이미지 센서에는 CMOS Image Sensor, CIS와 Charge Coupled Device, CCD 두 가지의 Type이 있습니다. 이 두 반도체의 차이에 대해서 다루어보겠습니다.
| Charge Coupled Device, CCD 이미지센서 | CMOS Image Sensor, CIS | |
| 구동 원리 | 전하량을 직접 전송하는 방식 | 각 픽셀의 전하량을 디지털 신호로 변환하여 전달하는 방식 |
| 장 점 | -전하량을 직접 전송하기 때문에 전하 손실이 없어 화질이 선명함. -상대적으로 noise에 강함 -칩 size가 작음 |
-CMOS 공정 적용이 가능하여 집적도가 높고 대량 생산 가능. -소자 사이즈가 작아지고 전력효율이 뛰어남 -병렬 방식의 데이터 전송으로 영상정보를 고속으로 처리 가능. |
| 단 점 | 축적된 전하를 순차적으로 전송하기에 영상처리속도가 느림. 소비전력이 높고 가격이 비쌈 | 디지털 신호로 변환하는 과정에서 전하의 손실 발생. 상대적으로 화질과 감도가 떨어짐 |
[질문 1]. 이미지 센서에 대해서 설명해보세요.
Image Sensor 는 아날로그 신호인 광자를 전자로 전환하여 디스플레이에 표시하거나 저장장치에 저장할 수 있게 하는 반도체입니다. 카메라 렌즈를 통해 들어오는 영상정보를 전기적 디지털 신호로 변환해주는 역할을 합니다. 이미지 센서는 렌즈를 통해 들어온 빛을 디지털 영상신호로 변환해줍니다. 변환된 영상신호는 이미지 신호를 처리하는 ISP 그리고 데이터 처리속도를 빠르게 해주는 D램, 마지막에 이미지 파일을 저장할 수 있는 낸드플래시 등 카메라에는 다양한 반도체들이 집약돼서 중요한 역할을 하고 있습니다.
[질문 2]. Charge Coupled Device, CCD 이미지 센서에 대해서 설명하세요.
CCD 이미지 센서는 빛에너지로 발생된 전하를 축적한 후에 전송 최종단에서 전하가 전기적 신호로 증폭되어 전환됩니다. Photon에 의한 각 셀 내의 자유 전하량의 변화를 전기적 신호로 변환하는 구조입니다. CCD 내 Photo diode가 photon을 count하여 전하로 바꾸어주는 역할을 합니다. CCD센서는 들어오는 photon의 양에 의해 각 셀에 전하가 축적되는 photo effective 영역 및 축적된 전하를 차례대로 전송하는 shift register로 크게 구분됩니다. 각각의 셀이 어떤 array로 영상을 생성하냐에 따라 Area scan, line scan, TDL line scan으로 나누어집니다. CCD는 기본적으로 흑백 인식만이 가능하여 이미지 구현 시 RGB 필터가 필요합니다.
[질문 3]. CMOS Image Sensor, CIS 이미지 센서에 대해서 설명하세요.
CMOS 이미지 센서는 빛 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 영상정보를 읽습니다. 렌즈를 통해 들어온 아날로그의 영상신호를 전기적인 영상신호로 변환해줍니다. 각 픽셀에서 빛 에너지로 발생된 전하를 '바로' 전기신호로 변환하여 이동합니다. CMOS는 전하를 전송하는 소자가 아닌 디지털 신호를 전송하기 위해 개발된 소자입니다. 그래서 전하의 손실이나 변형이 있을 수 있습니다. CMOS 이미지 센서는 CMOS 공정을 사용하기 때문에 가격경쟁력이 높고 이미지 센서와 주변회로를 원칩화 할 수 있기 때문에 소형화가 가능하다는 장점이 있습니다. 그러한 이유로 집적도가 높고 전력 소비량이 적어 베터리 수명이 중요한 소형 전자지기들에 많이 적용되고 있습니다.
[질문 4]. CCD와 CIS 이미지 센서의 차이에 대해서 설명하세요.
CCD는 빛에너지로 발생된 전하를 '축적' 후 전송 최종단에서 전기적인 신호로 증폭되어 신호가 전달됩니다. CIS는 빛에너지로 발생된 전하를 각 픽셀의 CMOS가 '바로' 전기신호로 변환하여 신호를 전달합니다. CCD는 CMOS에 비해 선명한 화질과 섬세한 색상 구분이 가능합니다. 그리고 noise가 적어 선명한 화면을 제공하고 칩사이즈가 작습니다. 하지만 CMOS에 비해 회로가 복잡하고 가격이 높습니다. 또한 소비전력이 높고 영상처리 속도가 매우 느립니다. CIS는 CMOS 공정을 적용할 수 있기 때문에 제조단가가 낮고, 대량 생산이 가능합니다. 또한 CMOS의 이점인 낮은 전력소비와 발열이 적습니다. 그리고 병렬 방식의 데이터 전송으로 영상처리속도가 매우 빠릅니다. 하지만 직접적인 전하를 전달하는 것이 아닌 디지털 신호를 전송하기 위한 소자이기에 전하 손실이 있고 변형이 일어날 수 있습니다. 그리고 감도가 낮고 CCD 대비 노이즈 이슈가 있습니다.
CCD vs CMOS 이미지 센서의 동작원리
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