액티브 픽셀 센서
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1. 개요
액티브 픽셀 센서는 각 픽셀에 증폭기를 포함하여 광 신호를 전압으로 변환하고 신호를 증폭하며 노이즈를 줄이는 이미지 센서이다. 1960년대에 개념이 고안되었지만, 1990년대 반도체 미세 가공 기술의 발전으로 실용화되었다. 액티브 픽셀 센서는 수동 픽셀 센서의 단점을 보완하며, CMOS 로직 LSI 제조 공정을 통해 대량 생산이 가능하여 CCD 센서보다 저렴하고 소형화가 가능하다. 1980년대 올림푸스에서 MOS 액티브 픽셀 개념을 구현했으며, NASA의 제트 추진 연구소에서 CMOS 호환 APS를 개발했다. 현재 디지털 카메라, 휴대폰 카메라, 보안 카메라 등 다양한 분야에 사용되며, CMOS 센서는 전 세계 이미지 센서 판매의 상당 부분을 차지한다.
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| 액티브 픽셀 센서 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 반도체 소자 |
| 약자 | APS |
| 종류 | 이미지 센서 |
| 기술 정보 | |
| 유형 | 집적 회로 |
| 재료 | 실리콘 |
| 응용 분야 | 디지털 카메라 휴대 전화 카메라 의료 영상 장비 군사 우주 산업 과학 |
| 역사 | |
| 개발 | 에릭 포섬 (1993년) |
| 종류 | |
| 종류 | CMOS 이미지 센서 CCD |
| 설명 | |
| 설명 | 각 픽셀 내에 증폭기가 있는 이미지 센서 |
| 관련 용어 | |
| 관련 용어 | 패스 트랜지스터 |
2. 역사
CMOS 이미지 센서의 원리는 1960년대 후반에 고안되었지만, 실용화된 것은 1990년대 이후 반도체 미세 가공 기술이 발전하면서부터이다. 2000년대 후반부터 이미지 센서 기술이 고해상도화됨에 따라 후면 조사(BSI, Back Side Illumination) 공정 기술과 3차원 적층 센서(3D Stacking Sensor) 제작 공정 기술이 중요해지고 있다.
웨이퍼 적층(Wafer Stacking)을 통한 3D CMOS 이미지 센서(CIS, CMOS Image Sensor) 제작 공정은, 하나의 웨이퍼(Wafer)에 픽셀의 빛을 모으는 부분과 구동 회로 부분을 동시에 만드는 것이 아니라, 빛을 모으는 부분과 구동 회로 부분을 각각 다른 Wafer에 만든 후, 일정 공정이 끝나면 두 Wafer를 본딩(Bonding)하고 후속 공정을 진행하는 방식이다. 즉, 한 Wafer에는 빛을 모으는 부분만 효율적으로 만들고, 다른 Wafer에는 빛을 모으는 부분의 신호를 받아 처리하여 출력 신호로 내보내는 구동 회로 부분만 효율적으로 만든다. 이때 두 Wafer를 Bonding하기 위한 본딩 패드(Bonding Pad)를 각 Wafer에 만들고, 이 Bonding Pad를 위아래로 포개어 접촉시킨다.
1999년, 현대전자(현대)는 통합 ADC가 있고 0.5um DRAM 공정을 기반으로 제작된 고성능 핀 광다이오드를 갖춘 800x600 컬러 CMOS 이미지 센서의 상업적 생산을 발표했다.
