이미지 센서의 구동 방법 document_id A220623049573

이미지 센서는 광학 영상(photo image)을 전기적 신호로 변환시키는 장치로서 디지털 카메라, 휴대폰 등과 같은 장치 및 시스템에 광범위하게 사용되고 있다. 이미지 센서의 종류는 크게 전하 결합 소자(CCD; Charge-Coupled Device) 타입과 상보성 금속 산화막 반도체(CMOS; Complementary Metal Oxide Semiconductor) 타입으로 분류된다. CCD 타입은 CMOS 타입에 비해서 소비전력 측면에서는 불리하지만, 노이즈가 적고 이미지 품질이 우수하다. CMOS 타입은 일반적인 반도체 제조 기술로 생산가능하기 때문에 증폭 및 신호처리와 같은 주변 시스템과의 통합이 용이하여 생산비용을 낮출 수 있고 처리속도가 빠르면서 CCD 타입에 비해서 소비 전력이 훨씬 낮다는 이점이 있다. 통상적인 이미지 센서는 복수의 픽셀(pixel, 단위 화소)들이 이차원 매트릭스 형태로 배열된 픽셀 어레이를 포함한다. 각 픽셀은 입사광에 의해 전하를 생성하는 포토다이오드(photodiode)와 같은 광감지기(photodetector)와 상기 생성된 전하를 전기적인 신호로 변환하기 위한 트랜지스터와 같은 소자들을 포함한다. 현재 보편적인 CMOS 이미지 센서의 픽셀 구조로는 3-트랜지스터 구조, 4-트랜지스터 구조 등이 있으며, 복수의 픽셀들이 일부 트랜지스터를 공유하는 구조도 존재한다. 이미지 센서의 동적 범위(DR, dynamic range)는 피사체의 명암을 구별할 수 있는 이미지 센서의 성능을 나타낸다. 이미지 센서가 식별 가능한 최대 신호의 레벨(포화 레벨)을 S라 하고 이미지 센서의 노이즈 레벨을 N이라고 할 때, 통상적으로 동적 범위는 dB 단위로 환산하여 20log(S/N)로 나타낼 수 있다. 상기 식에서 알 수 있는 바와 같이, 이미지 센서의 노이즈 레벨(N)을 감소시키거나 이미지 신호의 포화 레벨(S)을 증가시킴으로서 이미지 센서의 동적 범위를 확장할 수 있다. 선형 이미지 센서(linear image sensor)는 입사광에 선형적으로 비례하는 전기적인 이미지 신호를 출력하기 때문에 감지된 이미지 신호의 후속 처리가 간단한 장점이 있다. 그러나 선형 이미지 센서의 동적 범위는 약 75 dB 이하로서 매우 제한적이다. 선형 이미지 센서의 동적 범위를 증가시키기 위해서 다양한 방법이 모색되고 있으나, 통상적으로 픽셀에 포함되는 포토다이오드와 같은 광감지기의 전하 수용 용량을 증가하여야 하기 때문에 이미지 센서의 크기가 증가하고 비용 또한 증가한다. 따라서 이러한 방법으로 선형 이미지 센서의 동적 범위를 증가시키는 것은 일정한 한계가 있으며 소형화를 지향하는 이미지 센서에는 부적합하다. 로그형 이미지 센서(logarithmic image sensor)는 MOS 트랜지스터의 서브문턱 전도(sub-threshold conduction)의 개념에 기초한 구성을 갖는다. 선형 이미지 센서와는 다르게 로그형 이미지 센서는 입사광에 대수적(logarithmic)으로 비례하는 이미지 신호의 출력을 제공하기 때문에 약 100 dB 이상의 넓은 동적 범위를 가질 수 있다. 그러나 로그형 이미지 센서는 약한 입사광의 경우에는 RC 응답 시간이 길어지고, 입사광에 대하여 압축된(compressed) 형태의 전기적인 신호를 출력하기 때문에 노이즈에 취약한 단점이 있다. 일반적으로 이미지 센서의 픽셀 어레이를 구성하는 픽셀들 중에서 액티브 픽셀은 기판에 광감지기와 플로팅 디퓨젼 영역이 형성되고 그 사이의 기판 상부에 형성된 전송 게이트를 포함한다. 전송 게이트의 스위칭 동작에 의해 액티브 픽셀에서는 광집적 모드와 독출 모드가 분리될 수 있다. 일반적인 로그형 이미지 센서는 트랜지스터의 서브문턱 전도(sub-threshold conduction) 동작에 의하여 광집적기 동안에 발생된 광전류에 비례하는 전압 신호를 이미지 신호로서 출력한다. 포토다이오드와 같은 광감지기에서 광집적 모드 동안 발생된 전하가 포토다이오드의 전하 수용 능력을 초과하는 경우에는 광전하들은 불루밍 전류(blooming current)로서 외부로 배출된다. 일반적인 로그형 이미지 센서는 서브문턱 전도와 불루밍 전류의 경로의 확보를 위하여 광집적기 동안 전송 게이트를 문턱 전압 근처의 값으로 구동한다. 이 경우 전송 게이트 하부의 다크 소스(dark source)를 활성화하여 노이즈를 증가시키고, 특히 고온에서 이러한 문제가 심각해진다.