CMOS와 CCD

(1) cmos와 ccd를 센서라고 하지만 사실은 센서가 아닙니다.

ccd는 charge coupled devices의 약자죠. 일종의 전하 전송수단입니다.
전하를 전송하는 방법이 좀 특이하죠. 일종의 전하 우물 즉 potential well의 깊이를 전하를 전달하고자 하는 방향으로 연속적으로 조절하여 전하를 전송하는 소자를 ccd라고 합니다. 이쯤하죠. 결국 ccd는 전하우물의 깊이를 대체로 3단계 정도로 연속적으로 조절해서 전하를 전송하는 소자입니다. 그러니까, ccd 소자는 단독으로 존재한다면 아무런 의미가 없고 적어도 3개의 소자를 연속적으로 배치하여 전하를 전송하도록 합니다. 보통 촬상소자에서 ccd는 포토센서(광전변환소자)의 라인에 일렬로 설치되서 하나의 라인에서 생성되는 전하를 촬상소자의 아래로 전달하는 소자입니다. 그리고, 좔상소자에는 각 라인에서 소자의 아래로 전송된 전하를 다시 한쪽으로 전송하는 ccd가 있습니다.

cmos는 complementary metal oxide semiconductor field effect transistor(상보형 트랜지스터)의 약자죠. 일종의 트랜지스터죠. 트랜지스터는 뭐하는 거냐하면, 신호를 온오프 시키거나 증폭회로를 구성하는 소자라고 할 수 있죠. 촬상소자에서 cmos는 전하를 전송선으로 공급하기 위한 스위칭 소자의 역할을 하거나, 전하를 증폭하기 위한 회로의 구성 소자로 사용됩니다.

(2) 그렇다면, 센서는 뭐냐?

센서는 광센서 즉 광을 전하로 변환시키는 소자죠. 광전변환소자가 센서라 할 수 있죠. 포토 다이오드가 주로 사용됩니다. 렌즈를 통해서 들어온 광이 광전변환소자(보통 CdS 카드늄 설파이트 등 사용)에 전달되면 여기서 광이 전하로 변환됩니다. 이 변환된 전하는 ccd나 coms를 통해서 각픽셀 위치의 광의 세기를 DSP(digital signal processing)을 통하여 중앙처리장치로 전달되어 화상을 구현하게 됩니다.

(3) 그러면, ccd와 cmos는 뭐가 다른가?

즉, 전송 방식 또는 전송 소자가 다른 이유와 특징은 무었인가?

ccd에도 전송 방식에는 3가지가 있습니다. 인터라인 방식, 프레임 전송 방식, 프레임-터라인전송 방식이 있습니다. 이중에서 케논 D씨리즈에 사용되는 방식은 이중 가장 전송속도가 느린 인터라인 방식으로 대신 촬상소자가 가장 작죠. 하나의 화소 라인별로 설치된 ccd로 라인 별로 전송을 합니다. 즉, 발생된 전하를 그대로 전송합니다. 전하의 손실이 별로 없죠.

그런데, cmos의 경우는 발생된 전하가 mos소자의 게이트가 온되는 순간 쏘스단으로 입력되어 드레인단으로 출력됩니다. 이때 쏘스 전극에 입력된 전하는 반도체 웨이퍼에 형성된 P 또는 N형 반도체(쏘스)를 거쳐 다시 N또는 P형 게이트 채널을 통과해서 다시 P또는 N형 반도체(드레인)으로 출력되는 과정에서 원래의 전하가 손실되거나 변형되게 됩니다.
그 이유는 cmos는 전하를 전송하는 소자가 아니라 디지털 신호를 전송하기 위해서 개발된 소자이기 떄문입니다. 예를 들면, cmos소자는 디지털 메모리 소자에 사용되는데 여기서는 주로 5V 또는 0V 사이의 신호차만 전달하면 됩니다. 즉, 3.5 내지 7V 정도 절단되어도 이것은 디지털로는 모두 1로 인식하고, -1 내지 1.5 V 인 경우 모두 0으로 인식되면 그만이죠. 따라서, 그만큼 오차 및 노이즈에 별로 정확성을 가지지 못합니다.

