CMOS 이미지 센서 구조, 빛이 디지털 신호가 되는 과정

인기 있는 관광 명소의 입구에 구역별 개찰구가 있고, 안내소 직원이 구역을 한 곳씩 돌며 들어온 방문객 수를 세어 본부에 보고한다고 해 봅시다. 개찰구는 방문객을 받고, 직원은 숫자를 읽고, 본부는 그 숫자로 혼잡도 지도를 그립니다.

이 흐름은 카메라 센서와 꼭 닮았습니다. 이 글에서 다룰 CMOS 이미지 센서(CIS, CMOS Image Sensor)는 픽셀마다 빛의 양을 전하로 모아 두었다가 한 줄씩 읽어 디지털 값으로 바꾸는 반도체입니다.

비유와 다른 점이 있습니다. 센서가 세는 것은 사람이 아니라 빛 알갱이인 광자이고, 개수를 하나씩 세는 대신 노출 시간 동안 모인 전하의 총량을 한꺼번에 읽습니다. 또 모든 구역을 동시에 세지 못하고 차례로 읽기 때문에 그 흔적이 사진에 남기도 합니다.

빛을 전하로 바꾸는 포토다이오드

이미지 센서의 가장 작은 단위인 픽셀 안에는 포토다이오드(Photodiode)가 있습니다. 실리콘이 빛을 받아 광자를 흡수하면 전자와 정공 쌍이 만들어지는데, 포토다이오드는 이 중 전자를 PN 접합 근처의 공핍 영역에 모아 둡니다.

노출 시간 동안 들어온 빛이 많을수록 모이는 전자도 많아지므로, 모인 전하의 양이 곧 그 픽셀의 밝기 정보입니다. 이렇게 일정 시간 쌓아서 읽는 방식 덕분에, 약한 빛에서는 노출을 늘려 신호를 키울 수 있습니다.

이 센서에 CMOS라는 이름이 붙은 까닭은 일반 로직 반도체와 같은 CMOS 공정 계열로 만들 수 있기 때문입니다. 그래서 픽셀 옆에 증폭기와 ADC, 타이밍 회로까지 같은 칩에 함께 넣을 수 있습니다. 과거의 CCD 센서가 전하를 칩 가장자리까지 옮겨 읽는 방식이었던 것과 가장 크게 갈리는 부분입니다.

CMOS 이미지 센서 픽셀의 층, 마이크로렌즈와 컬러 필터

픽셀 맨 위에는 빛을 모아 주는 마이크로렌즈(Microlens)가 있습니다. 포토다이오드는 픽셀 면적 전체가 아니라 일부만 차지하기 때문에, 렌즈가 빛을 그쪽으로 모아 줘야 받는 빛이 늘어납니다.

그 아래에는 컬러 필터(Color Filter)가 놓입니다. 포토다이오드는 빛의 세기만 알 뿐 색을 구분하지 못하므로, 픽셀마다 빨강, 초록, 파랑 중 한 색만 통과시키는 필터를 얹어 줍니다.

이 필터를 배열하는 대표적인 방식이 베이어 배열(Bayer Pattern)입니다. 2×2 블록 안에 초록 2개, 빨강 1개, 파랑 1개를 두는데, 사람의 눈이 초록 계열의 밝기에 민감해서 초록을 더 많이 둔다고 설명합니다.

그래서 한 픽셀은 세 가지 색 중 하나만 알고 있습니다. 나머지 두 색은 이웃 픽셀의 값으로 추정해 채우는데, 이 단계를 디모자이크라고 하며 스마트폰에서는 AP 안의 이미지 신호 프로세서(ISP)가 맡는 경우가 많습니다.

픽셀 트랜지스터 3T와 4T, 전하를 전압으로 읽는 방법

포토다이오드에 모인 전하를 읽으려면 전압으로 바꿔 열 방향 배선으로 내보내야 합니다. 가장 기본적인 구조는 트랜지스터 세 개를 쓰는 3T 픽셀입니다. 리셋 트랜지스터가 읽기 노드를 초기화하고, 소스 팔로워 트랜지스터가 전압을 버퍼링하며, 선택 트랜지스터가 읽힐 차례일 때만 출력을 열 배선에 연결합니다.

오늘날 널리 쓰이는 4T 픽셀은 여기에 전송 게이트 트랜지스터를 더합니다. 포토다이오드와 읽기 노드(플로팅 디퓨전)를 분리해서, 전하를 옮기기 전에 리셋 값을 먼저 읽을 수 있게 만든 구조입니다.