2. 1. 배경
1960년대 후반, 금속 산화막 반도체(MOS) 기술을 연구하던 윌라드 보일과 조지 E. 스미스는 전하가 작은 MOS 커패시터에 저장될 수 있음을 발견하고, 1969년에 전하 결합 소자(CCD)를 발명했다.[6][7] 그러나 CCD 기술은 완벽에 가까운 전하 전달이 필요하여 여러 기술적 문제점을 안고 있었다.[8]같은 시기 RCA 연구소의 연구팀은 박막 트랜지스터를 사용한 고체 이미지 센서를 제안했고,[9][10] 리처드 F. 리옹은 광 마우스에 응용할 수 있는 저해상도 NMOS 이미지 센서를 시연했다.[11] 이 외에도 극저온에서 작동하는 하이브리드 적외선 초점면 어레이(IRFPA) 기술이 개발되어 1980년대 중반부터 사용되었다.[8]
1980년, NEC의 테라니시 노부카즈 연구팀은 핀 포토다이오드(PPD)를 발명했다.[15][12] 1982년에는 블루밍 방지 구조를 추가하여 공개 보고했다.[15][13] PPD는 낮은 셔터 랙, 낮은 노이즈, 높은 양자 효율 및 낮은 암전류를 가진 광 검출기 구조로,[15] 1987년부터 대부분의 CCD 센서에 통합되어 소비자 전자 제품 비디오 카메라와 디지털 카메라의 필수 요소가 되었다.[15]
한편, APS의 전신인 수동형 픽셀 센서(PPS)는 1968년 G. Weckler의 포토다이오드 어레이 제안에서 시작되었으며,[8] Peter J.W. Noble과 Savvas G. Chamberlain이 픽셀 내 선택 트랜지스터를 가진 이미지 센서 소자를 제안했다.[16][15][9][17] PPS는 고체 전자 공학의 카메라 튜브 이미징 장치의 대안으로 연구되었으나,[18] 높은 이미지 노이즈, 느린 판독 속도, 확장성 부족 등의 제약이 있었다.
액티브 픽셀 센서(APS)는 1968년 피터 노블에 의해 처음 제안되었으며,[19][16] 1985년 올림푸스의 나카무라 츠토무 팀에 의해 전하 변조 장치(CMD)로 구현되었다.[8][20] 이후 도시바, 캐논 등 다른 일본 반도체 회사들도 자체 APS를 개발했다.[8] 1990년대 초에는 텍사스 인스트루먼트를 비롯한 미국 회사들도 MOS APS 개발에 참여했다.[15]
CMOS 이미지 센서의 원리는 1960년대 후반에 고안되었지만, 실용화된 것은 1990년대 이후 반도체 미세 가공 기술이 발전하면서부터이다. CMOS 센서는 CCD 센서에 비해 저렴하지만 화질 문제가 있었으나, 2000년대 후반 기술 발전으로 이를 극복하고 CCD 센서를 능가하는 제품이 등장했다.
2. 2. 개발
CMOS 이미지 센서의 원리가 고안된 것은 1960년대 후반이지만, 실용화된 것은 미세 가공 기술이 첨단화된 1990년대 이후이다.금속 산화막 반도체(MOS) 기술을 연구하던 윌라드 보일과 조지 E. 스미스는 전하가 작은 MOS 커패시터에 저장될 수 있음을 깨달았고, 이는 1969년에 발명한 전하 결합 소자(CCD)의 기본 구성 요소가 되었다.[6][7]
RCA 연구소에서 폴 K. 와이머 팀은 1969년에 박막 트랜지스터(TFT)를 사용하여 스캔 회로가 있는 고체 이미지 센서를 제안했다.[9][10] 리처드 F. 리옹은 1981년에 광 마우스 응용 분야를 위해 픽셀 내 증폭 기능이 있는 저해상도 N 채널 MOSFET(NMOS) 이미지를 시연했다.[11]
현대 CMOS 센서의 핵심 요소는 핀 포토다이오드(PPD)이다.[15] 이는 1980년 NEC의 테라니시 노부카즈 등이 발명했으며,[15][12] 1982년 블루밍 방지 구조를 추가하여 공개적으로 보고했다.[15][13] 1987년 PPD는 대부분의 CCD 센서에 통합되기 시작하여 소비자 전자 제품 비디오 카메라와 디지털 카메라의 필수 요소가 되었다. 그 이후로 PPD는 거의 모든 CCD 센서와 CMOS 센서에 사용되었다.[15]
