이미지센서의 진화

구내에서 1999년 당시 현대전자에서 처음으로 PC카메라용 CIF와 VGA가 양산시작해 지금까지 17년이 지나면서 이미지센서의 상품화로 2002년 폰에 탑재된이후 급격하게 고화소로 진화되어 스마트폰의 가장 핵심적인 프로모션 포인트로 자리잡아 왔다.

그러나 최근 16M급까지 폰에 탑재되면서 이제는 고화소 흐름의 진화는 더이상 필요없게 되었고 폰업체들은 고화소전쟁에서 점차 다른 방향으로 카메라의 응용을 찾고 있다

그중 몆가지 응용분야는 다음과 같다.

1. 듀얼카메라 등장

 - 와이드와 텔레기능

폰 한면에 두개의 카메라를 장착하여 (듀얼카메라라 칭함) 한쪽은 텔레기능으로 기존 원거리 사진 촬영으로 사용하고 한쪽은 와이드기능으로 화각을 높혀 셀카봉 없이 근거리에서도 셀카를 찍을수 있도록 했다 이것은 센서는 그대로이고 단지 렌즈의 화각을 변화시켜 만든것이다. 센서 그자체의 변화는 없다

- 3D 컨텐츠 및 VR 360도 촬영 제작용

- 3D 스캐너용

3D콘텐츠는 데이터 양이 엄청 증가므로 결국 통신속도 개선과 함께 발전할것이다.

2. 저조도 특성 개선되는 센서의 변화

- 가장 근접한 예는 컬러필터 조합에서 RGB를 사용했는데 컬러필터가 없는 W를 조합하여 RGBW조합구조의 센서를 만들어 컬러 필터가 없는 W픽셀에서 빛의 감도를 높혀 보다 저조도 특성을 개선하는 방향이다. 현재 사용중인 컬러필터는 빛을 완전 투과하지 못하고 일정부분 손실이 발생한다. 그러므로 빛이 어두울때는 이 컬러 필터로 인해 저조도 특성이 안좋아지는데 픽셀 조합에서 W픽셀을 컬러필터 없이 제작하여 RGBW조합으로 저조도 특성을 높혀주는 센서이다. ( 2003년정도 본인이 씨아이센서를 운영할때 이미 특허로 제출했던 구조)

- 저조도 특성을 개선하는 또다른 방법은 IR cut off filter를 기계적으로 열었다 닫았다하는 기능과 더불어 (이 방법은 오래전부터 감시카메라 시장에서 사용해 왔다)

RGBW 픽셀 구조를 사용해 주간에는 IR cutoff 필터를 사용하고 야간에는 제거하여 IR만을 받아드리게해서 야간에도 흑백으로 이미지를 얻을수 있도록 한구조이다.

- 또다른 방법으로는 IR cut off 필터를 기계적으로 사용하면서 컬러필터 물질의 광특성을 바꾸는 것이다.

현재 사용중인 컬러필터는 광투과도가 100%가 아니기 때문에 만약 컬러필터 물질을 광투과도가 거의 100%정도 되는 물질을 사용한다면 어두운곳에서도 흑백이 아닌 컬러의 이미지를 얻을수 있다.

물론 RGB의 조합만으로 구현이 가능해진다. 이때 컬러필터의 특성은 각각의 컬러에 대해서 IR파장까지 투과되도록 해야한다. IR은 파장이 길어 실리콘에서 깊게 침투해 어두울때도 충분한 전자를 발생시킬수 있다.

이러한 접근 방법은 DSLR의 광학줌 기능을 따라가는 추세이고 또한 인간의 눈을 따라가고 있는 것이다.

3. 또 다른 폰의 사진관련 응용예는 언제가 될지는 모르겠지만 영상인식 개념으로 응용하는 것이다.

저장된 폰 사진이나 영상을 빅데이터로 활용이 가능하고 또한 실시간 영상 촬영으로 영상 인식 개념의 활용도가 나올수도 있을것이다.

4. 열화상 센서의 등장

기존의 극저온 IR센서는 주로 노이즈가 적어 군사용으로 사용되고 있지만 상온동작 IR센서들이 상용화되었고 또한 최근에는 파장대가 8-12um정도 되는 원적외선 근방의 IR센서를 실리콘으로 구현하는 기술이 양산화되고 있다. 지금은 기술적으로 초보단계이지만 머지않아 양산화가 이루어진다면 아마도 폰에 이 파장대의 IR카메라가 탑재될것이다.

주로 응용은 열화상카메라 용도나 정맥인식 용도의 보안 그리고 아직은 미정이지만 또다른 응용분야들이 생길것이고 (열화상이미지로 사람의 흥분상태 체크나 체온 변화체크로 핼스용으로 ???)

실리콘으로 양산화가 된다면 생산량이 걱정할 필요없이 공급될수 있어 가격또한 아주 저렴해질수 있어 폰 탑재가 가능하기 때문이다.

두서없지만 지금까지 알고 있는 폰에서의 이미지센서 응용분야와 이미지센서의 개발 진행방향 그리고 IR센서의 활용방안을 정리해보았다.

다음은 머신비젼용 센서의 응용에 대해서 정리해보자

머신비젼은 원래 기계장치에 달아 움직이는 물체를 촬영하고 이를 자동화 검사로 연결하기 위해 개발되었다.

빠르게 움직이는 물체를 촬영하기 위해서는 기존의 CMOS이미지센서의 광집적 방법에서 전자식 셔터를 사용하면 Row 배열단위로 영상이 찌그러지는 현상이 발생한다, 이를 방지하기 위해서 global shutter를 사용해야 하는데 이는 픽셀 전체를 한 타이밍에 촬영되어 보정해 빠른 속도로 움직이는 피사체의 순간순간 영상이 왜곡되지 않도록 해주는 방법이다.

주로 응용은 고속카메라 촬영, 자동 검사장비 촬영, 자동차 카메라, 항공용 카메라 최근들어 드론 카메라용도로 시장이 확대되고 있다

단순 자동화 검사장비 시장의 크기가 한계가 있어 향후 자동차나 드론 시장이 열리면서 이러한 Global shutter 기능의 센서 시장이 확대될것이고 많은 센서업체들이 경쟁적으로 뛰어들어 가격또한 급속하게 하락할것이다.

현재는 시장수용가 적어 센서공급업체도 적고 가격또한 아주 비싸다.

[출처] 이미지 센서의 진화|작성자 거상