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[온세미컨덕터] 전자 기기의 눈: 이미지 센서
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2017.06.14  10:17:41
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By 온세미컨덕터 (www.onsemi.com)

전자 제품의 눈이라고 할 수 있는 이미지 센서는 다양한 응용 환경에서 머신 비전에 영상 기능을 제공한다. 이미지 센서는 새삼스럽게 새로운 소자가 아니지만 그래도 관련 기술들이 여전히 발전되고 있으며 성능의 향상 또한 더 높은 해상도, 이미지 품질 향상, 전력 소모 저하를 가져오게 되었다. 이 기사에서는 이미지 센서의 최근 발달 동향에 대해 소개한다.

젤로 현상 (Jello effect)을 방지하는 글로벌 셔터

이미지 센서 기술은 오랜 세월에 걸쳐 발달되어 왔다. 이러한 발달은 초창기에는 주로 여러 종류의 비디오 카메라에 응용되는 CCD 기술에 집중되었다. 그러나 기기의 디지털화 추세와 더불어 휴대용 기기가 점점 더 사용 시간에 초점을 맞춤에 따라 전력 소모 저하와 손쉬운 집적 등을 특징으로 한 CMOS 기술이 점차 주류로 등장하는 추세이며 이에 따라 디지털 카메라, 비디오 카메라, 휴대폰 등 전자 제품에도 더욱 다양하게 채택되게 되었다.

이 두 가지 이미지 전송 기술의 이미지 품질에는 각기 그 장단점이 있다. 그러나 동일한 조건에서의 CCD 센서와 비교했을 때 CMOS는 더 적은 수의 부품이 필요하기 때문에 데이터 처리량이 높으면서도 전력 소모가 낮다. 디지털 카메라의 CMOS 센서는 메인 보드 회로에 직접 조립할 수 있으나 신호 전송 거리는 CCD보다 짧다. 따라서 RC 지연과 표유(stray) 지연 현상 등이 줄어들 수 있다. 더 나아가 최근 업계에서 CMOS 기술이 우위를 차지하는 데에는 낮은 제조원가도 한몫 하였다.

과거에는 CMOS 센서의 경우 롤링 셔터를 채택하면 빠른 속도로 움직이는 물체를 촬영할 때 원치 않는 젤로 현상이 발생하였다. 이러한 현상은 CMOS 센서가 광전자 신호를 녹화할 때 커튼을 내리는 것과 같이 왼쪽에서 오른쪽으로 그리고 위에서 아래로 '점 대 점' (지점간)이미지 녹화 방식을 사용해 점진적으로 스캐닝을 해야 하므로 어쩔 수 없이 발생한 현상이었다. 따라서 첫 줄에서 마지막 줄까지 신호를 판독할 때 필연적으로 시차가 존재하게 될 수밖에 없었다. 빠른 속도로 움직이는 장면을 촬영할 때 시차 때문에 이미지는 기울어지고 변형되므로 결국 우리가 잘 아는 젤로 현상이 발생하게 되었다.

그렇다면 이러한 젤로 현상을 어떻게 해결해야 했을까? 지점간 방식이 아닌 '라인 투 라인' (라인간) 방식으로 데이터를 녹화하면 이 현상을 없앨 수 있었으나 이 방법은 고속, 고효율, 저출력의 CMOS 성능에 영향을 미칠 수밖에 없었다. 그런데 프로세서와 메모리 기술의 향상으로 이 둘을 집적이 가능함에 따라 글로벌 셔터가 탄생하게 되었다.

이 단락에서는 오큘러스 시프트 VR 장비용으로 사용되는 온세미컨덕터의 AR0134 이미지 센서를 예로 들어 보겠다. 글로벌 셔터에 채택되는 이 산업 등급의 1/3인치 MP 센서는 바코드 스캐닝, 3D 스캐닝, 위치 추적, 가상 현실(VR), 증강 현실(AR), 생체 인식 및 머신 비젼 등 응용 환경에 사용된다.

3.75µm의 픽셀 크기와 최대 1.2Mp(1280x960)의 해상도를 갖는 이 소자는 월등한 저조도 성능, 선형 캡쳐 기술을 제공할 수 있으며 HD 비디오 출력(720p 60fps), 비디오/싱글 프레임 모델, 플렉시블 로우 스킵(flexible row-skip) 모드, 병렬 및 직렬 출력을 지원할 뿐 아니라 자동 노출 제어, 자동 블랙 레벨 보정 및 통계 엔진도 갖추고 있다.

이 3세대 글로벌 셔터 기술은 글로벌 셔터 픽셀에 최고의 성능, 초당 최대 6.1V/lux의 응답도, 최대 해상도에서 최대 45fps의 프레임 속도 등을 제공한다. 또 720p 60fps 비디오 응용 환경을 지원하며 외부 LED 또는 플래시와 함께 작동한다. 한편 컨텍스트 스위칭은 촬영 요구 사항이 서로 상이한 응용 환경을 지원하며 단일 소스 만으로도 효과적인 작동이 가능하다.

온세미컨덕터는 픽셀 성능의 향상을 중시하는 데에 초점을 맞추어 월등한 이미지 품질과 센서 성능을 위한 기반을 마련하고 있다. AR0134 센서는 온세미컨덕터의 고성능 글로벌 셔터 캡쳐 기술을 적용해 1/3인치 광학 포맷의 HD 소자에 고속으로 움직이는 이미지를 집적시킨다. 3.75µm 글로벌 셔터 픽셀의 월등한 저조도 성능은 움직임을 캡쳐하면서도 주로 롤링 셔터 픽셀 사용 시 발생하는 젤로 효과를 방지할 수 있다.

VR 및 AR 응용 분야는 최근에 이미지 센서의 시장 개척을 가속화시키고 원동력으로 여겨진다. 기술적 진보는 이미지 센서의 촬영 품질, 전력 소모 및 성능을 향상시켜 보다 선명하고 광범위하게 응용되는 각종 기기의 눈 역할을 성공적으로 수행해 관련 시장의 급속한 성장에 기여하고 있다.

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