수동형 픽셀 센서(PPS)는 APS의 전신으로, 일종의 포토다이오드 어레이(PDA)였다.[15] 수동형 픽셀 센서는 증폭 없이 읽히는 수동형 픽셀로 구성되며, 각 픽셀은 포토다이오드와 MOSFET 스위치로 구성된다. 고체 전자 공학의 카메라 튜브 이미징 장치의 대안으로 연구되었으며, MOS 수동형 픽셀 센서는 픽셀 내에서 포토다이오드 통합 전하를 읽기 위해 간단한 스위치만 사용했다.[18]
액티브 픽셀 센서는 활성 픽셀로 구성되며, 각 픽셀은 광 생성 전하를 전압으로 변환하고, 신호 전압을 증폭하며, 노이즈를 줄이는 하나 이상의 MOSFET 증폭기를 포함한다.[14] 액티브 픽셀 장치에 대한 개념은 1968년 피터 노블에 의해 제안되었다. 그는 픽셀당 활성 MOS 판독 증폭기를 갖춘 센서 어레이를 만들었는데, 이는 본질적으로 현대적인 3개의 트랜지스터 구성, 즉 매립형 포토다이오드 구조, 선택 트랜지스터 및 MOS 증폭기였다.[19][16]
MOS 액티브 픽셀 개념은 1980년대 중반 일본의 올림푸스에 의해 전하 변조 장치(CMD)로 구현되었다. 이는 MOSFET 반도체 소자 제조 기술의 발전으로 가능해졌다.[8][20] 최초의 MOS APS는 1985년 올림푸스의 나카무라 츠토무 팀에 의해 제작되었다. ''액티브 픽셀 센서''(APS)라는 용어는 올림푸스에서 CMD 액티브 픽셀 센서를 연구하던 나카무라에 의해 만들어졌다.[21]
1990년대 초, 미국 회사들이 실용적인 MOS 액티브 픽셀 센서를 개발하기 시작했다. 1991년 텍사스 인스트루먼트는 벌크 CMD(BCMD) 센서를 개발했다.[15] 1993년, 일본 외에서 최초로 성공적으로 제작된 실용적인 APS는 미국 항공 우주국(NASA)의 제트 추진 연구소(JPL)에서 개발되었으며, JPL은 CMOS 호환 APS를 제작했다.[8] 이는 픽셀 내 전하 이동을 가진 최초의 CMOS 센서였다.[15]
1999년, 현대전자[현대]는 통합 ADC가 있고 0.5um DRAM 공정을 기반으로 제작된 고성능 핀 광다이오드를 갖춘 800x600 컬러 CMOS 이미지 센서의 상업적 생산을 발표했다.
Photobit의 CMOS 센서는 Photobit이 2001년 마이크론 테크놀로지(Micron Technology)에 인수되기 전 로지텍과 인텔에서 제조한 웹캠에 사용되었다. PPD 기술을 갖춘 CMOS 센서는 1997년 R. M. Guidash, 2000년 K. Yonemoto와 H. Sumi, 2003년 I. Inoue에 의해 더욱 발전하고 개선되었다. 이로 인해 CMOS 센서는 CCD 센서와 동등한 이미징 성능을 달성했으며, 이후 CCD 센서를 능가했다.[15]
2000년까지 CMOS 센서는 저가형 카메라, PC 카메라, 팩스, 멀티미디어, 보안, 감시, 화상 전화를 포함한 다양한 애플리케이션에 사용되었다.[25]
소니(Sony)는 2007년 빠른 저 노이즈 성능을 위해 독창적인 열 A/D 변환 회로를 갖춘 CMOS 센서를 상용화했으며, 2009년에는 기존 이미지 센서보다 감도가 2배 높은 CMOS 후면 조사 센서 (BI 센서)를 상용화했다.[26] 2012년, 소니는 적층형 CMOS BI 센서를 출시했다.[26] 이미지 센서 분야에서는 퀀타 이미지 센서(QIS)와 같은 여러 연구 활동이 진행되고 있다.
