NEWS 1999년 11월

CMOS 센서 "화려한 부활"

최근 일본을 중심으로 카메라 기능을 장착한 새로운 휴대폰 단말기가 등장하고 있다. 스피커까지 내장해 손에 쥐고 화면을 통해 상대방 얼굴을 보면서 대화를 나눌 수 있는 단말기다.

그러나 전지 수명이 걸림돌이 되고 있다. 디지털 카메라의 고체촬상소자(CCD)를 사용할 경우 휴대폰처럼 축전 양이 적은 전지를 사용한 단말기의 전지 수명은 30분을 넘지 못하기 때문이다. 전지 수명을 무리하게 늘리면 전지 크기는 기존의 3∼4배로 늘어나게 된다. 이런 전지 수명 문제의 해결을 겨냥, 일본의 관련 제조업체들은 「상보성금속산화막반도체(CMOS)」라는 영상센서를 주목하고 있다.

사실 CMOS센서는 이전부터 CCD센서에 비해 소비전력량이 훨씬 적고 소형화도 가능한 영상센서로 평가돼 왔다. 지난 80년대 말 히타치제작소 등 일부 업체에서 제품화한 적도 있지만, 영상센서의 주무대인 캠코더용 시장에서 CCD센서에 밀려 자취를 감췄다.

그러던 CMOS센서가 최근 들어 다시 업계의 관심을 끌면서 CCD센서의 경쟁 상대로 부활하고 있는 것이다.

두 센서는 구조에서부터 큰 차이를 보인다. CCD센서에서는 영상의 구성 입자인 「화소(畵素)」가 빛을 받아 특수 반도체에 의해 전자의 흐름(전하)으로 바뀐다. 이어 CCD 반도체가 이 전하를 「변조기(變調器)」로 보내 일반 전기신호로 바꾼다. 이 신호가 전기회로에서 해독돼 영상이 합성된다.

이와 달리 CMOS센서에서는 전하를 전기신호로 바꾸는 변조기가 모든 화소 각각에 부착된다. 이 때문에 필요 부분의 데이터만을 읽어낼 수 있고 CCD에 비해 해독 속도가 빨라지게 된다.

또 CCD센서에서는 전하를 보낼 때 일반 반도체에서는 사용하지 않는 여러 가지 특수 전압의 전력을 필요로 하지만 CMOS센서는 이것이 필요 없다. 사용하는 전압이 1종류만 있으면 되는 셈이다.

단일 전압으로 작동하는 CMOS센서는 따라서 CCD에 비해 소비전력을 낮출 수 있다. 또한 다양한 전압을 제어하는 IC도 필요 없기 때문에 시스템 전체를 소형화할 수 있는 이점도 있다.

이 밖에 CMOS센서의 장점으로 특히 주목되는 점은 소형화와 관련해 「주변회로와의 원칩화」 가능성이다.

CCD센서는 특수 고전압을 필요로 하기 때문에 촬영한 영상의 처리 기능을 맡고 있는 주변 칩과 같은 실리콘 웨이퍼 상에 부착할 수 없다.

반면 일반 반도체와 같은 수준의 전압만 사용하는 CMOS센서는 주변의 신호처리회로와 함께 한 장의 실리콘 웨이퍼 상에 놓을 수 있다.

예를 들면, CMOS센서로 촬영한 영상데이터를 디지털신호로 변환하는 회로, 데이터를 넣어두는 메모리, 데이터의 출력이나 기기 전체를 제어하는 초소형 연산처리장치 등을 모두 한 개의 칩으로 집약할 수 있다. 　이를 통해 칩의 소형화와 코스트 다운을 동시에 달성할 수 있는 것이다.

그러나 실제 CMOS센서는 아직 제조단계의 저조한 수율 문제로 대부분의 제조업체가 다른 기능의 회로를 한 개의 칩에 집약하지 못하고 있는 실정인데, 제조기술만 따라주면 원칩화 가능성은 매우 높다.

이와 관련, 33만 화소의 3분의 1인치형 CMOS센서를 생산중인 도시바는 내년 봄 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 회로를 원칩화할 계획이다. 물론 CCD센서에 뒤지는 점은 있다. 대표적인 것이 화질의 균질성(均質性). CMOS센서는 화소마다에 변조기를 부착하기 때문에 실리콘 웨이퍼 부착이 균등하지 않을 경우 촬영한 영상에 얼룩이 생긴다.

이는 특히 고화질을 요하는 용도에서는 CCD센서에 열세를 보일 수밖에 없는 치명적인 결점이다.  다행히도 이 문제는 빠른 속도로 개선되고 있다. 이와 관련, 올림퍼스광학공업은 감광부(感光部)의 반도체에 「포토게이트」라는 독자 방식을 이용해 CMOS센서의 화질을 향상시키고 있다.

이 방식은 하나의 화소에 한 개의 반도체 소자만 사용하기 때문에 일반적인 다른 CMOS센서보다 화소를 미세하게 할 수 있는 이점이 있다.  이 기술로 평방인치당 420만 화소의 CMOS센서를 개발했고, 이 CMOS센서 3개로 세계 최고 화소수를 실현한 1260만 화소 디지털 카메라도 개발했다. 고화질 CMSO센서는 캐논에서도 개발중이다.

아직 영상 센서에서, 특히 100만 화소 이상의 고화질 분야에서 CCD센서의 위상이 흔들리지는 않고 있으나 CMOS는 저소비전력과 소형화, 저가 등에 이어 고화질까지 갖춰 주력 영상센서로 급부상할 것으로 전망된다. 업계에서는 CMOS센서가 오는 2001년에는 CCD센서를 능가하고 2005년에는 세계 시장규모가 280억엔에 이를 것으로 내다보고 있다.