] CCD는 서로 이웃하는 셀에 순차적으로 전하를 전달하여 순차적으로 데이터를 읽어내는(시퀀셜 액세스) 방식의 디바이스인 반면, CMOS 센서는 메모리 칩처럼 행과 열로 직접 데이터를 읽어내는(랜덤 액세스) 방식의 디바이스이다.

CCD/CMOS 이미지센서의 특징
	CCD	CMOS
노이즈	증폭용 증폭기가 하나이기 때문에 적다	각 포토다이오드에서 증폭하기 때문에 많다
전원	고구동 전압이 필요하다. 필요 전력도 높다	저전압 구동이 가능하다
제조	전용 공정 필요	표준 CMOS 공정으로 대응 가능
기타		시스템온칩화가 가능하다

하이브리드 CCD/CMOS 아키텍처("sCMOS"라는 이름으로 판매)는 CCD 이미징 기판에 범프 본딩된 CMOS 판독 집적 회로(ROIC, Readout Integrated Circuit)로 구성되는데, 이 기술은 적외선 응시형 배열(staring array)에 대해 개발되었으며 실리콘 기반 검출기 기술에 적용되었다.^[12] 또 다른 방법은 최신 CMOS 기술에서 사용 가능한 매우 미세한 차원을 활용하여 CMOS 기술로 CCD와 같은 구조를 완전히 구현하는 것이다. 이러한 구조는 매우 작은 간격으로 개별 폴리실리콘 게이트를 분리하여 달성할 수 있다. 연구 단계의 제품이지만, 하이브리드 센서는 CCD와 CMOS 이미저의 장점을 모두 활용할 수 있는 잠재력을 가지고 있다.^[13]

2. 1. 1. CCD 이미지 센서

전하결합소자(CCD, Charge-coupled device)는 1969년 벨 연구소의 윌러드 보일과 조지 스미스에 의해 발명되었다.^[29] 각 셀은 아날로그 장치이며, 빛이 칩에 닿으면 각 광센서에 작은 전하로 저장된다. 전하는 서로 이웃하는 셀에 순차적으로 전달되어 순차적으로 데이터를 읽어내는(시퀀셜 액세스) 방식이다.^[40] CCD는 (하나 이상의) 출력 증폭기에 가장 가까운 픽셀 라인의 전하를 증폭하여 출력하고, 각 픽셀 라인은 전하를 증폭기에서 한 라인 더 가까이 이동시켜 증폭기에서 가장 가까운 빈 라인을 채운다. 이 과정은 모든 픽셀 라인의 전하가 증폭되어 출력될 때까지 반복된다.^[9]

CCD/CMOS 이미지센서의 특징
	CCD	CMOS
노이즈	증폭용 증폭기가 하나이기 때문에 적다	각 포토다이오드에서 증폭하기 때문에 많다
전원	고구동 전압이 필요하다. 필요 전력도 높다	저전압 구동이 가능하다
제조	전용 공정 필요	표준 CMOS 공정으로 대응 가능
기타		시스템온칩화가 가능하다

최초로 실용화된 고체 이미징 소자는 CCD 이미지 센서로, 화질도 후발 주자인 CMOS 이미지센서를 능가했지만, 제조에는 전용 생산 라인이 필요하기 때문에 CMOS 이미지센서와 비교하여 2배에서 4배 정도 고가였다.^[43]

2. 1. 2. CMOS 이미지 센서

CMOS 이미지 센서는 능동형 픽셀 센서(APS)의 일종이다. 1980년대 중반 일본의 올림푸스에서 NMOS APS가 처음 개발되었고,^[6]^[32]^[33] 1993년 NASA 제트 추진 연구소에서 CMOS APS가 개발되었다.^[7]

CMOS 이미지 센서는 픽셀마다 증폭기를 가지고 있어 CCD보다 광자 포착 영역이 줄어들지만, 각 광다이오드 앞에 마이크로 렌즈를 사용하여 이 문제를 해결한다.^[9] 마이크로 렌즈는 증폭기에 부딪혀 감지되지 않았을 빛을 광다이오드에 집중시킨다.^[9] 일부 CMOS 이미징 센서는 역조명을 사용하여 광다이오드에 도달하는 광자의 수를 늘리기도 한다.^[10]

