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Imaging Device Lab.

CMOS Image Sensor

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CMOS Image Sensor 란?

CMOS Simulation's images
CMOS Image Sensor & Module for Mobile phone (from Sony)

　CMOS Image Sensor(이하 CIS)는 Mobile phone이나 DSLR과 같은 카메라에 들어가는 센서입니다. 이뿐만 아니라 CCTV, 군사용 카메라, 의료용 카메라, 자동차용 카메라 등 CIS는 현대인의 생활에 밀접한 관계를 맺고 있습니다. 이러한 Image Sensor는 픽셀(화소)과 픽셀을 구동하는 구동회로로 이루어져 있습니다. Imaging Device Lab에서는 픽셀에 대한 연구를 하고 있습니다.

Phase Detection Auto Focus란

CMOS Simulation's images
A diagram of phase-detection pixels that are 'shaded' &
Graphic explaining how light is split up above the shaded phase-detection pixels
     CMOS Simulation's images
Principle of the PDAF function(Reference : CANON)

　PDAF(Phase Detection Auto Focus)기능을 탑재한 이미지 센서란 위상 차이를 감지하기 위한 전용 픽셀을 배치함으로써 AF 기능을 하는 이미지 센서를 말한다. 픽셀의 반을 금속 박막으로 좌우 각각 차폐하여 한 쌍의 위상차를 이용한 PDAF 형식과 하나의 픽셀에 두 개의 포토다이오드를 구축하여 각각의 출력의 차이를 이용한 2PD-PDAF 형식으로 나뉜다

　PDAF 방식은 픽셀의 반을 차폐하기에 픽셀 크기가 작아지면 빛의 흡수량이 현저히 줄며 AF 성능에도 악영향을 끼친다. 또한, 2PD-PDAF 방식은 하나의 픽셀 내에 두 개의 포토다이오드가 위치하므로 픽셀 크기가 줄수록 각각의 광전류가 줄어 AF 성능이 현저히 저하된다. 하지만 고해상도 CMOS 이미지 센서에 대해 픽셀 크기가 1um 보다 작아짐에 따라 수광부 면적이 감소하여 기존 픽셀에 적용되어왔던 DTI, Metal grid 등 AF 성능을 개선했던 요소들을 더는 적용하기 어려워졌다. 또한, 작은 크기의 픽셀에서 AF는 수광부를 차폐하기 위한 Metal Shield 면적도 감소하므로, AF 성능 열화와 misalign 등의 문제로 공정 난도가 상승하며 수율 악화에도 영향을 미친다. 이에, 기존의 metal로 차폐했던 구조로 더는 1um 이하의 픽셀에는 적용이 어렵다고 생각되며, 이러한 문제점을 극복하기 위한 새로운 구조가 필요하다

Double-layered Microlens structure

CMOS Simulation's images      CMOS Simulation's images
Double-layered Microlens Structure & TCAD Simulation Results at the oblique incident light.

　DSLR 카메라를 비롯하여 우리 생활에 밀접하게 사용되고 있는 카메라는 몇 천만 해상도까지 발전해가고 있다. 하지만 해상도의 향상에 따라 한정된 칩 면적에 다수의 화소(pixel)을 탑재해야 하기 때문에 화소의 사이즈가 1μm이하로 줄어 들고 있다. 하지만 Pixel의 크기가 줄어들면, CMOS Imaging Sensor의 감도와 직결되는 광자의 흡수율이 감소하고 노이즈의 일종인 crosstalk이 증가한다. 그에 따라 본Image Device Lab.에서는 그림(上左)과 같은 Double-layered Microlens 구조를 제안하였다.

　Double-layered Microlens 란, 하나의 화소에서 기존 microlens 위에 4개의 Microlens를 쌓은 형태이다. 이 구조는 Oblique Light(사광, 40도)까지 에도 포토다이오드에서 빛의 흡수율을 높여 이미지 센서의 감도를 높이고, 화소 간의 crosstalk을 줄여주는 효과를 가져오는 것을 TCAD simulation을 통하여 확인할 수 있었다(그림 上右).

　이와 같이 본 연구실에서는 이미지 센서의 화소 구조의 개선에 대한 연구를 시행하고 있으며 TCAD simulator를 활용하여 그 효과를 시험해볼 수 있다.

For Small Pixel-Size Image Sensor

CMOS Simulation's images
Pixel Cross-section Picture
　차세대 이미지 센서로써, 고해상도, 다기능 픽셀에 대한 연구가 진행되고 있습니다. 한정된 모듈 사이즈에서 고해상도를 구현하기 위하여 픽셀 사이즈가 미세화됨에 따라 생기는 픽셀간 Crosstalk등과 같은 문제를 해결하고 새로운 픽셀 구조를 제안하는 것을 Imaging Device Lab에서 하고 있습니다.

향후 연구 계획

　차세대 이미지 센서는 현재의 모습과 완전히 다를 것이라 예상 되고 있습니다. Flexible Image Sensor, Wearable Image Sensor, Artificial Vision 등 우리가 앞으로 연구해 나갈 분야는 무궁무진하다고 할 수 있습니다. 향후 우리 Lab에서 위와 같은 다양한 분야에서 사용 할 수 있는 Image sensor를 개척해 나갈 예정입니다.

Imaging Device Lab 에서 수행 가능한 연구

  • CMOS Image Sensor Pixel Development
  • Next Generation Image Sensor
  • Organic Image Sensor
  • Flexible Image Sensor
  • 그 외 Image sensor관련 연구