그래서, 개발된 목적이 다르므로 ccd 촬상소자는 cmos 촬상소자에 비하여 훨씬 정확한 전하량을 전달할 수 있다고 보면 됩니다.

그만큼, 촬상소자에서는 광전변환소자(광센서) 보다는 발생된 전하를 전송하는 전송수단이 매우 중요하기 때문에 일반적으로 촬상소자를 전하전송수단에 따라 ccd나 cmos라고 부르죠. 그래서, 일반인들은 ccd나 cmos가 센서인줄 알고 있는 경우가 많습니다.

(4) 그런데 왜 캐논에서는 주로 cmos를 사용하는가?

최근에 cmos 촬상소자의 수요에 부흥하여 이분야의 급속한 기술의 발전으로 cmos의 전하 전송방식이 혁신적으로 개선되었습니다. 광전변환소자에서 발생된 전하를 source follower라는 일종의 신호 증폭 회로를 도입하여 전에 비하여 상당히 노이즈 및 잔류전하량을 개선시켜서 거의 ccd의 수준에 육박하게 되었습니다.
또한, cmos는 기존의 반도체 소자 제조 프로세스(DRAM 등)와 동일한 프로세스로 제조가 가능하여 가격이 ccd의 약 1/4정도로 제조하게 되었죠. 그리고, 집적도면에서도 앞으로 급속한 변화가 예상됩니다. 메모리의 경우를 예로들면, 현재 DRAM의 경우 손톱만한 면적에서 1Giga(1.000,000,000)의 집적도를 보이고 있습니다. cmos의 경우 현재 D60에는 훨씬 큰 면적에도 600만(6,000,000×3=18,000,000) 정도이니 화소수의 증가는 시간 문제로 생각됩니다. 구조면에서 본다면 cmos의 경우 flash memory와 매우 유사한 구조를 가진다.

(5) ccd와 cmos의 장단점.

ccd는 여전히 화질에서 주로 노이즈나 잔상에서 단연 우수할 수 밖에 없는 구조를 가집니다. 그러나, 소비전력이 cmos의 거의 50-100배이고, 전하 전송 방식이 라인방식이므로 각 화소별로 전송하는 cmos에 비하여 2-5배 정도 빠르며(연사속도와 관련), 가격이 약5배 이상될 것으로 예상되며, 현재 촬상소자의 제조회사의 제조추세로는 ccd의 존립이 위태로울 정도입니다.

반면에, cmos는 새로운 회소의 개발로 노이즈가 현저히 감소하였고, 수율의 향상으로 full size 양산이 조만간 실현될 것이나, 전하 전송 방식에 치명적인 약점이 있어서 연사속도를 확보하기 위해서 화소수의 증가에는 어느정도 한계가 있을 것으로 예상됩니다.

앞으로는 ccd의 경우 지금도 그렇치만 고도의 전문 분야, 천체 관측 분야, 우주 설비용, 군사용 등의 경우와 일부 최고급 사진용으로 개발이 진행될 것으로 생각되며, cmos의 경우는 일반 사진용으로 널리 쓰이게 될 것으로 예상됩니다. 그러나, 이는 어디까지나 지금 현재의 기술수준에 의한 예상일뿐 만일 ccd의 공정과 집적도가 혁신되어 대량생산과 가격이 안정된다면 …. 희망사항이지만.

(6)  맺으며

글쎄, 얼마나 이해가 되셨는지 모르겠네요. 간단히 몇가지만 염두에 두셔도 좋을 듯 하네요.

– ccd와 cmos는 센서가 아니라 전송 소자다. 그런데 쵤상소자는 전송소자가 매우 중요해서 일반적으로 ccd나 cmos로 불리운다.

– ccd는 cmos에 비하여 노이즈가 적고 전하전송 속도가 빠른 소자이나, 제조공정이 복잡하고 수율이 낮아 가격이 높고 소비전력이 많아 배터리 소모가 많다.

– cmos는 노이즈가 많이 개선되었으며, 가격이 싸고 소비전력이 낮으며, 곧 full size(35mm) 양산이 가능한 제조 공정을 가지는 소자다.


 


출처 : http://blog.paran.com/annapurna8091/13362830

Dr.kchris

Hello, I'm Dr.kchris, a neuroscience researcher. I love studying and trying new things and also love challenging myself. Have a great day! :)

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.