터널이나 극장 같이 어두운 곳에서도 플래시를 터트리지 않아도 사진을 찍을 수 있는 카메라 폰.
고체촬상소자(CCD)·상보성금속산화물반도체(CMOS) 등 이미지센서가 내장된 카메라폰이 휴대폰 시장의 활력소로 작용하는 등 최근 인기를 한 몸에 얻고 있다. 그런데 지금의 CMOS 이미지 센서는 물리적인 특성 탓에 컴컴한 곳에서 플래시의 도움을 받아야 한다. 따라서 백색 발광다이오드(LED)를 탑재, 이를 이용해 영상을 촬영함에 따라 카메라폰의 덩치가 커지고 전력소모가 늘어나는 등 여러 단점들이 있다. 그러나 나노 기술을 이용하면 기존 카메라폰 대비 1000배 정도 약한 빛도 감지할 수 있는 CMOS 이미지센서를 만들수 있어 이러한 문제점들이 내년쯤 해결될 것으로 전망된다.
일반적으로 이미지센서는 광학 영상을 전기적 신호로 변환시키는 반도체 모듈로 영상신호를 저장 및 전송, 디스플레이 장치로 표시하기 위해 사용한다. 이미지 센서에는 실리콘 반도체를 기반으로 한 CCD와 CMOS로 크게 분류된다.
특징을 살펴보면 CCD는 CMOS에 비해 노이즈가 적고 이미지 품질이 우수해 디지털카메라에 적합하다. 이에 반해 CMOS는 대체적으로 CCD에 비해 생산단가와 소비전력이 낮고 주변회로 칩과 통합하기 쉽다는 장점이 있다. 특히 일반적인 반도체 제조기술로 생산, 증폭 및 신호처리와 같은 주변 시스템과 통합이 용이해 생산원가를 낮출 수 있다. 게다가 처리속도가 빠르면서 CCD의 1% 정도로 소비 전력이 낮은 것이 특징이다. 따라서 CMOS는 휴대폰과 개인휴대단말기 (PDA)용 카메라와 같은 소형 휴대용 단말기에 적합하다.
이에 따라 국내는 물론 선진국을 중심으로 모바일 기기 시장을 겨냥한 300만 화소급 CMOS 이미지 센서 개발에 매달리고 있어 그동안 메가급 화소에서 강세를 보인 CCD 시장을 위협하고 있을 뿐더러 지속적으로 CMOS 시장이 확대될 것으로 전문가들은 예측하고 있다.
그러나 CMOS가 단순히 고집적 픽셀 구조만을 추구한다면 현 LSI CMOS 일반제조공정 기술을 활용할 경우 수 천만화소 이상이 가능하다. 그렇지만 현실적으로 CMOS의 크기가 커질수 밖에 없다. 결국 이를 카메라 폰에 접목하기란 사실상 불가능하다. 이미지 센서를 이용해 피상체를 이미지화하기 위해선 광학렌즈와 같은 광학시스템을 이용해야 하는 데 광학 렌즈의 크기에 따라 이미지 센서의 크기는 제한된 면적 내에 집적될 수밖에 없기때문이다.
따라서 CMOS 단위 픽셀 크기를 작게 해 제한된 면적 내에 300 만 픽셀급 이상의 고픽셀 구조를 실현하기 위해선 몇 가지 해결해야할 문제점이 있다.
우선 실리콘 반도체는 최소 수광 면적을 확보해야만 광전변환에 의한 전기적 신호를 발생시킬 수 있다. 이미지센서의 포토다이오드에서 생성된 광전류가 임계값 이상이 되지 않으면 암전류(dark current)로 인식되어서 어떠한 이미지도 검출할 수 없게 된다. 하나의 단위 픽셀이 받아들이는 빛의 양과 신호가 절대적으로 감소, 동작이 불가능해 지기때문에 고집적을 위해 무한정으로 단위 픽셀 크기를 작게 할수 없다.