옴니비전 테크놀로지스(OmniVision Technologies)의 보이드 파울러(Boyd Fowler)는 CMOS 이미지 센서 개발 분야에서 그의 업적으로 알려져 있다.
2010년대 후반까지 CMOS 센서는 기존 반도체 생산 라인에서 제조할 수 있어 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 전력 소비도 줄이기 때문에 CCD 센서를 거의 대체했다. (아래 참조)
2. 3. 발전
1960년대 후반에 CMOS 이미지 센서의 원리가 고안되었지만, 실제로 사용 가능하게 된 것은 1990년대 이후 미세 가공 기술이 발전하면서부터이다. 2000년대 후반부터 이미지 센서 기술이 고해상도화됨에 따라 BSI(back side illumination, 후면 조사) 공정 기술과 3D Stacking Sensor(3차원 적층 센서) 제작 공정 기술이 중요해지고 있다.Wafer Stacking(웨이퍼 적층)을 통한 3D CIS(CMOS image sensor, CMOS 이미지 센서) 제작 공정은, 하나의 Wafer(웨이퍼)에 픽셀의 빛을 모으는 부분과 구동 회로 부분을 동시에 만드는 것이 아니라, 빛을 모으는 부분과 구동 회로 부분을 각각 다른 Wafer에 만든 후, 일정 공정이 끝나면 두 Wafer를 서로 Bonding(본딩)하고 후속 공정을 진행하는 방식이다. 즉, 한 Wafer에는 빛을 모으는 부분만 효율적으로 만들고, 다른 Wafer에는 빛을 모으는 부분의 신호를 받아 처리하여 출력 신호로 내보내는 구동 회로 부분만 효율적으로 만든다. 이때 두 Wafer를 Bonding하기 위한 Bonding Pad(본딩 패드)를 각 Wafer에 만들고, 이 Bonding Pad를 위아래로 포개어 접촉시킨다. 픽셀 내 및 픽셀 간 처리 기능을 가진 최초의 CMOS 센서는 1993년에 개발되었다.[15]
1999년, 현대전자(현대)는 통합 ADC가 있고 0.5um DRAM 공정을 기반으로 제작된 고성능 핀 광다이오드를 갖춘 800x600 컬러 CMOS 이미지 센서의 상업적 생산을 발표했다.
3. 특징
액티브 픽셀 센서(APS)는 단위 셀마다 증폭기를 갖추고 있어 빛으로 변환된 전기 신호를 읽을 때 전기 노이즈 발생을 억제할 수 있다. CMOS 로직 LSI 제조 프로세스를 응용하여 대량 생산이 가능하며, 고전압 아날로그 회로를 갖는 CCD 이미지 센서에 비해 저렴하고 소자가 작아 소비 전력도 적다는 특징이 있다. 원리적으로 블루밍이 발생하지 않고, 수백 MHz의 고속 판독도 가능하다.
논리 회로를 동일 제조 프로세스로 통합할 수 있어 이미지 처리 회로를 온칩화하여 이미지 인식 장치, 인공 시각 장치로의 응용이 연구되고 있으며, 일부는 상용화되었다 (인공 망막 칩). 이미지 센서를 픽셀마다 3층으로 적층하고, 빛의 파장에 따른 투과 차이를 이용하여 RGB를 분별하는 Foveon X3도 존재한다.
저조도 상황에서는 소자 자체가 불안정해지기 쉽고, 촬영한 이미지에 노이즈가 많아지는 경향이 있다. 화소마다 고정된 증폭기가 할당되기 때문에, 각 증폭기의 특성 차이로 인해 고정 패턴 노이즈를 보정하는 회로가 필요하다. 최근에는 PD 고출력화·저잡음화, PD에서 증폭기로의 전하 전송 효율 향상, PD 수광 면적 확대를 위한 트랜지스터의 복수 화소 간 공용화, 이면 조사형 이미지 센서 상용화 등, 다양한 개선을 통해 S/N비가 CCD 이미지 센서를 능가할 정도로 향상되었다.