CMOS 센서는 메모리 칩처럼 행과 열로 직접 데이터를 읽어내는(랜덤 액세스) 방식이다. CCD와 CMOS 이미지 센서의 주요 특징을 요약하면 다음과 같다.^[41]^[42]

CCD/CMOS 이미지센서의 특징
	CCD	CMOS
노이즈	증폭용 증폭기가 하나이기 때문에 적다	각 포토다이오드에서 증폭하기 때문에 많다
전원	고구동 전압이 필요하다. 필요 전력도 높다	저전압 구동이 가능하다
제조	전용 공정 필요	표준 CMOS 공정으로 대응 가능
기타		시스템온칩화가 가능하다

CMOS 센서는 CCD 센서보다 구성 요소 수가 적고, 전력 소비량이 적으며, 판독 속도가 빠를 수 있다.^[11] 또한 정전기 방전에 대한 취약성이 적다.

최초로 실용화된 고체 이미징 소자는 CCD 이미지센서였으며, 화질도 CMOS 이미지센서를 능가했지만, 제조에는 전용 생산 라인이 필요하여 CMOS 이미지센서보다 2배에서 4배 정도 고가였다. 반면 CMOS 이미지 센서는 기존의 CMOS 공정을 이용하여 제조할 수 있어 CCD 이미지센서보다 소비 전력도 적고, 원리적으로 스미어나 블루밍이 발생하지 않는다는 장점이 있다. 또한 고속 읽기가 가능하고 논리 회로를 동일 제조 공정으로 통합할 수 있기 때문에 이미지 처리 회로를 온칩화하여 이미지 인식 디바이스 등에 응용이 진행되어, 현재는 CCD와 비교하여 열등했던 화질도 개선되어 능가하는 제품도 있다.^[43]

2007년에는 CMOS 센서의 판매량이 CCD 센서를 넘어섰다.^[34] 2010년대에는 CMOS 센서가 대부분의 분야에서 CCD 센서를 대체했다.

2022년 6월 삼성전자는 2억 화소 이미지 센서를 개발했다고 발표했다. 2억 화소 ISOCELL HP3는 0.56um 픽셀을 가지고 있으며, 삼성은 이전 센서가 0.64um 픽셀을 가지고 있었던 것에 비해 2019년 이후 12% 감소했다고 보고했다. 이 새로운 센서는 1by 렌즈에 2억 개의 픽셀을 포함하고 있다.^[28]

2. 1. 3. 유기 광전 변환막

방송용 텔레비전 카메라에서는 영상 촬영 시 색 분해에 다이크로익 프리즘이 사용되지만, 이 방법은 소형화가 어렵기 때문에 일반용 비디오 카메라나 디지털 카메라의 영상센서에서는 베이어 필터처럼 모자이크 형태의 컬러 필터를 배치하는 방법이 채택되고 있다. 그러나 이 방식은 빛의 이용 효율이 나쁘고 화질 면에서도 떨어지기 때문에, 이를 개선하는 방안으로 유기 광전 변환막(organic photoelectric conversion layer, OPC layer)을 영상센서에 이용하는 방법이 연구되어 왔다. RGB 각 색에 반응하는 유기막을 3층으로 쌓아 사용하지만, 대상 색 이외의 빛은 투과하기 때문에 빛의 변환 효율이 좋다. 이 방식의 실용화에는 양자 효율의 추가적인 향상과 제조상의 과제가 남아 있다.^[44]^[45]^[46]

2. 2. 배치에 따른 분류

이미지 센서는 픽셀 배열 방식에 따라 선형 이미지 센서와 면적 이미지 센서로 나눌 수 있다. 선형 이미지 센서는 주로 팩시밀리, 복사기, 이미지 스캐너 등에 사용되며, 면적 이미지 센서는 비디오 카메라와 디지털 스틸 카메라 등에 사용된다.^[47]

