CIS(CMOS 이미지 센서) 작동 원리와 3단 DRAM 적층 센서 기술

스마트폰과 자율주행의 눈이 되는 CMOS 이미지 센서(CIS)의 작동 원리를 알려드리겠습니다. 빛을 전하로 바꾸는 포토다이오드 광전효과부터 젤로 왜곡을 잡고 960fps 초고속 촬영을 실현한 3단 DRAM 적층 기술을 확인해 보세요.

빛을 디지털 신호로 변환하는 포토다이오드의 광전효과

스마트폰 후면을 채운 카메라 렌즈 안쪽 깊숙한 곳에는 사람의 눈망울 속 망막처럼 외부 세계의 빛을 받아들여 선명한 디지털 이미지로 번역해 주는 엄지손톱만 한 반도체 칩이 숨어 있습니다. 이 칩을 전자 공학에서는 상보성 금속 산화물 반도체 이미지 센서, 줄여서 시아이에스(CIS, CMOS Image Sensor)라고 부릅니다. 과거 디지털카메라 시장을 지배하던 전하결합소자(CCD) 센서는 화질이 뛰어났지만 전력을 지나치게 많이 소모하고 회로를 소형화하기 어려워 얇은 스마트폰 안에 넣기에는 치명적인 약점을 안고 있었습니다. 반면에 CIS는 일반 컴퓨터 메모리 칩을 만드는 표준 반도체 미세 공정을 그대로 활용할 수 있어 대량 생산이 쉽고, 전력 소모를 수십 분의 1 수준으로 줄일 수 있어 오늘날 모바일 카메라와 자율주행차, 의료용 내시경의 절대적인 표준 눈으로 확고히 자리 잡았습니다.

빛을 디지털 신호로 변환하는 포토다이오드의 광전효과

CIS가 빛을 디지털 데이터로 바꾸어내는 마법의 출발점은 바로 아인슈타인에게 노벨 물리학상을 안겨주었던 광전효과(Photoelectric Effect) 원리입니다. 빛은 파동이면서 동시에 에너지를 품고 날아가는 알갱이인 광자들의 흐름입니다. CIS 칩 표면에는 수천만 개에서 2억 개에 달하는 초미세 단위 방인 픽셀(Pixel)들이 바둑판 격자망 형태로 빼곡하게 깔려 있으며, 각 픽셀의 심장부에는 실리콘 반도체로 만든 포토다이오드(Photodiode)가 자리 잡고 있습니다. 카메라 렌즈를 뚫고 들어온 햇빛 알갱이들이 실리콘 결정 표면에 쾅 부딪히는 순간, 빛이 가지고 있던 에너지가 실리콘 원자 격자 속의 전자에 전달되면서 묶여 있던 전자가 밖으로 튕겨 나오는 전자 양공 쌍 분리 현상이 일어납니다. 어두운 곳에서는 전자가 거의 튀어나오지 않고, 대낮처럼 밝은 곳에서는 폭포수처럼 무수히 많은 전자가 쏟아져 나옵니다. 즉 빛의 밝기라는 아날로그 물리량이 순수한 전자의 개수, 즉 음전하의 양으로 1대 1 완벽하게 치환되는 것입니다. 이렇게 포토다이오드 안에 모인 미세한 전하들을 한 방울도 흘리지 않고 깨끗한 전압 신호로 뽑아내기 위해, 현대의 고성능 CIS는 픽셀 하나당 4개의 초소형 트랜지스터 스위치를 정밀하게 배치한 4-트랜지스터(4T) 픽셀 구조를 표준으로 사용합니다. 이 4개의 스위치들은 찰나의 순간 동안 다음과 같은 순차적 협업을 펼칩니다. 첫 번째 단계는 플로팅 디퓨전 초기화(Reset)입니다. 전자를 담아 전압으로 측정하는 작은 임시 물통인 플로팅 디퓨전(FD) 노드에 남아 있던 찌꺼기 전하를 리셋 트랜지스터(Rx)를 열어 전원선 쪽으로 깨끗하게 쓸어내어 비워둡니다. 이때 비어 있는 상태의 기준 전압을 먼저 정확하게 측정하여 기록해 둡니다. 두 번째 단계는 전송 트랜지스터(Tx) 개방과 전하 전송입니다. 포토다이오드가 셔터 시간 동안 빛을 받아 모아둔 전자들을 전송 트랜지스터 문을 활짝 열어 깨끗하게 비워진 플로팅 디퓨전 물통 안으로 단숨에 쏟아붓습니다. 전송 게이트가 닫히면 전자가 물통 안에 얌전하게 갇히게 됩니다. 세 번째 단계는 신호 증폭과 변환(Drive & Select)입니다. 플로팅 디퓨전에 전자가 채워지면 전하의 양에 비례하여 물통의 전위가 아래로 뚝 떨어집니다. 이 미세한 전압 변화를 증폭 트랜지스터(Dx)가 전달받아 강력하고 뚜렷한 전기 신호로 뻥튀기해 줍니다. 그리고 선택 트랜지스터(Sx)가 열리면서 이 신호를 세로 방향으로 길게 늘어선 수직 출력 라인으로 시원하게 뿜어내어 픽셀 바깥으로 밀어냅니다. 픽셀 밖으로 쏟아져 나온 아날로그 전압 신호는 칩 하단에 위치한 아날로그-디지털 변환기(ADC)로 직행합니다. 변환기는 픽셀이 비어 있을 때 측정해 둔 기준 전압과 전자가 들어왔을 때 측정된 전압의 차이만을 뺄셈하여 순수 신호만을 골라내는 상관 이중 샘플링(CDS) 처리를 거친 뒤, 아날로그 신호를 0과 1로 이루어진 깨끗한 디지털 숫자로 변환합니다. 여기에 픽셀 위에 얹혀 있던 빨강, 초록, 파랑의 컬러필터 정보가 더해지고 이미지 신호 프로세서(ISP)의 보정 과정을 거치면, 마침내 수천만 개의 픽셀 데이터가 하나로 융합된 선명하고 화사한 한 장의 디지털 사진이 완성됩니다.

