CMOS와 CCD의 비교분석

1. CMOS와 CCD의 동작원리 비교 

○ CMOS : 각각의 pixel 내부에 내장된 Source Follower에서 전하가 전압으로 변환

○ CCD : 수광부에서 발생된 전하가 일렬로 연결된 MOS Capacitor를 거쳐 순차적으로 이동하여 Source Follower에서 전압으로 변환

 

□ CMOS와 CCD는 대표적인 이미지 센서

 o 이미지 센서는 빛을 전기적 신호로 바꿔주는 소자로서, 광전변환에 의해 전하를 생성하고 축전하는 수광부와 전하를 전압으로 변환하고 최종적으로 디지털 코드 형태로 바꿔주는 주변 회로부로 구성됨

□ 전압변환 체계 측면에서의 비교

 o CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor, 상보성금속산화물반도체)는 각 pixel에 변환회로가 있어 각 column 단위로 Correlated Double Sampling(CDS)과 Analog-to-Digital Converter(ADC)회로 및 Capacitor가 내장되어 전압신호가 디지털 신호로 변환이 완료됨

   - 따라서, 각 column에 내장된 회로에 사용되는 트랜지스터의 특성산포로 인한 Fixed Pattern Noise(FPN)에 취약한 약점이 있으며, CDS회로는 이를 교정하기 위해 삽입됨

 o CCD(Charge Coupled Device, 전하결합소자)는 수광면적 전체가 수광소자 및 전하이동을 위한 CCD로만 구성되어 있고 단일 출력단에서 전하-전압 변환이 일어나므로 CMOS 방식에 비해 FPN 문제에서 상대적으로 자유로움 

□ 사용 전력 측면에서의 비교

 o CMOS는 standard CMOS 공정을 거의 그대로 사용하므로, 1.5V~3.3V 범위의 단일 저전압 전원을 사용

 o  CCD는 수광부에서 발생한 전자를 일렬로 연결된 MOS Capacitor를 통해 순차적으로 이동시켜야 하므로 多重 고전압 전원을 사용

□ 1-Chip 가능성 측면에서의 비교

 o CMOS는 수광소자와 Image Signal Processor(ISP) 등의 주변 회로부를 1-Chip으로 집적 가능

 o  CCD는 반드시 수광부가 별도의 Chip으로 구성되어야 함

 o  이것은 휴대폰 등의 모바일 기기에서 요구하는 저전력 소비 특성 및 작은 모듈 크기 등에서 CMOS가 CCD에 비해 갖는 원천적인 장점

□ 적용 기기 측면에서의 비교

 o CMOS는 휴대폰 등에 내장되는 카메라 모듈을 중심으로 PC 카메라, 보안 카메라 등의 용도에 적용

 o CCD는 고화질을 요구하는 High-End 제품에 적용

 

 <CMOS와 CCD의 비교> 

구분	CMOS	CCD
개발현황	- 720만 화소까지 개발	- 카메라폰용으로 800만 화소까지 사용화
장점	- 부품들을 통합하기 쉬움 - 저렴함 - 대량 생산 유리 - 소비 전략 낮음	- 저잡음 신호 출력 - 화소간 균일성 유지 가능
단점	- 고화질 구현이 상대적으로 떨어짐	- 소비 전략 높음 - 부품들을 통합하기 어려움 - 비쌈

 

□ 생산․경제적 측면에서의 비교

 o CMOS는 Standard CMOS 공정을 사용하여 제작하므로 노후화된 Fab Line을 보유하고 있는 종합반도체 업체(IDM) 및 파운드리 전문업체에서 개발 가능하기 때문에 생산비용이 저렴하여 가격 경쟁력이 있고 1-Chip 가능성이 있기 때문에 시스템 비용도 줄일 수 있음

 o CCD는 전용 Fab에서만 생산 가능

2. CMOS와 CCD의 시장 동향 분석 

○ 전체 이미지 센서의 시장이 2007년도 69억 달러 규모로 전망되는 가운데,     CMOS 시장이 45억 달러 규모로 CCD 시장을 잠식할 것으로 예상됨 

□ 세계 시장  

 o 전세계 이미지 센서 시장은 2007년도 69억 달러 규모가 될 것으로 전망되고 있으며, CMOS는 67%(45억 달러), CCD는 33%(24억 달러) 정도 차지

 o 500만 화소 이상의 High-End 디지털 카메라, 캠코더 등 고화질이 중요한 응용분야에서는 CCD가 주류이며, 저전력, 저가격, 모듈 소형화 등이 생명인 카메라폰 등의 모바일 응용분야 및 Low-End 디지털 카메라, PC용 카메라 등에서는 CMOS가 CCD를 빠르게 잠식

    ※ CCD : 28억(05년) → 27억(06년) → 24억(07년) → 23억(08년)