2. 2. 1. 선형 이미지 센서

선형 이미지 센서는 이미지 센서를 일렬로 배치한 것으로, 1차원 이미지 센서 또는 라인 이미지 센서라고도 한다. 넓은 영역을 촬영하려면 대상물(문서 등)을 센서열과 직각 방향으로 주사(스캔)해야 한다.^[48]^[49] 팩시밀리, 복사기, 이미지 스캐너 등에 사용되며, 대상물을 이동시키면서 라인 단위로 촬영한다.^[47] 한 방향으로는 전체를 포착할 수 없는 입체물을 촬영하는 것도 가능하다. (예: 원통형 대상을 회전시키면서 촬영)

면적 이미지 센서보다 고해상도라는 특징을 살려 팩스 등의 가전제품 외에 변위 센서나 의료 분야의 스캔 장치에도 응용되고 있다.^[48]^[49] 대상물 자체가 임의로 움직이는 경우의 촬영에는 적합하지 않다.

1차원 정보만으로 충분하기 때문에 주사 등을 하지 않고 고정적으로 사용되는 경우도 있다. 필름 카메라 시대에는 오토포커스 시스템의 상관 검출용으로 화면 중앙부의 가로 일렬 패턴을 취득하기 위해 사용되었다.

2. 2. 2. 면적 이미지 센서

면적 이미지 센서는 디지털 카메라와 비디오 카메라에서 주로 사용된다. 포토다이오드를 2차원으로 배열한 것으로, 한 번에 전체 화면의 이미지를 광전 변환할 수 있으며, 정지 영상이나 동영상 등의 영상을 촬영하는 데 사용된다.^[47]

3. 성능

이미지 센서의 성능은 다이내믹 레인지, 신호대잡음비, 저조도 감도 등 다양한 매개변수로 평가할 수 있다. 유사한 유형의 센서의 경우, 크기가 증가함에 따라 신호대잡음비와 다이내믹 레인지가 향상된다. 이는 주어진 적분(노출) 시간 동안 더 큰 면적을 가진 픽셀에 더 많은 광자가 부딪히기 때문이다.

3. 1. 노출 시간 제어

이미지 센서의 노출 시간은 일반적으로 필름 카메라와 같이 기존의 기계식 셔터 또는 전자식 셔터에 의해 제어된다. 전자식 셔터는 이미지 센서 영역 전체의 광전자 축적이 동시에 시작 및 중지되는 "전역" 방식이거나, 각 행의 노출 간격이 해당 행의 판독 직전에 오는 "롤링" 방식일 수 있다. 이는 이미지 프레임 전체를 가로지르는(일반적으로 가로 방향의 경우 위에서 아래로) "롤링"되는 과정이다. 전역 전자식 셔터는 노출 간격이 끝날 때부터 판독 과정이 시작될 때까지(일반적으로 수 밀리초 후) 전하를 저장하는 회로가 필요하기 때문에 덜 일반적이다.^[14]

4. 색 분리

컬러 이미지 센서는 색 분리 방식에 따라 여러 유형으로 나뉜다.

'''적분형 색상 센서'''는 색 필터 어레이를 사용하며, 베이어 패턴이 대표적이다.^[15]
'''포비온 X3 센서'''는 모든 위치에서 세 가지 색상 채널을 모두 감지한다.
'''3CCD'''는 다색 분광 프리즘을 이용해 색 분리를 하므로 색상 품질과 저조도 성능이 우수하다.

4. 1. 적분형 색상 센서

적분형 색상 센서는 단색 CCD 또는 CMOS 이미지 센서 위에 색 필터 어레이를 사용하여 색을 분리한다.^[15] 가장 일반적인 색 필터 어레이는 베이어 패턴으로, 빨간색과 파란색 픽셀 각각에 대해 두 개의 녹색 픽셀을 체커보드 형태로 배열한다. 시안, 마젠타, 노란색, 흰색 픽셀을 사용하는 등 다양한 패턴도 개발되었다.^[16]

초기 적분형 색상 센서는 단색 CCD 센서 위에 폴리머 수광층을 코팅하고, 포토레지스트 창을 통해 색상 염료를 전사하는 방식으로 제조되었다.^[17] 각 픽셀은 한 가지 색상(예: 녹색) 정보만 제공하므로, "누락된" 색상 값(예: 빨간색, 파란색)은 주변 픽셀을 통해 보간한다.^[18] 이 과정을 데모자이킹 또는 데베이어링이라고 한다.

