소니, 1억 화소 CMOS 이미지 센서로 시장 입지 지킬까

파나소닉, 유기 CMOS 이미지 센서 기술 개발
  • 2017년 05월호
  • 김영학 기자, yhk@elec4.co.kr

소니(Sony), 파나소닉(Panasonic) 등이 주도하고 있는 이미지 센서 시장에 삼성전자, SK하이닉스가 공격적인 투자로 경쟁 대열에 합류했다. 이와 맞물려 소니는 관련 기술 로드맵을 발표하면서 CMOS이미지 센서 기술에 대한 기대감을 높이고 있다. 

CMOS(ComplementaryMetal-Oxide emiconductor), CCD(Cahrge Coupled Device) 등 이미지 센서의 발전은 가전, 의료 이미징, 자동차 분야 등을 위한 디지털 카메라나 카메라 모듈과 같은 이미징 장치의 구현을 다양화하는 데 기여하고 있다.

과거 이미지 센서 시장은 CCD가 주류를 이뤘으나, 이제는 에너지 효율을 높일 수 있고 제조 단가를 낮출 수 있는 CMOS 방식을 채용하는 사례가 훨씬 많아졌다. 이는 CMOS가 가격적인 측면에서 2~4배가량 저렴하며 고속 촬영 등의 다양한 장점을 지니고 있어서다. 기술적 측면에서도 CMOS 이미지 센서 개발에 집중되면서 과거 단점으로 꼽혔던 노이즈, 낮은 감도, 좁은 다이내믹 레인지 등의 문제가 해결됐다.

벨연구소가 1967년에 시작해 1970년에 개발을 완료한 CCD는 1975년 코닥의 엔지니어였던 스티브 세손(Steve J Sasson)이 흑백 100×100 픽셀 초기형 CCD를 장착한 시제품 카메라를 내놓으며 세상에 알려지기 시작했다. CCD는 1983년부터 양산되면서 3분의 2인치 크기의 25만 화소부터 실용화됐다. 1991년에는 3분의 1인치 크기의 38만 화소가 등장한 후 200만 화소의 제품 등이 고해상 TV에 채용되는 등 급격한 기술 진화를 보여 왔다.

CMOS는 1967년부터 개발이 시작됐는데, 당시에는 MOS(Metal-Oxide Semiconductor)형 이미지 센서 이었고 노이즈가 심해 이미지 품질이 낮으며 칩 사이즈도 크고 회로가 복잡했다. 1990년대 초 최초의 CMOS카메라 칩이 발표된 후 개발이 본격화됐다. 당시에는 칩 사이즈가 CCD보다 작았지만 이미지 품질은 떨어져 주로 감시용 카메라, PC 카메라, 저가용 디지털 카메라 등에 활용됐다. 하지만 일본을 중심으로 관련 기술이 급격히 발전하면서 화질이 개선된 CMOS는 전력효율성, 가격경쟁력 등의 이점으로 CCD를 대체하기 시작했다.

이미지 센서 시장은 애플리케이션 기준으로 자동차, 가전, 산업, 방위, 의료, 보안, 엔터테인먼트, 항공·우주 등에서 활용되고 있는데, 최근에는 듀얼 카메라가 보급되면서 스마트폰에서의 시장 수요가 증가할 것으로 예상하고 있다. 또한 자동차 분야에서는 첨단 운전자 지원 시스템(ADAS: Advanced Driver Assistance Systems)이 제공하는 운전자 지원 및 안전에 대한 인지도가 전 세계적으로 높아짐에 따라 이미지 센서 시장성장을 견인할 것으로 예측되는데, 시장조사 기관 마켓앤마켓(MarketsandMarkets)은 2015~2020년 사이 연평균 15.91%의 성장을 예상했다.

소니, 2018년 1억 화소 카메라 시대 연다 

현재 이미지 센서 시장은 CCD의 경우 소니(Sony), 샤프(Sharp), 파나소닉(Panasonic)이, CMOS는 소니, 마이크론(Micron), 옴니버전(Omivision), 캐논(Cannon), 산요(Sanyo) 등이 주도하고 있다. 시장조사 기관 IHS에 따르면, 2016년 이미지 센서 시장은 매출액 기준으로 일본의 소니가 44.5%로 압도적인 1위를 유지하고 있다. 비록 소니가 독보적인 기술력을 토대로 시장을 선점한 상태이나 파나소닉의 신기술과 삼성전자와 SK하이닉스의 이미지 센서에 대한 공격적인 투자로 경쟁이 가속화할 전망이다.