전하화를 동시에 할 수 없는 구조상, 고속으로 움직이는 물체를 촬영했을 때 영상이 왜곡되거나, 스트로브와 같은 짧은 시간 발광 시 이미지 수직 방향으로 명암이 생기는 롤링 셔터 현상[41]이 있다. 이 문제는 읽기 속도 향상[42][43]으로 개선되고 있다. CMOS에서 글로벌 셔터 방식을 실현하여 왜곡이 발생하지 않는 센서나 카메라도 판매되고 있다.
3. 1. 장점
단위 셀마다 증폭기를 가지고 있어 빛으로 변환된 전기 신호를 읽을 때 전기 노이즈 발생을 억제할 수 있다. CMOS 로직 LSI 제조 프로세스를 응용하여 대량 생산이 가능하므로, 고전압 아날로그 회로를 갖는 CCD 이미지 센서에 비해 제조 단가가 낮고 소자가 작아 소비 전력도 적다.[32] 또한, 원리적으로 블루밍이 발생하지 않으며, 수백 MHz의 고속 판독도 가능하다.논리 회로를 동일 제조 공정으로 통합할 수 있어 이미지 처리 회로를 온칩화하여 이미지 인식 장치, 인공 시각 장치로의 응용이 연구되고 있으며, 일부는 상용화되었다 (인공 망막 칩이라고도 불린다).
CMOS 센서는 3CCD 카메라와 같이 빔 분할 프리즘을 이용해 이미지를 구성하는 적색, 녹색, 청색 구성 요소를 분해하기 위해 별도의 센서를 사용하는 시스템에서 세 개의 CMOS 센서를 동일하게 사용할 수 있다. 반면, 대부분의 분할 프리즘은 CCD 센서 중 하나가 호환 가능한 순서로 이미지를 읽기 위해 다른 두 센서의 거울상이어야 한다. CCD 센서와 달리 CMOS 센서는 센서 요소의 어드레싱을 반전시킬 수 있다. 필름 속도가 ISO 400만에 달하는 CMOS 센서도 존재한다.[33]
3. 2. 단점
CCD 이미지 센서에 비해 여러 장점이 있지만, 저조도 상황에서는 소자가 불안정해지고 촬영된 화상에 노이즈가 많이 발생하는 경향이 있다.[41] 또한, 화소마다 고정된 증폭기가 할당되기 때문에 증폭기 특성 차이에 의한 고정 패턴 노이즈를 가지는 단점이 있어 이를 보정하는 회로가 필요하다. 최근에는 PC의 고출력화, 저잡음화, PD에서 증폭기로 전하 전송 효율 향상, PD의 수광 면적을 상대적으로 확대하기 위한 트랜지스터의 복수 화소 공용화같은 여러 가지 개량 수단에 의하여 신호 대 잡음비가 현격히 향상되었다.
전하화를 동시에 실시할 수 없는 구조적인 문제로 인하여 고속으로 움직이는 물체를 촬영했을 때 진행 방향쪽으로 상이 흔들리는 롤링 셔터 현상이 발생한다.[41] 이는 한개의 CMOS를 블록화하여 극복할 수 있다. 다만 이러한 기술적 접근으로 인해 가격이 낮다는 CMOS의 장점이 상쇄되기 때문에 소형 디지털 카메라에는 CMOS가 사용되는 경우가 적다. 한편 DSLR 카메라와 같이 촬상 소자의 크기가 큰 경우 CCD는 소비 전력 면에서 불리하다.