롤링 셔터 왜곡(Jello Effect) 한계를 극복한 3단 적층형 이미지 센서

포토다이오드와 4T 픽셀 기술을 바탕으로 CIS는 스마트폰 카메라의 화질을 비약적으로 끌어올렸지만, 동영상 촬영과 고속 움직임 포착 영역에서는 근본적인 구조적 한계선에 부딪히게 되었습니다. 그 원인은 CIS가 이미지를 읽어내는 고유한 방식인 롤링 셔터(Rolling Shutter) 방식 때문이었습니다. 수천만 개의 픽셀이 모여 있는 거대한 센서 화면에서, 전통적인 2단 적층 센서는 픽셀 층 바로 밑에 붙어 있는 연산 로직 회로가 첫 번째 줄의 픽셀 데이터를 읽고 변환한 뒤, 두 번째 줄, 세 번째 줄로 내려가며 맨 꼭대기 줄부터 맨 바닥 줄까지 블라인드를 내리듯 한 줄씩 차례대로 순차 스캔하여 읽어냅니다.

롤링 셔터 왜곡(Jello Effect) 한계를 극복한 3단 적층형 이미지 센서

정지해 있는 풍경을 찍을 때는 이 순차 스캔 방식이 아무런 문제를 일으키지 않습니다. 하지만 고속으로 달리는 자동차 창밖을 촬영하거나 빠르게 날아가는 골프채, 헬리콥터 프로펠러 날개를 촬영할 때는 치명적인 영상 결함이 발생합니다. 센서가 맨 윗줄의 픽셀을 읽고 있는 순간의 물체 위치와, 맨 아랫줄의 픽셀을 읽는 수십 밀리초 뒤의 물체 위치가 크게 달라져 버리기 때문입니다.그 결과 곧게  서 있어야 할 전신주나 건물이 피사의 사탑처럼 옆으로 비스듬히 기울어져 찍히거나, 회전하는 프로펠러 날개가 기괴하게 휘어져 구체 관절 인형처럼 흐물거리는 젤로 현상(Jello Effect) 또는 롤링 셔터 왜곡이 심각하게 발생했습니다. 스마트폰으로 전문가용 슬로우 모션 영상을 촬영하려 해도 센서에서 데이터를 읽어내는 속도가 너무 느려서 1초에 960프레임에 달하는 초고속 촬영을 구현하는 것은 기술적으로 불가능에 가까웠습니다. 이 롤링 셔터의 시간차 왜곡을 완벽히 박살 내고 카메라 성능을 혁명적으로 도약시킨 최첨단 반도체 패키징 기술이 바로 3단 DRAM 적층 이미지 센서(3-Layer Stacked CIS) 기술입니다. 이 기술의 핵심 아이디어는 빛을 받는 픽셀 층과 연산을 처리하는 로직 층 사이에, 컴퓨터의 초고속 주기억장치 역할을 하는 동적 메모리(DRAM) 칩을 샌드위치처럼 물리적으로 끼워 넣어 하나로 합체시킨 것입니다. 3단 적층 센서의 놀라운 제조 공정을 살펴보면 최첨단 3차원 반도체 공학이 집약되어 있습니다. 맨 위 1층에는 오직 빛만을 순수하게 받아들이는 고감도 픽셀 어레이 층을 배치합니다. 맨 아래 3층에는 노이즈를 지우고 이미지를 디지털로 변환하는 복잡한 로직 회로 층이 위치합니다. 