휴대폰 카메라 ccd, cmos방식 차이...펌

네이버 케러멜 (gelgel214) 님의 레포트자료를 퍼와봤는데요 도움이 되었으면 좋겠어요^^

 

이미지 센서인 CMOS와 CCD에 대해.

1.1.이미지 센서란

 이미지 센서는 휴대전화 카메라나 DSC(Digital Still Camera)등에서 영상을 생성해 내는 영상 촬상 소자 부품을 일컫는 것으로, 그 제작 공정과 응용 방식에 따라 크게 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서와 CMOS(Com-plementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서로 분류 할 수 있다.

 제조 공정상 CCD 이미지 센서는 이미지 센서의 특성을 극대화 시킬 수 있는 공정들만을 채용하는 반면, CMOS이미지 센서는 근본적으로 태생이 다르다. CMOS 공정은 이미 1970년대 후반부터 우수한 집적도 경쟁력과 경제성 때문에 일반적인 반도체 칩 제조 공정으로 널리 자리 잡고 있었다. 이러한 기반 하에 제조공정의 경제성과 주변 칩들과의 연결상의 용이성 때문에 CMOS 공정을 활용한 이미지 센서가 탄생하게 되었다.

1.2.센서의 과거와 현제의 위치.

 1990년대 중반, 초기 CMOS 이미지 센서의 주된 시장은 PC CAM이었다. 그러나 2000년대 초반, 휴대전화 카메라에 CMOS 이미지 센서가 채용되기 시작하면서 CCD와 CMOS 이미지 센서의 시장 점유율에 변화가 있었고 현재는 CMOS 이미지 센서가 거의 대부분의 시장을 점유하게 되었으며, CCD 이미지 센서의 고유 영역이라고 해왔단 DSC 분야에서도 이미 니콘, 캐논, 소니 등 많은 DSC 제작 회사들이 직접 CMOS 이미지 센서를 자체 개발하여 사용하기까지 이르렀다.

2.1 CCD 이미지 센서란

 N형의 반도체 기판의 표면에 0.1um 정도 두께의 절연층을 형성, 금속 전극을 배열하여 이 금속전극의 전압을 제어함으로써 반도체 표면 전위의 낮은 부분을 좌우로 이동시켜 축적된 전하를 이에 맞추어 순차로 전송 시킬 수 있게 때문에, 자리 옮김 레지스터나 기억 장치로 응용된다.

 전하 결합 소자(CCD)는 MOS트랜지스터와 유사한 단순한 구조의 소자로, 전하의 축적에 의한 기억과 전하의 이동에 의한 전송이라는 2가지 기능을 갖고 있어 고집적화가 가능하다.

 CCD는 전하의 크기에 따른 아날로그 양의 기억전송이 가능하기 때문에 TV 카메라의 영상회로, 영상 기억 장치에 대한 응용화가 진행되었다.

 1970년 벨 연구소에서 최초로 개발한 이후, 1983년부터 양산화 되어 3분의2인치 크기의 25만 화수부터 실용화가 본격화 되었는데, 1991년에는 3분의1인치 크기의 38만화소의 제품이 등장하였고, 그 후에 200만 화소의 제품도 고해상 TV용으로 등장하였다. CCD방식은 현재 디지털 카메라 및 많은 종류의 비디오카메라의 이미지 센서로 사용되고 있다.

2.2 CCD 이미지 센서를 이용한 디지털 카메라의 구조.

 수광소자는 전하 우물이라고도 하는데, 이는 수광소자가 받아들인 빛을 축적하기 EOans이다. 이 축적된 전하는 타이밍 신호에 의해 축적된 전하를 동시에 출력한다. 축적된 광자는 전자로 변환되고, 이는 다시 전압으로 변환된다. 이와 같이 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 것은 A/D 컨버터라고 한다.

 A/D 컨버터는 아날로그 사진의 필름 현상 공정과 같은 역할을 하는 것으로, A/D 컨버터의 성능에 따라 RGB(삼원색)색상 채널 당 비트 수가 결정되게 된다.

 CCD를 구성하는 수광 소자는 단순히 빛의 양 만을 축적하므로 빛의 강양(명암)만을 기록하는데 이는 이미지를 흑백 톤으로 기록하는 것과 마찬가지이다. 따라서 컬러 이미지로 변환하려면 별도의 방법이 필요하며, 대개 CCD앞에 RGB 색 필터를 배치하여 컬러를 캡쳐하는 방식을 이용한다.

2.3 CCD 이미지 센서의 종류 및 특징.

 

 

3.1 CMOS 이미지 센서란

 CMOS란 Complementary Metal Oxide Semiconductor의 약어로, 현재 메모리와 컴퓨터 CPU등 반도체 칩에서 구현에 사용되며, 전 반도체 칩 구현 방식 중 가장 많이 사용되는 방식이다. CMOS는 PMOS와 NMOS 트랜지스터를 가지고 구현하며, 이를 통해 저전력을 실현할 수 있다. CMOS 이미지센서는 이러한 CMOS 기술을 이용한 화상 정보 감지기이다.