또 CCD와 달리 CMOS 이미지센서는 주사선 최초 행과 최후 행에서의 축적기간이 1 프레임 정도 지연되는 데 이는 일반적으로 주사선이 많은 고픽셀 구조일수록 지연되는 시간이 더 증가하게 된다. 즉 움직이는 피사체를 왜곡 없이 촬영하는 데에는 고픽셀 구조로 갈수록 그 문제점이 심각해질 수밖에 없다.
그러나 나노기술이 이미지센서에 접목되면 이러한 기술적 한계를 극복할 것으로 기대되고 있다. 차세대형 CMOS 이미지센서는 나노기술을 이용, 고집적·고감도·초소형·초절전형·신기능 수행이라는 특징을 바탕으로 지금까지의 이미지센서와는 기능면에서 절대우위의 기대치를 충족시킬 것으로 전문가들은 예측하고 있다.
따라서 픽셀의 집적도를 높이는 동시에 수광면적 효율(fill factor)를 가능한 한 높게 만드는 기술이 이미지센서 개발에 있어서 핵심기술이라 할 수 있는 데 이 기술은 나노구조를 이용한 양자효과를 통해서 고집적 및 고감도의 이미지센서가 실현될 수 있다.
이미지센서의 단위픽셀 수광부를 양자우물·양자선·양자점 등의 나노재료를 이용함으로써 초고감도 수광센서를 실현할수 있는 것이다. 일례로 일반 반도체의 MOS 공정만으로 수광 부분을 나노크기의 포토디텍터로 구성하는 방법이 있다. 나노디텍터는 수광 면적이 적을수록 그 감도가 향상됨과 동시에 주변 신호처리 포토트랜지스터를 최소 사이즈로 제작할 수 있어서 현 기술로써 극복할 수 없었던 최소 사이즈의 단위 픽셀을 구현할수 있다.
이와 함께 SOI(Silcon on insulator) 기판을 이온주입한 후에 양자구조의 나노세선(양자선)을 형성시키면 전자가 다수캐리어로 작용, 저전력 구동과 함께 높은 광 응답 특성 및 광전변환의 고속화를 실현할 수 있다. 지금의 실리콘 공정을 이용한 최소 선폭으로 메사(mesa)구조를 패터닝하고 정밀한 산화(oxidation) 공정을 마치고 나면 나노세선은 양자특성을 갖는 양자선이 될 수 있다.
이처럼 단순한 양자구조와 p-n 접합 포토다이오드가 아닌 나노 단위인 전자만을 캐리어로 이용하는 고감도 수광센서는 CMOS 이미지센서에 적용가능 할 뿐만 아니라 게이트 전극을 올린 고기능 이미지센서의 포토트랜지스터로도 사용이 가능하다.
따라서 나노기술을 이용한 양자 수광센서는 극미량의 빛에도 반응을 나타내는 데 이는 기존의 포토다이오드 제품대비 약 수십만 배 이상의 초고감도 특성을 나타내며 약 수십 배 이상에 달하는 광증폭률을 갖는 특성을 가진다. 결국 광출력을 광입력 보다 크게 함으로써 촛불 밝기의 어두운 곳에서도 카메라폰용으로 응용이 가능하다. 이젠 CMOS 이미지센서도 나노시대에 접어들고 있는 것이다.
*국내 전문가들
나노 이미지센서 전문가는 전자부품연구원 나노광전자소자연구센터 김 훈 센터장(39)가 선두주자로 손꼽힌다. 김 훈 박사는 동경대 유학 시절 반도체 구조의 물성에 대한 연구를 해왔다. 특히 양자현상의 특성을 갖는 나노 물질(재료) 연구에 대한 기초 연구를 하는 등 나노기술 확보에 주력해왔다.