CMOS 센서는 일반적으로 약 1/60 또는 1/50초(재생률에 따라 다름)마다 한 줄씩 캡처하므로 롤링 셔터 효과가 발생하여 이미지가 왜곡될 수 있다(카메라 또는 피사체의 움직임 방향에 따라 왼쪽 또는 오른쪽으로 기울어짐). 예를 들어, 고속으로 움직이는 자동차를 추적할 때 자동차는 왜곡되지 않지만 배경이 기울어진 것처럼 보인다. 프레임 전송 CCD 센서 또는 "글로벌 셔터" CMOS 센서에는 이러한 문제가 없다. 대신 전체 이미지를 한 번에 프레임 저장소에 캡처한다.
CCD 센서의 오랜 장점은 더 낮은 노이즈로 이미지를 캡처하는 능력이다.[34] CMOS 기술이 개선되면서 이 장점은 2020년 현재 사라졌으며, 최신 CMOS 센서는 CCD 센서보다 성능이 뛰어납니다.[35]
CMOS 픽셀의 활성 회로는 표면의 일부 영역을 차지하며, 이는 빛에 민감하지 않아 장치의 광자 감지 효율을 감소시킨다(마이크로렌즈 및 이면 조사 센서가 이 문제를 완화할 수 있음). 그러나 프레임 전송 CCD도 프레임 저장 노드에 대해 약 절반의 비민감 영역을 가지므로 상대적 장점은 어떤 유형의 센서를 비교하는지에 따라 달라진다.
4. 구조
액티브 픽셀 센서(APS)는 크게 측면 APS와 수직 APS 두 가지 구조로 나뉜다.[8]
에릭 포섬은 측면 APS를 픽셀 영역 일부는 광 검출 및 신호 저장에, 다른 일부는 활성 트랜지스터에 사용하는 구조로 정의했다. 이 방식은 수직 통합 APS보다 제작 공정이 간단하고 최첨단 CMOS 및 CCD 장치 공정과 호환성이 높다는 장점이 있다.[8]
수직 APS는 출력 트랜지스터 아래에 신호 전하를 저장하여 필 팩터(또는 픽셀 크기 감소)를 늘리는 구조이다.[8]
X선 영상 등 대면적 디지털 영상 분야에서는 박막 트랜지스터(TFT)를 APS 아키텍처에 사용하기도 한다. CMOS 트랜지스터보다 TFT는 크기가 크고 전달 컨덕턴스 이득이 낮아, 영상 해상도와 품질을 유지하려면 픽셀당 TFT 수를 줄여야 한다. 2개 트랜지스터 APS/PPS 아키텍처는 비정질 실리콘 TFT를 쓰는 APS에 유망하다. 이 아키텍처에서 TAMP는 3개 트랜지스터 APS의 Msf와 Msel 기능을 통합한 스위치 증폭기이다. 픽셀당 트랜지스터 수를 줄이고 픽셀 전달 컨덕턴스 이득을 늘린다.[37] Cpix는 픽셀 저장 커패시턴스이며, "Read" 어드레싱 펄스를 TAMP 게이트에 용량 결합하는 데도 쓰인다. 이런 픽셀 판독 회로는 비정질 셀레늄 등 낮은 커패시턴스 광전도체 검출기와 함께 쓸 때 가장 효과적이다.
4. 1. 픽셀
표준 CMOS APS 픽셀은 광 검출기(고정형 포토다이오드)[15], 플로팅 확산부와 4개의 CMOS (상보형 금속-산화물-반도체) 트랜지스터로 구성된 4T 셀로 구성된다. 여기에는 전송 게이트, 리셋 게이트, 선택 게이트 및 소스-팔로워 판독 트랜지스터가 포함된다.[36] 고정형 포토다이오드는 낮은 암전류와 우수한 청색 응답 때문에 인터라인 전송 CCD에서 사용되었으며, 전송 게이트와 결합되어 고정형 포토다이오드에서 플로팅 확산부(판독 트랜지스터의 게이트에 연결됨)로의 완전한 전하 전달을 허용하여 지연을 제거한다. 인트라픽셀 전하 전달을 사용하면 상관 이중 샘플링 (CDS)을 사용하여 노이즈를 줄일 수 있다.