소니의 이미지 센서 설계 및 제조를 담당하고 있는 소니 세미컨덕터 솔루션(Sony Semiconductor Solutions)은 'CeBIT 2017'에서 2018년까지의 이미지 센서 개발 로드맵을 발표했다. 이 로드맵에는 중형포맷 카메라용 100 MP(Mega Pixel) 후면조사형(BSI: BackSide Illumination) CMOS 이미지 센서(IMX211, 흑백)에 대한 내용을 포함하고 있다.

이미 타입 3.6(43.8×32.9 mm) 5,000만 화소의 IMX161과 타입 4.2(53.7×40.4 mm)인 IMX(컬러)를 개발한 소니 세미컨덕터 솔루션은 올해 안에 타입 4.2 IMX211(흑백)을, 2018년에는 IMX461(타입 3.6)과 BSI CMOS인 IMX411(컬러, 흑백)을 출시할 계획이다. 100 MP 화소의 센서는 후지필름의 GFX나 핫셀블라드 X1D와 같은 카메라를 위한 것이며, 150 MP 센서는 PhaseOne 100XF와 같은 중형 디지털 백을 위한 것이다(그림 1 참고).


그림 1. 소니 세미컨덕터 솔루션이 발표한 2018년까지의 이미지 센서 로드맵 〈출처: 소니〉

또한 로드맵에는 고감도 성능의 스타비스(Stavis) 시리즈 센서에 대한 내용도 담겨 있다. 이는 대부분 8 MP 이미지 촬영이 가능한 마이크로 포서즈(Four Thirds) 크기 센서인 IMX294를 포함한 HDR 센서에 대한 것이다. 포서즈 센서는 BSI 기술을 채용한 최초의 포서즈 BSI CMOS 센서가 될 전망이다. 스타비스 시리즈의 경우 산업용 센서로 개발됐지만, 소니는 향후 스타비스 시리즈가 다른 용도로 활용될 가능성도 시사했다(그림 2 참고).


▲ 그림 2. 소니 세미컨덕터 솔루션의 스타비스 관련 내용에는 BSI를 채용한 최초의 포서즈 CMOS 센서에 대한 내용이 담겨 있다. 〈출처: 소니〉 

이에 앞서 2월 7일 , 소니 세미컨덕터 솔루션은 DRAM을 탑재한 스마트폰용 3단 적층형 CMOS 이미지 센서를 발표했다. 소니는 업계 최초로 개발한 3단 적층형 CMOS 이미지 센서는 전통적인 BSI 레이어와 신호처리 회로 부로 구성된 기존의 2단 적층형 CMOS 이미지 센서에 DRAM을 추가로 적층한 형태다.


▲ 그림 3. 전통적인 2단 적층형 CMOS 이미지 센서(좌)와 소니가 개발한 DRAM이 탑재된 3단 적층형 CMOS 이미지 센서 〈출처: 소니〉

기존 2단 적층형 CMOS 이미지 센서에 비해 고속 데이터 처리 속도가 8배 개선된 DRAM CMOS 이미지센서는 초저속 모션 비디오 영상 촬영 시 초당 최대 1,000프레임의 저속 촬영이 가능하며 초점 평면 왜곡을 최소화해 빠르게 움직이는 피사체의 정지 이미지를 풀 HD 1,920×1,080 픽셀로 선명하게 촬영할 수 있다.

또한 고속 촬영 데이터가 DRAM에 저장되어 정상 속도로 출력되기 때문에 기존의 ISP를 사용할 수 있다. 특히 고속 판독을 위해 픽셀에서 디지털 신호로 변환하는 아날로그 비디오 신호를 2단 구조에서 4단 구조로 두 배 늘려 처리능력을 향상시켰다. 이미지 처리에서 다른 LSI로 신호를 출력하는 인터페이스 사양에는 속도 제한이 있기 마련이다. 하지만 이 센서는 DRAM을 사용함으로써 고속으로 읽은 신호를 저장해 표준사양에 맞는 최적의 속도로 데이터를 출력할 수 있게 됐다.

그 결과 1,930만 화소의 스틸 이미지 1매를 120분의 1초(기존 IMX318 대비 4배)에 읽을 수 있는 고속이미지 촬영을 실현했다. 이로써 노출 시간을 제어하는 기계식 셔터가 없는 스마트폰에서도 움직임이 빠른 피사체를 촬영할 때 일어날 수 있는 정지 이미지의 초점 평면 왜곡 현상을 최소화할 수 있게 됐다. 또한 세 개의 레이어에 탑재된 회로 사이에서 발생하는 노이즈 감소 등 설계상의 기술적인 어려움을 해결하기도 했다.


