찰칵! 빛을 디지털 이미지로 만드는 ‘CMOS 이미지센서(CIS)’

‘찰칵’, 아름다운 순간과 잊지 못할 추억을 간직해주는 카메라. 불과 몇십 년 전만 해도 카메라가 귀하고 신기했던 시절이 있었습니다. 하지만 이제 카메라는 널리 그리고 많이 보급된 기록매체 중 하나입니다.

특히 필름 카메라에서 디지털카메라의 발전은 우리 생활에도 큰 변화를 가져왔습니다. 콤팩트형의 소형 카메라에서 전문가용 고사양 DSLR까지 그 종류도 다양해졌고 휴대폰, 태블릿PC, CCTV, 블랙박스에 이르기까지 다양한 기기에 카메라 기술이 적용됐습니다.

▲ 디지털카메라 속 반도체 기술

이렇게 우리의 소중한 추억을 기록해주는 디지털카메라에도 반도체 기술이 숨어 있습니다. 렌즈를 통해 들어오는 빛을 전기적인 영상 신호로 바꿔 주는 CMOS 이미지센서(CIS), 이미지 신호를 처리하는 이미지 신호 처리 장치(ISP), 데이터 처리속도를 빠르게 해주는 D램, 사진파일을 저장하는 낸드플래시 등 많은 반도체가 우리 카메라에서 중요한 역할을 하는데요.

오늘은 카메라의 필름 역할을 하는 ‘CMOS 이미지센서’에 대해 알아보겠습니다.

카메라의 필름역할을 하는 ‘이미지센서’

디지털카메라에는 여러 반도체 기술이 필요하지만, 가장 중요한 역할을 하는 부품이 바로 ‘이미지센서’입니다. 이미지센서는 피사체 정보를 읽어 전기적인 영상신호로 변환해주는 장치입니다. 즉 빛에너지를 전기적 에너지로 변환해 영상으로 만드는데 카메라의 필름과 같은 역할을 합니다.

쉽게 말해 렌즈를 통해 들어온 빛을 전기적 디지털 신호로 변환해주는 역할로, 영상신호를 저장하고 전송해 디스플레이 장치로 촬영한 사진을 볼 수 있도록 만들어 주는 반도체입니다. 이러한 이미지센서가 사용되는 디지털카메라는 일반 필름카메라와 달리 필름, 인화 과정을 필요로 하지 않는데요. 사진을 찍은 후 바로 디스플레이 화면에서 사진을 확인하거나 삭제할 수 있는 것이죠!

이미지센서는 응용 방식과 제조 공정에 따라 CCD 이미지센서와 CMOS 이미지센서로 나눌 수 있습니다. CCD 이미지센서는 전자 형태의 신호를 직접 전송하는 방식으로 아날로그 제조 공정이 사용되는데요.

CMOS 이미지센서 대비 노이즈가 적다는 장점을 가지고 있습니다. 반면 CMOS 이미지센서는 신호를 전압 형태로 변환해 전송하는 방식으로 CMOS 제조 공정이 사용되어 가격경쟁력이 있다는 장점이 있습니다.

이러한 특징 때문에 과거 CCD 이미지센서는 디지털카메라에 사용되고, CMOS 이미지센서는 주로 휴대폰에 사용됐습니다.

하지만 휴대폰, 태블릿PC 등 카메라 기능이 탑재된 모바일 기기의 시장이 확대되면서 핵심 부품으로 CMOS 이미지센서가 주목받기 시작했습니다. 특히 모바일 기기는 전력 소비를 줄이는 것이 중요한데 이는 배터리 사용 시간 연장과 직결되기 때문입니다. 때문에 CCD 이미지센서 대비 저전력 공정으로 소비전력에서 강점을 가지는 CMOS 이미지센서가 핵심 부품으로 떠오르게 된 것입니다.

또한, CMOS 이미지센서는 노이즈 등 성능이 매우 개선되고 동영상 지원 기능과 가격 측면에서도 지속적인 우위를 가지면서 최근에는 DSLR 카메라에도 많이 탑재되고 있습니다.

이외에도 CMOS 이미지센서는 CCD 이미지센서에 비해 많은 장점을 가지고 있는데요, 일반 반도체 공정인 CMOS 공정을 사용하기 때문에 가격 경쟁력을 가지며 이미지센서와 주변 회로를 원칩화할 수 있어 소형화 및 관리가 용이합니다.

CMOS 이미지센서의 혁신, ISOCELL

일반적으로 이미지의 화질은 센서를 구성하는 각 픽셀(Pixel, 화소)에 모이는 빛의 양에 많은 영향을 받습니다. 최근 CMOS 이미지센서의 칩 크기는 작아지고 픽셀 수는 늘어나 픽셀의 크기가 계속 작아지고 있는데요. 작은 픽셀일수록 충분한 빛을 흡수하기 어려워 CMOS 이미지센서 기술은 ‘수광율(이미지센서가 빛을 받아들이는 정도)’을 높이는 방향으로 발전해 왔습니다.

그래서 기존 후면조사형(BSI) 센서는 ‘수광부(빛을 받아들이는 부분)’를 센서의 가장 윗부분으로 옮겨 ‘수광율’을 높여 왔는데요, 하지만 픽셀의 크기가 계속 작아짐에 따라 최근 한계에 봉착했습니다.

이에 작년 9월 삼성전자는 업계 최초로 기존 CMOS 이미지센서의 성능 한계를 극복한 ‘아이소셀(ISOCELL)’ 개발에 성공했는데요,

‘아이소셀(ISOCELL)’은 ‘격리하다(isolate)’와 ‘세포(cell)’의 뜻이 합쳐진 어원으로, 용어에서도 알 수 있듯이 픽셀과 픽셀 사이에 절연부를 형성해 인접한 픽셀들을 서로 격리시키는 구조입니다. 즉 이미지센서를 구성하고 있는 수백만 개의 픽셀 각각의 테두리에 물리적인 벽을 세워 픽셀로 들어온 빛이 밖으로 나가지 않도록 하는 첨단 이미지센서 기술인데요,

각 픽셀에 들어온 빛이 주변 픽셀에 영향을 주는 ‘간섭현상’을 최소화해 빛의 손실을 줄인 것이 특징입니다. 때문에 빛이 적은 어두운 공간에서도 보다 깨끗한 이미지를 얻을 수 있어 모바일기기 사용자들의 카메라 성능 만족도를 더욱 높일 수 있답니다.

삼성전자는 이번 MWC 2014(Mobile World Congress)에서 아이소셀을 기반으로 한 1600만 화소 이미지센서와 적층형 구조의 1300만 화소 이미지센서를 새롭게 공개하며 모바일 이미지센서 분야의 기술 리더십을 더욱 강화하고 있습니다. 우리의 소중한 추억 순간순간을 간직해주는 반도체, ‘이미지센서’의 활약을 앞으로도 기대해주세요~!

원문 링크: http://samsungsemiconstory.com/642