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브런치북 이미지센서와 소재기술 02화

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by 머티 Feb 22. 2023

(1) 보이는 것을 담아내는 원리

"이미지센서와 소재기술" 포스팅 시리즈

이미지센서, 눈을 대신하다.

이미지센서의 여러가지 용도 중, 가장 익숙한 용도는 사진 촬영일 것 입니다. 우리가 사용하는 휴대폰에도 새끼손톱보다도 작은 이미지센서 반도체, CIS(CMOS Image Sensor)라고 하는 부품이 들어가있고, DSLR이나 차량용 블랙박스 등에도 마찬가지로 이미지센서가 들어가 있습니다.

CIS 에서 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)는 회로 종류의 하나로, Complementary는 상호보완한다는 뜻으로 NMOS와 PMOS 트랜지스터가 하나의 회로 안에서 연결되어있기 때문에 이런 이름이 붙여졌습니다.

CMOS 회로를 사용하게 되면 저전력 구동이 가능해지고, 집적도를 높일 수 있어 특히 모바일 기기에서 넓게 사용되고 있습니다. (더 깊은 내용의 설명은 구글에게 맡깁니다.)

이미지센서는 우리가 눈으로 바라보는 세상을 Data로 담아냅니다. 그리고 우리가 무엇인가를 바라보는 것에 있어서 가장 큰 요소는 바로 색(Color) 이겠죠. 또 다른 중요한 요소를 떠올린다면 가깝고 먼 것을 느끼는 원근감 또한 아주 큰 역할을 하고 있습니다. 그럼 먼저 색에 대해서 먼저 얘기해보려고 합니다.

https://medium.com/

Color, 빛과 물질의 상호작용 결과물

빛이 어떤 물체를 만나면 세 가지 경우의 수가 발생합니다. 반사를 하거나, 투과(통과)하거나, 또는 흡수되게 됩니다.

여기서 우리가 유리 너머로 풍경을 볼 수 있는 것은 가시광선을 유리가 흡수하지 않고 투과하기 때문이고, 우리가 사과를 빨간색으로 보는 것은 사과가 흡수하고 남은 반사되는 빛이 빨간색에 해당하는 파장을 가지기 때문입니다.

이미지센서도 결국은 이 투과/흡수/반사 현상을 이용해서 색 정보를 수집합니다.

빛은 반사/흡수/투과됩니다. <이미지제공: https://maggiesscienceconnection.weebly.com/>

먼저 눈의 색 인지를 살펴보면, 빛이 홍채(Iris) 사이로 열린 동공(Pupil)을 지나서 망막(Retina)에 도달하면, 이 망막에 분포하고 있는 시각 세포들이 그 빛의 정보를 해석해냅니다.

눈여겨봐야할 부분은, 아래 그림을 자세히 보시면 색깔별로 담당하는 각각의 세포들이 있다는 것 입니다. 이 세포들은 저마다 받아들이는 파장의 영역이 다르고, 들어오는 빛에 따라 어느 세포가 어떻게 반응하는지가 시신경을 통해 뇌로 전달되어 색을 인지하게 되는 것입니다.

망막은 서로 다른 빛을 담당하는 원뿔세포가 분포해있습니다. <이미지제공: https://medium>

즉, 아주 미시적인 세계에서는 색의 정보는 분리되어 인지되고, 이 정보들이 뇌에서 다시 엮어져 우리가 보는 세상, 하나의 이미지가 된다는 것입니다. 어찌보면 당연하고도 간단한 사실이지만, 이미지센서의 기본 원리가 되는 부분입니다.

각 원뿔세포별 흡수 파장이 다릅니다. <이미지제공: Wikipedia>

이미지센서, RGB Pixel 분리해서 담는다

이제 이미지센서로 넘어오겠습니다. 물리적인 구조는 다르지만, 사람의 망막을 그대로 재현한 Pixel 구조가 있습니다.

<자료제공 : SK Hynix>

이 픽셀은 Color Filter (또는 Color PR, Color-Photoresist)라고 하는 색을 분별해낼 수 있는 유기 복합 소재로 채워져있습니다. 이 Color Filter는 위에서 살펴본 망막의 원뿔세포와 같이, 각 픽셀마다 담당하는 파장대의 영역이 다릅니다.

그리고, 각각의 Color Filter는 우리 눈의 각막과 같이 빛을 하나의 초점으로 모아주는 Microlens 구조를 가장 위에 두고 있으며, 패키징 공정을 통해 모듈 Lens (대물Lens)까지 올려져 빛을 최대한 효율적으로 사용하고 있습니다.

그림에서 보시는 하나의 픽셀 크기가 보통은 2um 이하, 작게는 0.64um(삼성전자 ISOCELL JN1)까지 형성됩니다. 그리고, 우리가 4800만, 2억화소라고 부르는 것들은 이 픽셀의 총 개수를 얘기합니다.

이상으로, 눈과 이미지센서를 비교해보았습니다. 다음 포스팅에서는 모바일용 이미지센서는 무엇이 다를까?에 대해서 조금 더 얘기하고, 소재 이야기로 넘어갈 수 있도록 하겠습니다.

(1) 보이는 것을 담아내기 위한 가장 기본 원리

(2) 모바일용 이미지 센서 : 화소와 SNR의 싸움 (다음 포스팅)

(3) SNR 과 이미지센서 구조/공정

(4) Color Filter 공정과 소재 구성

(5) Color PR 요구특성

(6) RGB 이외의 Color PR

(7) Microlens 공정

(8) 그 외의 이미지센서용 소재

(9) 이미지센서 소재의 주요 공급사