4. 2. 포비온 X3 센서

포비온 X3 센서는 층상 픽셀 센서 어레이를 사용하여 실리콘의 고유한 파장 의존성 흡수 특성을 통해 빛을 분리하므로, 모든 위치에서 세 가지 색상 채널을 모두 감지한다. 이 방법은 사진용 컬러 필름의 작동 방식과 유사하다.^[15]

4. 3. 3CCD

다색 분광 프리즘에 의해 색상 분리가 수행되며, 세 개의 개별 이미지 센서를 사용한다. 다색 분광 요소는 더욱 선명한 색상 분리를 제공하여 색상 품질을 향상시킨다. 각 센서는 해당 통과 대역 내에서 그리고 전체 해상도로 동일하게 민감하기 때문에 3CCD 센서는 더 나은 색상 품질과 더 나은 저조도 성능을 제공한다. 3CCD 센서는 4:4:4 신호를 생성하며, 이는 텔레비전 방송, 비디오 편집 및 크로마 키 시각 효과에서 선호된다.^[15]

5. 특수 용도 이미지 센서

특수 센서는 다중분광 영상 생성, 비디오 후두경, 감마 카메라, 평판 검출기 및 기타 센서 어레이(X선용), 열화상 사진술의 마이크로볼로미터 어레이, 그리고 천문학용 기타 고감도 어레이 등 다양한 응용 분야에 사용된다.^[20]

일반적으로 디지털 카메라는 평평한 센서를 사용하지만, 소니(Sony)는 2014년 평평한 센서에서 발생하는 페츠발 필드 곡률을 줄이거나 제거하기 위해 곡선 센서의 시제품을 제작했다. 곡선 센서를 사용하면 렌즈의 길이와 지름을 줄이고, 요소와 구성 요소를 줄이며, 조리개를 늘리고, 사진 가장자리에서의 광량 감소를 줄일 수 있다.^[21]

이미지 센서에는 일반적인 영상용 이미지 센서 외에도 적외선 이미지 센서와 같이 적외선 촬영에 특화된 것도 있다. 적외선 이미지 센서는 안개가 낀 날씨나 야간에도 강하기 때문에 방위 분야나 감시 카메라에 사용된다.

좁은 밴드갭을 갖는 포토트랜지스터를 사용하는 유형의 적외선 이미지 센서는 고감도이며 분해능이 뛰어나지만, 노이즈를 줄이기 위해 냉각 장치가 필요하다. 이러한 종류의 적외선 이미지 센서를 양자형 또는 냉각의 필요성으로 인해 냉각형이라고 부른다.

한편, 냉각이 필요 없는 비냉각형이라고 불리는 적외선 이미지 센서도 있다. 비냉각형 이미지 센서에는 온도 변화를 감지하기 위한 초전소자, 열전쌍, 볼로미터가 사용된다. 온도 변화를 감지하여 촬영하기 때문에, 앞서 언급한 양자형에 대해 열형이라고도 부른다. 비냉각형은 최근의 미세 가공 기술의 발전으로 실용화되었다. 화질은 일반적으로 양자형이 더 우수하다.^[50]

X선 사진 촬영을 위해 평판 디텍터가 사용된다. X선을 황산가돌리늄이나 요오드화세슘과 같은 형광체(섬광체)에 조사하여 발생한 빛을 포토다이오드로 전기 신호로 변환하는 간접 변환 방식과 직접 전기 신호로 변환하는 직접 변환 방식이 있으며, 둘 다 원리적으로는 CMOS 이미지 센서와 공통점이 있으며, TFT 액정에서 축적된 제조 기술이 응용되고 있다.

6. 활용 분야

이미지 센서는 다음과 같은 분야에서 활용된다.

디지털 카메라
비디오 카메라
감시 카메라
수중 카메라
3D 스캐너
캡슐 내시경
휴대용 방공 미사일 시스템

참조

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