(3) 픽셀과 SNR의 관계

"이미지센서와 소재기술" 포스팅 시리즈

화소와 SNR

지금까지의 내용을 복습해보면, 휴대폰 속 카메라에게 주어진 공간은 매우 적고, 사용자의 요구 수준은 높아졌습니다. 특히 고화소의 방향으로요. 그렇다면, 화소를 무조건 작게 만들면 될까요? 화소를 작게 하는 것은 무엇이 어려울까요?

이미지센서에서는 Crosstalk 라는 원하지 않는 현상이 발생하게 됩니다.  위 그림을 보면, 우리는 빛을 RGB로 나눠 받을 픽셀들을 구현해놓았습니다. 그렇다면 Green Pixel은 온전히 초록색만 받아들여야하는데 여러가지의 이유로 꼭 그렇게 되지는 않습니다.

픽셀 간의 간섭현상으로, 픽셀이 Ideal 한 Color Filter 역할을 하지 못하는 현상이 바로 Crosstalk 입니다. Crosstalk은 크게 3가지 Mode가 있습니다.

https://www.researchgate.net/publication/315791922_Self-calibration_for_lensless_color_microscopy

(a) Spectral Crosstalk

Color Filter 라고 하는 유기 복합재료는 개념적으로는 완전히 특정한 Color만 분별해내야합니다. 그렇지만, 물성의 한계로 완전한 분별력을 가지는 Spectrum을 가지는 물질은 아직까지 없습니다.

(b) Optical Crosstalk

모든 빛이 수직으로 입사하는 것이 아니기 때문에, 광 경로에 의해서 인접 픽셀로 Signal이 전달됩니다.

(c) Electronic Crosstalk

각 픽셀은 절연물질로 분리되어있지만, Leakage가 Zero가 되기는 어렵습니다. 상단의 Color Filter 모듈에서 잘 걸러진 빛이 광전효과를 통해 Electron으로 전환되었을때에도 Crosstalk이 발생하게 됩니다.

이 세 종류의 Crosstalk은 픽셀이 작아질수록 더욱 증폭되어서, SNR(Signal-Noise Ratio)이 높아져 선명한 이미지를 얻을 수 없게 됩니다. 여기에 픽셀이 작아지면서 Effective Photo Diode Area 또한 감소하기 때문에 Signal 은 더욱 불리해지며, 특히 어두운 장면(저조도) 에서는 기술적인 장벽이 매우 높아집니다.

이런 불리함을 해소하고자, 업계에서는 다양한 시도들이 이루어지고 있고 그 중 하나는 Remosaic 입니다. Signal이 낮은 환경, 즉 저조도에서는 4, 9, 16개(정사각형) 픽셀의 신호를 하나로 Merge하여 선명한 사진을 얻어내는 방식입니다.

빛이 풍부한 낮에는 1억 화소였다면, 야간 촬영시에는 2500만 화소로 자동 조정이 되면서 낮에 찍은 것처럼 환한 이미지를 얻어내는 기술이지요.

한정된 칩 사이즈에서의 픽셀미세화

종합해보면, 모바일 어플리케이션에서 카메라 모듈, 즉 이미지센서에 허락된 면적은 한정되어 있고, 그 한정된 면적 안에서 최대한의 해상도를 얻기 위해서는 당연히 픽셀이 작아져야 합니다. 그러나, 기본적으로 전자기파(빛 또는 전기)를 이용하기 때문에 픽셀이 작아질수록 Noise가 증가하게 됩니다. 이러한 배경으로 이미지센서의 고화소 트렌드에서는, SNR과의 치열한 싸움이 펼쳐지고 있습니다.

다음 포스팅에서는, 이러한 기술적 장벽을 이겨내기 위해 Device 구조와 공정은 어떻게 변화해왔는지 얘기해보겠습니다.