그림 4. 30분의 1초로 판독한 이미지 캡처(좌)와 120분의 1초로 판독한 이미지 캡처(우) 〈출처: 소니〉

파나소닉, IR 컷 필터 필요 없는 유기 CMOS 센서  

파나소닉은 2월 9일, 적층형 유기 박막을 이용한 CMOS 이미지 센서로 근적외선(NIR: Near-Infrared) 영역의 감도를 전기적으로 바꿀 수 있는 전자 제어 기술을 개발했다고 발표했다. 이 기술은 이미지 센서의 모든 픽셀의 감도 파장 영역을 독자적인 적층형 구조를 갖는 유기 박막(이하 적층형 유기 박막)에 가해지는 전압을 변경해 동시에 제어할 수 있게 한다. 

이 기술은 기존의 이미지 센서에 필요했던 기계적 IR 컷 필터 없이도 프레임 단위로 컬러 이미징 모드와 근적외선 이미지 모드를 전환할 수 있다. 또한 유기 CMOS 센서의 특징인 글로벌 셔터(Global Shutter: ISSCC 2016에서 발표) 기능도 갖추고 있어 신속하고 정확한 검사 및 인식이 필요한 머신 비전이나 ITS 감시등과 같은 다양한 산업분야에 적용할 수 있다.

파나소닉이 발표한 기술의 가장 큰 장점은 적외선 차단 필터 없이 가시광선 영역의 영상과 화소의 손실 없이 근적외선 영역의 촬영이 가능하며, 해상도 손실 없이 컬러 이미징 모드와 NIR 이미징 모드를 프레임 단위로 전환할 수 있다. 이것이 가능한 데에는 광전 변환부와 판독 회로부를 독립시키는 유기 CMOS 이미지센서 설계 기술과 광전 변환부에 전압을 변화시켜 컬러 이미징 모드와 근적외선 이미징 모드를 프레임 단위로 전환할 수 있는 감도 제어 기술에 있다.

파나소닉의 유기 CMOS 이미지 센서는 유기막 아래의 실리콘(Si) 기판 회로에 의해 신호 전하가 축적되고 신호가 판독되는 동안 유기막에 의해 광전 변환이 실행된다. 필름과 회로를 독립적으로 설계할 수 있기 때문에 유기 CMOS 이미지 센서는 고감도, 광역 역광 보정, 글로벌 셔터 기능을 구현할 수 있다.


그림 5. 3단 적층 CMOS 이미지 센서의 단면도 〈출처: 소니〉
 

이 신기술은 이미지 센서의 스펙트럼 감도를 가시광선 스펙트럼에서 NIR 스펙트럼으로 확장하기 위해 개발됐다. 이 기술 덕분에 유기 CMOS의 고유한 특성을 읽지 않고 NIR 감도를 전기적으로 제어할 수 있었다.

감도 제어 기술은 컬러 이미징과 NIR 이미징 간의 프레임 단위 전환을 유기층에 가해지는 전압을 변경함으로써 실현할 수 있게 해준다. 가시광선과 NIR을 흡수하는 두 개의 유기층을 적층해 유기 CMOS 이미지 센서의 스펙트럼 감도를 가시광선 스펙트럼에서 NIR 스펙트럼으로 확장할 수 있다.

하지만 단순히 두 유기층을 적층하는 것만으로는 가시광선과 NIR 신호를 구별할 수는 없다. 이를 위해 기존에는 픽셀 크기를 증가시킬 수 있는 전극 및 박막 트랜지스터와 같은 추가 구성요소를 필요로 했다. 

파나소닉은 이 문제를 해결하기 위해 높은 저항 비율을 지닌 두 가지 유기층을 직접 적층하는 방법을 채택했다. 이 구조에서 전압은 두 유기층에 동일하게 분배되지 않는다. 즉 동일한 전압원을 사용하더라도 상대적으로 낮은 전압이 하나의 유기층에 적용되고, 상대적으로 높은 전압은 다른 유기층에 적용된다.


