CCTV 카메라 모듈의 종류와 활용[3] - CMOS 이미지 센서

 

글 | 유명호 삼성테크윈 영상정보개발 수석
월간 시큐리티월드 통권 제122호 2007-06-04 (info@boannews.com)

이번 호는 지난 호에 서술한 렌즈의 광학적 특성인 렌즈 자체의 수차와 색 수차, 성능지표에 이어 CMOS 이미지 센서에 대해 자세히 살펴보기로 한다.

< 목차 >

1. CMOS 이미지 센서의 정의
2. CMOS 이미지 센서의 역사
3. CMOS 이미지 센서의 픽셀 구조 및 동작원리
    (1) 1-Tr 구조

    (2) 3-Tr Structure
    (3) 4-Tr Structure 
    (4) 4-Tr photo-gate type CMOS APS의 동작원리
4. CMOS 이미지 센서의 구성
5. CDS(Correlated Double Sampling) 기술
6. CMOS 이미지 센서의 기술 개발현황 및 전망

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1. CMOS 이미지 센서의 정의

CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 이미지 센서는 빛 에너지를 전기적인 신호로 변환하는 역할을 하는 수십~수백만 화소를 포함하는 집적회로가 내장된 것으로써 사람 또는 사물 등과 같은 눈에 보이는 원래의 이미지를 이미지 센서 내에서 전기신호로 변환해 출력하는 반도체 소자를 말한다. 해상도에 따라 CIF급(10만화소), VGA급(30만화소), SVGA급(50만화소), MEGA급 등으로 나뉘며, 주요 애플리케이션으로는 DSC, PC 카메라, 듀얼 모드 카메라, 지문인식, 모바일 폰 등을 들 수 있다.

 

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2. CMOS 이미지 센서의 역사

CMOS 이미지 센서(CIS : Contact Image Sensor라고도 함)는 1967년 미국의 FairChild사와 RCA사 등이 활발히 개발하기 시작한 이래, 그 후 1979년 일본의 Hitachi사가 개발에 주력했다. CMOS 이미지 센서는 Fixed Pattern Noise (FPN) 등 노이즈로 인해 이미지의 품질이 CCD에 비해서 열등하고 또한 CCD 대비 회로가 복잡하고 Packing Density가 낮은 단점이 있다.

코스트 측면에서도 CCD에 비해서 차이점이 없고, 칩 사이즈가 큰 이유로 인해, Hitachi사는 1989년에 CMOS형 이미지 센서의 개발을 포기하고 CCD 개발로 전환하게 됐다. 그 이후 1990년 일본의 NHK/ Olympus사에서 AMI(Amplified MOS Imager)를 발표했고, 1993년 Edinburgh 대학에서 최초로 CMOS 타입의 카메라 칩을 발표했다. 같은 해 JPL에서 CMOS 타입의 Active Pixel Sensor(APS)를 발표했고, 1995년 미국 대학 및 연구기관에서 본격적인 CMOS 이미지 센서에 대한 개발이 시작됐다.

 

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3. CMOS 이미지 센서의 픽셀 구조 및 동작원리

① 1-Tr 구조

1-Tr 구조는 그림 1과 같이 아주 간단한데, 1 pixel을 구성하는 요소가 MOSFET 1ea, Photo Diode 1ea로 구성되므로 동일한 픽셀 사이즈에 대해서 2~4TR 구조의 픽셀보다 수광부 면적을 크게 할 수 있는 장점이 있다. 또한 70~80%에 이르는 Fill Factor를 얻을 수 있다. 그러나 신호 판독시에는 노이즈 레벨이 대략 250 e-[r.m.s] 정도로 매우 크게 나타나며, 신호 증폭용 Sense Amp(S/A) 및 신호 저장용 커패시턴스가 Bus Line 끝단에 존재하므로 Parasitic Capacitance의 영향을 많이 받아 결과적으로 Fixed Pattern Noise (FPN)가 크게 나타나는 단점이 있다. 그림 1은 1-TR의 구조를 나타낸 것이다.