    ※ CMOS : 31억(05년) → 39억(06년) → 45억(07년) → 51억(08년)

□ 국내 시장  

 o 국내 CCD 시장 규모는 전세계 시장의 6.7% 정도를 차지하고 있으며, 2006년 2.3억 달러에서 2007년 1.6억 달러로 감소할 전망 

 o 국내 CMOS 시장 규모는 전세계 시장의 16.0% 정도를 차지하고 있으며, 2006년 6.1억 달러에서 2007년 7.2억 달러로 증가할 전망

<이미지 센서 시장 전망>                                                                                   (단위 : 백만 달러) 

구분				2005년	2006년	2007년	2008년	2009년
CCD	전세계			2845.63	2719.36	2421.99	2311.73	2310.40
		증가율		5.1%	-4.4%	-10.9%	-4.6%	-0.1%
		국내		365.31	229.30	163.47	128.98	111.34
			증가율	1.0%	-37.2%	-28.7%	-21.1%	-13.7%
CMOS	전세계			3075.44	3906.72	4510.85	5061.68	5541.08
		증가율		28.2%	27.0%	15.5%	12.2%	9.5%
		국내		533.34	605.91	724.94	814.63	869.58
			증가율	28.9%	13.6%	19.6%	12.4%	6.7%

 <자료> : 전세계 통계 Gartner 2007. 2, 국내 통계 Gartner 2007. 7

3. CMOS와 CCD의 업계 동향

○ CMOS 시장은 STMicroelectronics, OmniVision, Micron, Avago 등이 전체     60% 시장을 차지하고 있는 가운데, 국내 업체인 매그나칩, 삼성전자가  5.9%, 3.3% 각각 차지

○CCD 시장에서는 Sony, Sharp, Matsushita 등의 전세계 시장의 70% 정도를 차지하고 있어 일본 기업들이 강세 시장으로 분석됨

□ CMOS 업계 동향

 o STMicroelectronics, OmniVision, Micron, Avago 등이 전세계 시장의 60% 정도를 점유하고 있으며, 국내 업체로는 매그나칩, 삼성전자가 5.9%, 3.3% 정도를 각각 차지

<CMOS 생산 업체별 점유율>                                                                 (단위 : 백만 달러) 

업체명	2004년	2005년	점유율(%)
STMicroelectronics	312	472	17.0
OmniVision	383	463	16.7
Micron	181	447	16.1
Avago	496	284	10.2
Sony	176	211	7.6
Magnachip	200	163	5.9
Toshiba	198	146	5.3
Sharp	126	142	5.1
Samsung	88	92	3.3
Kodak	53	65	2.3
기타	131	137	10.5
합계	2,526	2,778	100

<자료> : In-stat MDR, 2006. 12

 o STMicroelectronics의 경우 주 고객은 Nokia이며, Micron의 경우 카메라폰, DSC, PC 카메라용 CMOS 생산에 주력하고 있고 주요 고객은 삼성전자, Motorola, Nokia, Ericson, LG 전자 등의 휴대폰 업체이고, OmniVision은 미국의 Fabless 업체로 주 고객은 삼성전자, Motorola, Siemens, Lenovo, LG 전자 등임

 o 삼성전자의 주 고객은 휴대폰 카메라 모듈을 공급하는 삼성전지(SEMCO)와 삼성테크이며, 매그나칩의 주요 고객은 삼성전자와 LG 전자임

 

<CCD 생산 업체별 점유율>                                                                                                              (단위 : 백만 달러) 

업체명	2004년	2005년	점유율(%)
Sony	1,390	1,414	41.3
Sharp	536	558	16.3
Matsushita	507	453	13.2
Fujifilm	346	288	8.4
NEC	198	171	5.0
Toshiba	202	165	4.8
Sanyo	151	148	4.3
Kodak	107	125	3.6
Hamamatsu	63	79	2.3
A스디	10	10	0.3
기타	46	16	0.5
합계	3,556	3,427	100

 <자료> : In-stat MDR, 2006. 12

□ CCD 업계 동향

 o Sony, Sharp, Matsushita 등이 전세계 시장의 약 71% 정도를 차지하고 있어 일본 기업이 강세인 시장

 o 2005년도 기준, Sony는 CCD 시장에서 1위, CMOS 시장에서도 5위를 기록하였으며 주요 고객으로는 삼성전자, 캐논, LG 전자, Casio, Kodak, Olympus, Konica-Minolta, Pentax 등

 o Shap의 경우, CCD, CMOS, 모듈을 모두 개발하여 2005년에는 매출을 7억 달러 기록하였으며, 주요 고객으로는 Nokia, Casio, Kodak, HP, Pentax, 삼성전자, Konica-Minolta 등

 

 

출처 : 정보통신연구진흥원 정보서비스단