 

 각 수광소자에 CMOS 트랜지스터가 집적되어 있어, 각 수광소자가 받는 빛의 양을 직접 전하로 변환 시켜주마, 앞서 CCD방식은 각 전하의 양을 읽기 위해, 각 수광소광에 저장된 전하를 이동시키는데 반해, CMOS방식은 각 수광소자에 저장된 전하를 판별기에 의해 직접 그 양을 측정한다.

 CMOS 이미지 센서는 1967년부터 개발이 사작되었다. 당시에는 MOS형 이미지 센서였으며, 노이즈가 심하고 CCD보다 비교하여 이미지 품질은 낮으며, 칩사이즈가 크고 회로가 복합하다는 틈이.

 1990년대 초 최초의 CMOS형 카메라 칩이 발표된 후, 본격적인 개발이 시작되면서, 칩 사이즈가 오히려 CCD보다 작아지고 성능이 향상되면서 저가형 디지털 카메라에서 채택되기 시작하였다. 이후 CMOS 센서는 CCD에 비하여 여전히 낮은 이미지 품질로 인해 감시용 카메라, PC카메라, 저가형 디지털 카메라에서 주로 사용하고 있다.

 그러나 CMOS 센서가 급격하게 기술적 발전을 이루면서 화질이 개선되었으며, CCD방식에 비하여 전력 소비가 적고 가격이 저렴하다는 이점 때문에 디지털 카메라 등에 주력 이미지 센서로 주목받고 있다.

3.2 CMOS 이미지 센서를 이용한 디지털 카메라의 구조.

 CMOS 이미지 센서도 광자를 전자로 변환시켜야 하는 것은 CCD방식과 동일하다. 그러나 CCD방식과는 다리 하나의 수광소자에 하나의 트랜지스터가 있어, 개개의 수광소자가 받은 광자를 전자로 변환하고, 이를 다시 전압으로 변환하는 과정을거쳐 아날로그 데이터를 디지털로 변환시킴으로서 화상 데이터를 저장한다.

3.3 CMOS 이미지 센서 종류 및 특징.

 CMOS 이미지 센서에는 능동형과 수동형 두 가지 타입이 있다.

-수동 픽셀 센서 :

1960년대 사용된 최초의 이미지 센서로, 감광소자는 광자를 전하로 변환시킨다. 이 전하는 센서로 전달되어 증폭되어 진다.

이 센서의 문제점은 이미지의 배경 패턴에 따라 나타나는 노이즈가 크다는 점이다. 이 노이즈를 제거하기 위해서는 추가적인 방법들이 요구된다.

-능동 픽셀 센서 :

앞서의 수동 픽셀 센서가 가지고 있는 노이즈 문제를 상당히 줄여주는 방식으로, 각 픽셀에 있는 회로는 노이즈 레벨의 수준을 결정하고, 노이즈를 제거한다. 이 기술의 성능은 CCD방식에 비견될 만하고, 더 높은 화질과 더 큰 이미지 배열을 가능하게 해 준다.

4. CCD와 CMOS의 비교

 CCD방식과 CMOS 방식의 대표적인 차이로는 화질, 가격, 전력소모를 들 수 있다.

-화질 : 일반적으로 CMOS센서는 CCD센서에 비하여 화질이 낮은데, 그 이유는 고정 패턴 노이즈가 존재하기 때문이다.

 CMOS센서는 하나의 수광소자에 하나의 트랜지스터를 사용하는 구조로 되어 있는데, 트랜지스터의 특성에 의해 노이즈가 발생하게 된다.

-가격 : CMOS 이미지 센서는 CCD센서에 비해 가격이 상당히 저렴하다. 그 이유는 제품을 만드는 방식에서 오는 데, CCD 방식은 CCD용 반도체에 특화된 공정을 사용하므로 규모의 경제를 실현할 수 없는 반면, 대부분의 반도체를 만드는 CMOS방식은 수율이 매우 높고, 공정 개선 개발 속도가 빠르며, 동일 기술로 다른 제품을 만들 수 있기 때문에, 규모의 경제를 실현할 수 있어 생산 원가가 CCD방식에 비해 상당히 저렴하다. 또한 CCD방식에는 여러 개의 표준이 안된 전원 공급이 필요하기 때문에 원가가 더 든다.

-전력소모 : CCD방식의 고전력 소모인데 반해, CMOS방식은 매우 전력소모가 적다.

-CCD 방식과 CMOS 방식을 표로 간략히 비교해 본 것이다.