 

 

이러한 구조로는 포토다이오드 타입의 패시브 픽셀 구조와 Charge Modulation Device(CMD)가 있다. 그러나 CMD의 경우, 표준 CMOS 프로세스를 사용하지 않고 특별한 프로세스를 적용하기 때문에 non-CMOS Active Pixel Sensor(APS)라고 불리기도 한다. 1-Tr 구조의 동작은 수광부에 빛이 입사하게 되면 이에 따라 EHP(Electron-Hole Pair)가 생성되고, 이렇게 생성된 신호 전하는 Tr의 Gate Bias에 따라 출력단으로 전달되는 방식으로 돼 있다.

 

② 3-Tr Structure

 

이 구조는 1-Tr 구조가 갖고 있는 Parasitic Capacitance에 의한 노이즈를 제거하기 위해 1968년에 일본의 Noble사가 제안한 것으로 1980년대 후반에 NHK사에서 개발한 구조를 말한다. Pixel내에 Source Follower를 삽입한 구조로써 포토다이오드 타입의 Active Pixel Sensor(APS)라고 부르기도 한다(그림 2).

 

 

1pixel 내에 3개의 Tr과 1개의 포토다이오드가 첨가돼 있으므로 1-Tr 구조에 비해 상대적으로 Fill Factor가 낮으며, Parasitic Capacitance에 의한 노이즈 제거를 위해서 삽입된 Source Follower의 픽셀간 Threshold Voltage Fniformity에 따라 노이즈가 발생할 여지가 증가하게 된다. 이 구조는 Toshiba 및 VLSI Vision 등 여러 회사에서 사용하고 있는 구조이기도 하다.

그림 3은 3-Tr 구조의 동작원리를 나타낸 것으로 이를 단계적으로 설명하면 다음과 같다.

 

 

㉮ Reset Tr이 on되면서 Reset Tr의 Source Node Potential이 VDD가 된다. 이렇게 함으로써 Initializa-tion이 끝나며 이때 Reference Value를 Detection하게 된다.

㉯ 외부에서 수광부인 포토다이오드에 빛이 입사하게 되면 이에 비례하게 EHP가 생성된다.

㉰ 생성된 신호전하에 의해 Reset Tr의 Source Node(또는 Select Tr의 Gate Bias Node)의 Potential 이 생성된 신호전하의 양에 비례하게 변화한다.

㉱ Select Tr의 Gate Bias가 신호 전하량에 따라 변하게 되면 결과적으로 Select Tr의 Source Node(Access Tr의 Drain Node)의 Potential이 변하게 된다.

㉲ 이때 Access Tr이 on 상태가 컬럼쪽으로 데이터가 판독된다.

㉳ Reset Tr이 on되면서 Rset Tr의 Source Node Potential이 VDD가 된다.

㉴ 앞의 ㉮~㉳가 반복된다.

 ③ 4-Tr Structure

4-Tr 구조(그림 4)는 판독 노이즈  억제를 위해 1980년대에 일본의 Hamamatsu사가 제안한 것으로 CCD의 출력단과 거의 흡사한 구조를 갖고 있으며, 4개의 Tr과 1개의 포토다이오드로 구성돼 있다.

 

이 구조의 경우, CCD와 마찬가지로 출력단을 Floating Diffusion Node를 이용하므로 Image Lagging이 발생할 소지가 높다.

또한 3-Tr 구조와 마찬가지로 픽셀 내에 존재하는 Tr들의 Threshold Voltage Uniformity에 따라 노이즈가 발생할 여지가 높으며, 1pixel당 Tr수가 상대적으로 다른 구조에 비해 많기 때문에 Fill Factor가 낮은 단점이 있다. 기존의 4-Tr 구조가 가지고 있는 Image Lagging 문제를 해결하기 위해 1993년에 JPL에서는 Photo-Gate 타입의 CMOS Active Pixel Sensor(APS)를 제안했다.

4-Tr Photo-Gate 타입의 CMOS APS의 경우, 포토다이오드 상단부에 Photo-Gate라는 전극을 올려 축적된 신호를 Output Floating Node로 전이가 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 전극(Indium Tin ITO : Oxide)을 사용하기도 한다. 이러한 CMOS 이미지 센서의 가장 큰 단점은 Dark Current가 크다는 것인데 이를 극복하기 위해서 CCD에서 적용하는 HAD(Hole Accumulated Device) 또는PPD(Pinned Photo-Diode) 구조를 적용한다.