그리고 그 한가운데 2층에 수 기가비트 용량의 초고속 DRAM 메모리 층을 통째로 삽입합니다. 이 세 개의 실리콘 층은 두꺼운 전선으로 연결되는 것이 아니라, 실리콘 몸체를 수직으로 직접 관통하는 수만 개의 미세 구리 기둥인 실리콘 관통 전극(TSV)과 구리와 구리를 원자 단위로 직접 맞붙이는 하이브리드 본딩 공정을 통해 위아래로 한 치의 오차도 없이 직결됩니다. 이 3단 샌드위치 구조가 가져다주는 가장 위대한 공학적 혁신은 데이터의 초광대역 임시 고속 저장(Buffering) 능력입니다. 셔터가 열리는 순간, 맨 위층 수천만 개의 픽셀들이 만들어낸 방대한 양의 전자 신호들은 아래층 로직 회로가 한 줄씩 천천히 처리하기를 기다리지 않습니다. 대신 바로 밑에 붙어 있는 2층 DRAM 메모리의 거대한 수평 수직 데이터 도로망을 타고, 1초에 수십 기가바이트가 넘는 상상을 초월하는 속도로 DRAM 내부 메모리 방들 속으로 한꺼번에 번개처럼 쏟아져 들어가 임시 저장됩니다. 맨 윗줄부터 맨 아랫줄까지 센서 전체의 화면 데이터를 읽어 들이는 데 걸리는 판독 시간이 기존의 30분의 1 수준인 불과 수 밀리초 이내로 극단적으로 단축되는 것입니다. 센서 전체 화면의 데이터를 거의 동일한 찰나의 순간에 단번에 읽어내어 DRAM에 보관해 두기 때문에, 고속으로 달리는 열차나 회전하는 선풍기 날개를 찍더라도 피사체가 휘어지거나 찌그러지는 롤링 셔터 젤로 현상이 기적처럼 사라집니다. 모든 픽셀이 동시에 빛을 받아들이는 고가의 방송용 글로벌 셔터 카메라에 필적하는 완벽한 왜곡 없는 동적 영상을 스마트폰의 작은 렌즈 안에서 온전히 구현해 낸 것입니다. 또한 이 폭발적인 판독 속도 덕분에 1초를 무려 960개의 미세한 조각으로 쪼개어 기록하는 초당 960프레임(960fps) 슈퍼 슬로우 모션 영상 촬영이 실현되었습니다. 눈 깜짝할 사이에 쏟아져 나오는 960장의 방대한 초고화질 사진 데이터들을 초고속 DRAM에 순식간에 임시로 쓸어 담아둔 뒤, 촬영이 끝나면 DRAM에 저장된 데이터를 아래층 로직 칩과 스마트폰 메인 프로세서(AP)로 천천히 내려보내어 처리하게 만드는 완벽한 완충 작용을 수행하기 때문입니다. 최근에는 이 DRAM 적층 구조가 스마트폰을 넘어 자율주행 자동차의 전방 카메라와 산업용 로봇 비전 센서에 광범위하게 탑재되어, 어두운 터널을 고속으로 빠져나오는 순간이나 시속 100킬로미터 이상의 급박한 주행 상황에서도 단 1밀리초의 왜곡이나 모션 블러 없이 보행자와 표지판을 칼같이 정확하게 인식해 내는 핵심적인 인공지능 시각 안전망 역할을 완벽하게 수행하고 있습니다.