▲그림 6. 전압을 변화시켜 감도를 조절하는 적층형 유기 CMOS 임지 센서의 단면도.
컬러 이미징 모드에서의 가시광선 감도(좌)와 NIR 이미징 모드에서의 가시광선과 NIR 모드 감도(우) 〈출처: 파나소닉〉

유기 CMOS 이미지 센서에는 입사광에서 신호 정보를 받기 위해 임계값보다 높은 전압을 적용해야 한다. 이러한 특성으로 인해 두 층 모두 저전압에서는 감도가 없고, 한층만 중간 전압에서 감도를 지니며, 고전압에서는 모두 감도를 갖는 구조를 실현할 수 있다. 즉 가시광선 및 NIR 이미징 모드에만 감도를 갖는 컬러 이미징 모드의 전기적 전환이 가능해지기 때문에 추가적인 구성요소가 필요 없게 되는 것이다. 

유기 CMOS 이미지 센서 설계 기술과 감도 제어 기술은 야간 투시용 감시 카메라, 비파괴 검사, 머신 비전 등에 활용될 수 있다. NIR 이미징 모드는 사람의 눈이 볼 수 없는 매우 어두운 환경에서도 선명한 이미지를 포착할 수 있다. 이는 감시 카메라가 야간에 캡처한 이미지의 가시성을 향상시키는 데에 기여하게 된다. 


그림 7. 컬러 이미징 모드(좌)와 NIR 이미징 모드(우) 이미지 캡처 비교 〈출처: 파나소닉〉


그림 8. 컬러 이미징 모드(좌)와 NIR 이미징 모드(우). NIR 이미징 모드는 콩 소스로 채워진 작은 병에 붙은 레이블 위의 글자를 읽을 수 있게 한다. 〈출처: 파나소닉〉

또한 컬러 이미징 모드는 NIR 감도가 오프 상태에서 가시광선으로 RGB 색상 정보를 확보할 수 있다. 이러한 모드는 전압을 변경해 동일한 픽셀로 전환할 수 있어 IR 컷 필터가 필요하지 않게 된다. 

IR 컷 필터 없이 컬러 이미지와 NIR 이미지를 모두 캡처할 수 있는 기존의 이미지 센서는 베이어 어레인지먼트 컬러 필터(Bayer Arrangement Color Filter)내의 두 개의 녹색 저주파 필터 중 하나를 NIR 패스 필터로 대체하는 특수 컬러 필터를 사용했다. 이는 NIR 이미지 픽셀 수가 총 픽셀 수의 4분의 1임을 의미한다.

반면, 파나소닉의 신기술은 NIR 이미징 모드에서 픽셀 어레이의 모든 픽셀을 사용해 NIR 이미지를 캡처할 수 있다. 그러므로 해상도 손실 없이 유기 CMOS 이미지센서에 의해 NIR 이미지를 캡처할 수 있다. 따라서 이 기능은 NIR 이미지가 물체를 투과하는 NIR의 특성을 이용해 육안으로 보이지 않는 물체의 내부 정보를 비파괴 검사를 통해 고화질의 정보를 얻을 수 있게 해 검사의 정확성을 향상시킬 수 있다. 

유기 CMOS 이미지 센서는 고속으로 움직이고 보이지 않는 스펙트럼 범위에 있는 피사체의 이미지를 선명하게 포착할 수 있다. 또한 이미지 센서의 감도를 전기적으로 제어해 서로 다른 스펙트럼의 피사체를 프레임 단위로 캡처할 수 있다. 이 기능을 사용하면 머신 비전이 가시광선 스펙트럼과 NIR 스펙트럼 모두에서 프레임 단위로 이미지를 얻을 수 있다. 따라서 유기 CMOS 이미지 센서는 산업용, 감시용 등의 카메라에 응용이 가능하다.

 

▲ 그림 9. 이미지 센서의 유기층에 적용된 전압을 변경해 컬러 이미징 모드와 NIR 이미징 모드를 전환할 때 캡처한 회전 테이블 위의 병 프레임 이미지의 비교. 병의 라벨에 새겨진 QR 코드는 스펙트럼에 따라 다르게 반응하도록 특수 잉크로 인쇄했다. 병이 놓인 테이블이 회전하더라도 NIR 감도를 지닌 유기 이미지 센서는 병 레이블에 인쇄된 QR 코드를 선명한 이미지로 캡처할 수 있다. 〈출처: 파나소닉〉

삼성전자, SK하이닉스 CMOS 이미지 센서 개발 박차

이미지 센서 시장에 국내 기업들도 올해부터 적극적으로 투자를 진행할 계획이다. 삼성전자는 2016년 반도체 사업에서 13조 원 이상의 영업이익을 올렸다. 올해에는 모바일 SoC와 이미지 센서를 중심으로 수익을 확대할 계획을 세웠는데, 부품 부문 시스템LSI사업부의 CMOS 이미지 센서(CIS) 팀의 인력을 확충하고 반도체연구소에도 이미지 센서 전담 연구조직을 신설하기로 했다.