3년전 유학을 마치고 고국에 돌아온 그는 이미지 센서 시장이 확대될 것으로 보고 신 기술인 나노기술과 이미 사용화된 CMOS 기술을 접목한 고감도 이미지센서 연구 개발에 주력, 연초 이를 마치고 플래닛82에 기술을 이전중에 있다.
김 박사의 기술 핵심은 포토다이오드 구동방식이 기존 PN 접합방식이 아닌 나노기술을 기반으로 한 단일 캐리어 변조 방식이서 면적이 작아질수록 고해상도의 특성을 갖는 고감도 CMOS 이미지 센서를 개발한 것이다.
그는 또 산자부·정통부의 일렉트로 0580 과제인 고감도이미지센서 개발 사업을 지난 2002년부터 5년간 진행하고 있으며 CMOS·화합물 반도체 관련 특허를 40여건 보유하고 있으며 논문(SCI)도 10여권 발표한 바 있다.
이외 세종대 박상식 교수, 경북대 신장규 교수, KAIST 이희철 교수 등 전문가들이 나노 이미지 센서 관련 연구를 활발히 진행하고 있다.
*이들이 뛴다
`세계 최고의 상보성금속산화물반도체(CMOS) 이미지센서 업체를 향해 뛴다`
플래닛82(대표 윤상조 http://www.planet82.net)는 카메라폰·디지털카메라·PC카메라·감시용 카메라·의료용 카메라·캠코더 등에 사용되는 핵심부품인 고감도의 CMOS 이미지 센서 개발에 매진하고 있는 회사이다.
특히 이 회사는 전자부품연구원과 산·학 공동으로 나노 기술을 통해 기존 이미지 센서인 CCD와 CMOS의 기술적 한계를 극복한 메가픽셀급 이미지 센서 기술을 개발한 데 이어 하반기를 목표로 나노 CMOS 이미지센서 양산에 박차를 가고 있다.
이 회사의 나노 CMOS 이미지센서는 고해상도·저전력·저비용을 특징으로 하고 있어 카메라폰·디지털카메라 등 분야에서 혁신적인 기술로 평가되고 있다. 나노 기술을 이용함으로서써 동급 이미지 센서 대비 더 작은 크기의 이미지 센서를 생산, 완제품의 크기를 줄일수 있는데다 전력소모도 기존 핸드폰·디지털 카메라 등의 이미지센서보다는 수십분의1 로 줄일 수 있다.
이 회사는 우선 30만화소급 CMOS 카메라모듈을 연말부터 양산할 계획이며 내년께 100∼300만 화소급 카메라 모듈을 개발, 같은 해 하반기부터 생산하고 최근들어 급속히 팽창하는 카메라폰과 디지털카메라 시장에서 성능 및 가격경쟁력을 바탕으로 시장 확대에 나설 계획이다.
플래닛82는 또 나노 센서 기술을 기반으로 무혈당측정기 등 의료기기 시장 진출하는 것은 물론 향후 5년내 테라급 나노 소자를 개발, 이를 통해 반도체 분야의 테라급 플래시 메모리 시장에 진출한다는 야심찬 계획을 세워놓고 있다.
이 회사 윤상조 사장은 “나노기술을 기반으로 한 이미지센서·나노바이오센서·양자메모리·양자집적회로·고효율 LD 및 LED 등 산업적 파급 효과가 분야에 진출함으로써 차세대 나노 기술 응용 글로벌 기업으로 발돋음한다”고 밝혔다.
한편 IDC 자료에 따르면 올해부터 CMOS가 CCD의 판매량을 앞지를 것으로 예측하고 있다. 전체 매출액에 있어서는 CCD가 2002년 9억 2364만 달러에서 2006년 8억 7234만 달러로 줄어드는 반면 CMOS는 2002년 1억 9720만 달러에서 오는 2004년에 4억 1908만 달러, 2006년에는 5억 9917만 달러로 증가할 것으로 예상하고 있다.
<안수민기자 smahn@etnews.co.kr>