4T 구조는 읽기 노드의 잡음을 줄여 주는 대신 픽셀 안의 트랜지스터와 배선이 늘어납니다. 픽셀이 작아질수록 포토다이오드가 차지할 면적이 줄어들기 때문에, 이웃한 여러 포토다이오드가 읽기 회로를 나눠 쓰는 공유 구조 같은 해법이 함께 쓰입니다.

컬럼 ADC와 롤링 셔터, 한 줄씩 읽는 구조

픽셀 배열에서 한 행을 선택하면 그 행의 모든 픽셀 출력이 열 배선으로 동시에 나옵니다. 열마다 아래쪽에 ADC(Analog-to-Digital Converter)를 하나씩 두는 컬럼 병렬 방식이 널리 쓰이며, 이렇게 하면 한 행의 값을 한꺼번에 디지털로 바꿀 수 있습니다.

한 행의 변환이 끝나면 다음 행으로 넘어갑니다. 이처럼 행마다 노출과 읽기 시점이 한 줄씩 어긋나는 방식이 롤링 셔터(Rolling Shutter)입니다.

모든 픽셀을 동시에 노출하는 글로벌 셔터는 이런 왜곡이 없습니다. 대신 픽셀마다 전하를 잠시 보관할 저장 노드가 필요해서 면적과 잡음 면에서 부담이 큽니다. 그래서 용도에 따라 롤링과 글로벌 중 하나를 고르게 됩니다.

전면조사와 후면조사, 빛이 지나는 길을 비우는 방법

초기 구조인 전면조사(FSI, Front-Side Illumination)에서는 빛이 금속 배선층이 있는 앞면으로 들어옵니다. 포토다이오드 위에 배선이 층층이 쌓여 있어서 빛이 배선 사이의 좁은 틈을 지나야 하고, 일부는 가려지거나 반사됩니다. 픽셀이 작아질수록 이 손실이 커집니다.

후면조사(BSI, Back-Side Illumination)는 웨이퍼를 뒤집어 배선이 없는 뒷면으로 빛을 받는 구조입니다. 빛이 지나는 길에서 배선이 사라지므로 수광 효율이 올라가지만, 실리콘을 아주 얇게 갈아 내야 하고 이웃 픽셀로 빛이 새는 크로스토크를 막는 격벽 구조도 필요해서 공정이 어렵습니다.

여기에 널리 쓰이는 방식이 적층형입니다. 픽셀을 만드는 칩과 ADC와 이미지 처리 같은 로직 칩을 따로 만들어 위아래로 접합하면, 두 칩에 각각 알맞은 공정을 쓸 수 있습니다. 이렇게 CMOS 이미지 센서의 구조는 빛을 더 많이 받고 회로를 더 많이 넣는 방향으로 발전해 왔습니다.

흔한 오해는 화소 수가 많을수록 화질이 무조건 좋아진다는 생각입니다. 센서 크기가 같을 때 화소 수를 늘리면 픽셀이 작아져 한 픽셀이 받는 빛이 줄고, 어두운 곳에서는 잡음이 두드러질 수 있습니다.

CMOS 이미지 센서 구조 비교 표

구분	전면조사(FSI)	후면조사(BSI)	적층형 BSI
빛이 들어오는 면	배선이 있는 앞면	배선 반대편인 뒷면	뒷면, BSI와 같음
배선층 위치	포토다이오드 위	포토다이오드 반대쪽	아래에 로직 칩을 접합
장점	공정이 단순함	수광 효율 향상, 작은 픽셀에 유리	로직 확장, 칩마다 최적 공정 사용
어려운 점	작은 픽셀에서 빛 손실이 큼	웨이퍼 박막화, 크로스토크 억제	접합 정렬, 수율, 비용
놓치기 쉬운 점	화소 수가 많을수록 화질이 좋다는 오해, 픽셀이 작아지면 한 픽셀이 받는 빛이 줄어듭니다.

핵심 정리

이미지 센서의 픽셀은 포토다이오드에 빛을 전하로 모으고, 픽셀 트랜지스터로 전압을 읽고, 열마다 둔 ADC로 디지털 값을 만듭니다. 마이크로렌즈와 베이어 배열의 컬러 필터가 빛을 모으고 색 정보를 나눠 주며, 후면조사와 적층형 구조가 수광 효율과 회로 집적을 높입니다. CMOS 이미지 센서를 이해할 때는 빛이 지나는 길과 신호가 읽히는 순서를 나눠 보는 것이 좋습니다.

관광 명소의 개찰구가 포토다이오드라면, 구역을 차례로 도는 직원은 행 선택과 컬럼 ADC에 해당합니다. 직원이 한 바퀴 도는 시간 때문에 구역마다 보고 시각이 어긋나는 것이 롤링 셔터의 원리이니, 센서의 왜곡이 어디서 오는지도 같은 그림으로 설명됩니다.

면접 대비 질문