특히 유기 소재 박막을 채용한 CMOS 이미지 센서 연구에 집중하고 있는데, 이는 삼성전자의 미래 전략 사업 중 하나인 자동차 전장사업과도 연결된다는 분석이다. IHS에 따르면, 자동차용 CMOS 이미지센서 수요는 2014년 3,360만 개에서 2019년 8,789만개로 연평균 21.1%씩 성장할 전망이다.

특히 격차는 있지만 소니에 이어 2위를 달리고 있는 삼성전자 입장에서 이미지 센서는 향후 스마트폰, 자동차 등 다양한 애플리케이션에서 활용 가치가 있는 중요한 기술에 해당한다. 2016년에 듀얼 픽셀 기술을 적용한 1,200만 화소의 모바일용 이미지 센서를 양산한 것도 그 일환이다.


▲ 그림 10. 삼성전자가 2016년 3월부터 양산을 시작해 갤럭시S7에 이어 갤럭시S8에도 채용한 듀얼 픽셀 기술을 적용한 1,200만 화소의 모바일 이미지 센서 〈출처: 삼성전자〉

삼성전자는 듀얼 픽셀 기술을 최근 출시한 갤럭시S8에도 적용했다. 이는 지난 3월 29일, 미국 뉴욕과 영국 런던에서 개최된 삼성전자의 언팩(Unpack) 행사를 통해서도 확인할 수 있었다. 갤럭시S7에 이어 두 번째로 적용된 이 기술은 스마트폰 카메라에 고화질 DSLR 수준의 자동 초점 기능을 구현해 사용자들이 어두운 곳에서도 선명한 사진을 촬영할 수 있도록 해준다. 

듀얼 픽셀은 인간이 두 눈으로 정확하고 빠르게 초점을 맞추는 것과 마찬가지로, 하나의 화소 안에 두 개의 포토 다이오드가 있어 각각의 빛을 비교해 초점을 맞추는 방식이다. 또한 삼성전자는 빛 간섭 현상 등으로 색이 변할 수 있는 가능성을 줄이는 아이소셀(ISOCELL) 기술을 적용해 피사체의 흔들림을 보정할 수 있도록 했다.

SK하이닉스도 CMOS 이미지 센서 경쟁에 뛰어들었다. SK하이닉스는 2016년부터 CMOS 이미지 센서 사업을 강화하기 시작했다. CMOS 이미지 센서와 파운드리 사업부를 분리해 집중도를 높였고, 10월에는 자회사인 실리콘 파일의 CIS(CMOS Image Sensor) 사업을 양수했다. 또한 2016년 10월 26일에 개막한 '2016 반도체 대전'에서 위상 검출 자동초점(PDAF: Phase Detection Auto Focus) 기술을 활용한 CMOS 이미지센서 데모를 선보인 바 있다. 위상 검출 자동초점은 렌즈를 통해 들어오는 빛을 한 쌍으로 나눠 위상 차이를 비교해 초점을 맞추는 기술이다.

SK하이닉스는 2017년 이천 M10에서 300 mm 웨이퍼로 1,300만 화소의 CMOS 이미지 센서 양산 계획을 수립한 상태이지만, 외부 인재 영입과 함께 BSI CMOS 이미지 센서에서 발생하는 암전류(Dark Current) 개선을 목표로 설계와 재료 등도 전면 재검토할 방침이다.
또한 시스템 IC 파운드리 사업부에 이어 CMOS 이미지 센서 사업부를 CEO 직속으로 조직을 개편했다.

이러한 기술 발전과 사용처의 확대에 힘입어 이미지 센서 시장은 2020년까지 약 175억 달러 규모에 도달할 것으로 전망된다. 마켓앤마켓은 '타입, 애플리케이션, 지역에 따른 이미지 센서 시장' 보고서를 통해 전 세계 이미지 센서 시장은 2015년부터 2020년까지 연평균 10.3%씩 성장하며 175억 달러에 이를 것이라고 발표했다. 한편 KVB 리서치(KVB Reasearch)는 '2016~2022 전 세계 이미지 센서' 보고서를 통해 전세계 이미지 센서 시장이 예측 기간 동안 8.6%의 성장률을 보여 2022년까지 228억 달러의 시장 규모를 이룰 것으로 전망했다.

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