노블 3T 픽셀은 제조 요구 사항이 덜 복잡하기 때문에 여전히 가끔 사용된다. 3T 픽셀은 전송 게이트와 포토다이오드를 제외하고 4T 픽셀과 동일한 요소를 포함한다. 리셋 트랜지스터 Mrst는 플로팅 확산부를 VRST로 리셋하는 스위치 역할을 하며, Msf 트랜지스터의 게이트로 표현된다. 리셋 트랜지스터가 켜지면 포토다이오드는 효과적으로 전원 공급 장치 VRST에 연결되어 모든 집적 전하가 지워진다. 리셋 트랜지스터는 n형이므로 픽셀은 소프트 리셋으로 작동한다. 판독 트랜지스터 Msf는 버퍼(구체적으로 소스 팔로워) 역할을 하며, 축적된 전하를 제거하지 않고 픽셀 전압을 관찰할 수 있는 증폭기이다. 전원 공급 장치 VDD는 일반적으로 리셋 트랜지스터 VRST의 전원 공급 장치에 연결된다. 선택 트랜지스터 Msel은 픽셀 어레이의 단일 행이 판독 전자 장치에 의해 판독될 수 있도록 한다.
5T 및 6T 픽셀과 같은 다른 혁신도 존재한다. 추가 트랜지스터를 추가하면 롤링 셔터와 반대로 글로벌 셔터와 같은 기능이 가능하다. 픽셀 밀도를 높이기 위해 공유 행, 4방향 및 8방향 공유 판독, 기타 아키텍처를 사용할 수 있다. 3T 액티브 픽셀의 변형은 딕 메릴이 발명한 Foveon X3 센서이다. 이 장치에서 3개의 포토다이오드는 평면 공정 제조 기술을 사용하여 서로 위에 쌓여 있으며, 각 포토다이오드는 자체 3T 회로를 가지고 있다. 각 후속 레이어는 그 아래 레이어에 대한 필터 역할을 하여 후속 레이어에서 흡수된 빛의 스펙트럼을 이동시킨다. 각 레이어 감지기의 응답을 디컨벌루션하여 적색, 녹색 및 청색 신호를 재구성할 수 있다.
단위 셀마다 증폭기를 갖추어, 빛으로 변환된 전기 신호의 판독에 따른 전기 노이즈 발생을 억제할 수 있다. CMOS 로직 LSI 제조 프로세스를 응용하여 대량 생산이 가능하기 때문에, 고전압 아날로그 회로를 갖는 CCD 이미지 센서에 비해 저렴하며, 소자가 작아 소비 전력도 적고, 원리적으로 스미어나 블루밍이 발생하지 않는다는 장점이 있다. 수백 MHz의 고속 판독도 가능하다.
또한, 로직 회로를 동일 제조 프로세스로 통합할 수 있으므로, 이미지 처리 회로를 온칩화하여 이미지 인식 장치, 인공 시각 장치로의 응용이 연구되고 있으며, 일부는 상용화되었다(인공 망막 칩).
이미지 센서를 픽셀마다 3층으로 적층하고, 빛의 파장에 따른 투과 차이를 이용하여 RGB를 분별하는 Foveon X3도 존재한다.