 

④ 4-Tr photo-gate type CMOS APS의 동작원리

4-Tr 구조의 동작원리를 단계적으로 설명하면 다음과 같다.

㉮ Reset Tr이 on되면서 Output Floating Diffusion Node Potential이 VDD가 된다. 이때 Reference Value를 Detection하게 된다.

㉯ 외부에서 수광부인 Photo-diode에 빛이 입사하게 되면 이에 비례하게 EHP가 생성된다.

㉰ Photo-gate에 Bias가 인가되면 생성된 신호전하들은 Ttransfer Tr의 Source로 전달이 잘 되도록 Photo-gate 하단부의 표면으로 모이게 된다.

㉱ Photo-gate 하단부~Transfer Tr의 Source Node의 Potential이 생성된 신호 전하의 양에 비례하게 변화한다.

㉲ Step 5. Transfer Tr이 on되면 축적된 신호전하는 Floating Diffusion Node로 전달되게 되며 전달된 신호 전하량에 비례하게 Output Floating Diffusion Node의 Potential이 변하고 동시에 Select Tr의 Gate Bias가 변화하게 된다. 이는 결국 Select Tr의 Source Potential의 변화를 초래하게 된다.

㉳ 이때 Access Tr이 on 상태가 Column쪽으로 Data가 판독된다.

㉴ Reset Tr이 on 되면서 Output Floating Diffusion Node Potential이 VDD가 된다. 이러한 과정이 반복된다.  

표 1은 CMOS 이미지지 센서의 픽셀 구조에 따른 노이즈 레벨의 특성을, 표 2는 3-Tr 구조와 4-Tr 구조의 특성을 각각 비교한 것이다.

 

 
(4) CMOS 이미지 센서의 구성

 

CMOS 이미지 센서는 Vertical Driver, Timing, Generator, CDS/AGC/ADC, MICOM 및 EEPROM, DSP(Digital Signal Processor) 등을 원칩(One-chip)화시킬 수 있다. 현재 전세계 기술력은 DSP를 동시에 원칩화할 경우 발생하는 문제점을 확실히 제거하지 못하고 있는 실정이므로 일반적인 CMOS 이미지 센서의 칩 솔루션은 2-Chip 솔루션으로 제공되고 있다. 그림 5는 CMOS 이미지 센서의 구조를 나타낸 것이다.

 

 

(5) CDS(Correlated Double Sampling) 기술

Correlated Double Sampling(CDS)이란 픽셀에서 판독시 발생하는 노이즈를 제거하기 위해 Reference Value와 Signal Value를 각각 읽어 두 값의 차이로부터 순수한 신호레벨을 찾아내는 방법을 말한다. VLSI Vision사에서 사용한 CDS를 살펴보면 그림 6과 같다.

 

 

(6) CMOS 이미지 센서의 기술 개발현황 및 전망

CMOS 이미지 센서는 과거에 많이 사용됐던 고체 촬상소자(CCD:Charge-Coupled Device)보다 소비전력이 적어 현재 디지털 카메라와 핸드폰 등 저전력이 요구되는 많은 촬상기기에 사용되고 있다. 특허 측면에서 CMOS 이미지 센서는 반도체 관련 출원이 많으며, 현재에도 계속 증가 추세를 보이고 있다. 특히, 1997년 이후에 한국, 일본, 미국의 특허출원이 모두 급증하는 추세를 보이는 것은 그 동안 기술적으로 문제가 됐던 CMOS 타입의 카메라 칩과 CMOS 타입 액티브 픽셀 센서(APS)의 문제가 해결된 데 따른 것으로 분석된다.

고화질이 요구되는 애플리케이션에서 CCD 센서에 열세를 보이는 결점이 있으나 이 문제는 빠른 속도로 개선되고 있다. 국내에서도 500만 화소급의 CMOS 센서가 개발돼 그 이상의 고화질 분야로 계속 발전해 나가고 있다. 따라서, CMOS는 저소비 전력과 소형화, 저가 등에 이어 고화질까지 갖춰 주력 영상 센서로 급부상할 것으로 전망되기 때문에 관련 산업계에서는 CMOS 센서가 올해를 기점으로 CCD 센서를 능가할 것으로 예상하고 있다.