4. 2. 배열
전형적인 2차원 픽셀 배열은 행과 열로 구성된다. 주어진 행의 픽셀들은 리셋 라인을 공유하므로 한 번에 전체 행이 리셋된다. 행의 각 픽셀의 행 선택 라인도 함께 연결된다. 주어진 열에 있는 각 픽셀의 출력은 함께 연결된다. 한 번에 하나의 행만 선택되므로 출력 라인에 대한 경쟁은 발생하지 않는다. 추가적인 증폭 회로는 일반적으로 열 단위로 구성된다.5. 응용
CMOS 이미지 센서는 범용 반도체 제조 장치를 이용하여 제조가 가능해서 CCD 이미지 센서보다 가격이 저렴하다. 그렇기 때문에 저가 디지털 카메라나 디지털 비디오 카메라, 느린 프레임의 텔레비전 카메라에서 활발하게 사용되고 있다. 특히 비디오 채팅에 사용되는 웹 카메라의 대부분이 CMOS를 탑재하고 있다. 야노 경제 연구소(矢野経済研究所일본어)에 의하면 카메라 기능을 가진 휴대 전화가 보급된 결과 2004년에는 CMOS 이미지 센서의 출하량이 CCD 이미지 센서의 출하량을 뛰어 넘었다고 예상했다.[44]
과거에는 CCD보다 화질이 많이 떨어져서 저가 제품에만 사용되었다. 하지만 최근에는 큰 크기로 설계가 가능한 점, 낮은 제조 비용, 대폭 향상된 화질로 인해 DSLR 카메라와 같이 고화질을 요구하는 고가 제품에도 많이 사용되고 있다. 캐논은 자체 개발, 제조한 CMOS 이미지 센서를 2002년부터 DSLR에 채용하고 있다. 니콘의 최고급형 DSLR인 D2X에서도 소니사의 엑스모어 CMOS를 채용하고 있다.
소니나 캐논은 보급형 HD 비디오 카메라에서도 CMOS 이미지 센서를 사용하고 있다.
2000년까지 CMOS 센서는 저가형 카메라, PC 카메라, 팩스, 멀티미디어, 보안, 감시, 화상 전화를 포함한 다양한 애플리케이션에 사용되었다.[25]
비디오 산업은 고화질 비디오 (HD 비디오)의 출현과 함께 CMOS 카메라로 전환했는데, 이는 많은 수의 픽셀이 CCD 센서에서 훨씬 더 높은 전력 소비를 요구하기 때문이며, 이는 과열되어 배터리를 소모시킬 수 있었다.[24]
CMOS 센서는 디지털 카메라와 카메라 폰의 대량 보급을 이끌었고, 이는 소셜 미디어 및 셀카 문화의 부상을 뒷받침했으며 전 세계의 사회 및 정치 운동에 영향을 미쳤다.[24]
6. 한국 주요 제조사
| 한국 주요 제조사 |
|---|
| 삼성전자 (Samsung CMOS도 참조) |
| 소니 세미컨덕터 솔루션스 |
| 파나소닉 - 타워파트너스 세미컨덕터 |
7. 기타 제조사
박막 트랜지스터(TFT)는 X선 영상과 같은 대면적 디지털 영상 분야에서 APS 아키텍처에 사용될 수 있다. 하지만 CMOS 트랜지스터보다 크기가 크고 전달 컨덕턴스 이득이 낮아, 영상 해상도와 품질을 유지하려면 픽셀당 TFT 수를 줄여야 한다. 2개의 트랜지스터를 사용한 APS/PPS 아키텍처는 비정질 실리콘 TFT를 사용하는 APS에 유망하다. 2개의 트랜지스터 APS 아키텍처에서 TAMP는 3개 트랜지스터 APS의 Msf와 Msel 기능을 통합한 스위치 증폭기로 사용된다. 이는 픽셀당 트랜지스터 수를 줄이고 픽셀 전달 컨덕턴스 이득을 증가시킨다.[37] Cpix는 픽셀 저장 커패시턴스이며, "Read"의 어드레싱 펄스를 TAMP 게이트에 용량 결합하여 ON-OFF 스위칭하는 데 사용된다. 이러한 픽셀 판독 회로는 셀레늄과 같은 낮은 커패시턴스 광전도체 검출기와 함께 사용할 때 가장 적합하다.
다음은 기타 APS 제조사 목록이다.
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