【도해】QuadBayer 이미지 센서

이미지 센서 기술은 최근 스마트폰 및 디지털 카메라의 고기능화에 따라 해상도와 감도의 양립이 요구되고 있습니다. 그중에서 Quad Bayer 구조는 초고해상도와 고감도를 실현하는 혁신적인 기술로 주목받고 있습니다. 본 기사에서는 제조업체의 기술자들을 대상으로 Quad Bayer 구조의 자세한 기술적 배경, 동작 원리, 구현 시의 과제와 해결책, 최신 응용 예에 대해 깊이 있게 설명합니다.

Quad Bayer 구조의 배경

해상도와 감도의 트레이드오프

전통적인 CMOS 이미지 센서에서는 고해상도를 위해 픽셀 크기를 축소하는 것이 일반적이었습니다. 그러나 픽셀 크기의 축소는 단위 면적당 수광 면적의 감소를 초래하여 감도 저하와 S/N비의 악화를 불러옵니다. 이로 인해 어두운 곳에서 촬영 성능이 저하되어 사용자 경험이 떨어질 수 있습니다.

쿼드 베이어 구조 제안

이 문제를 해결하기 위해 쿼드 베이어(Quad Bayer) 구조가 제안되었습니다. 쿼드 베이어 구조는 동일한 색상의 4개의 픽셀을 하나의 그룹으로 배치하여 고해상도와 고감도를 동시에 실현할 수 있는 기술입니다.

쿼드 베이어 구조의 기술적 세부사항

배열 구조

전통적인 베이어(Bayer) 배열은 R(빨강), G(녹색), B(파랑) 컬러 필터를 바둑판 모양으로 배열합니다. 반면, 쿼드 베이어(Quad Bayer) 배열에서는 동일한 색상의 픽셀이 2×2 블록으로 배열됩니다.

동작 모드

쿼드 베이어(Quad Bayer) 구조에서는 촬영 장면에 따라 다음 두 가지 동작 모드를 전환합니다.

고해상도 모드(풀 해상도 읽기)
- 밝은 곳이나 고조도 환경에서는 각 픽셀을 개별적으로 읽어 고해상도의 이미지를 생성합니다.
- 이 모드에서는 픽셀 크기가 작기 때문에 수광 감도가 떨어지지만, 세부적인 부분까지 상세하게 묘사할 수 있습니다.
고감도 모드(픽셀 비닝)
- 어두운 곳이나 저조도 환경에서는 동일한 블록 내의 4개의 픽셀을 하나의 픽셀로 처리합니다.
- 이를 통해 실질적인 픽셀 크기가 2배로 증가하고, 수광 면적이 4배로 늘어납니다.
- 감도가 향상되고, S/N비가 개선됩니다.

픽셀 비닝의 구현

픽셀 비닝은 아날로그 영역과 디지털 영역 모두에서 구현 가능합니다.

아날로그 비닝
- 픽셀 출력을 아날로그 신호 단계에서 합산합니다.
- 저전력으로 고속 처리가 가능하지만, 앰프의 선형성 및 오프셋 오류가 과제가 됩니다.
디지털 비닝
- 각 픽셀의 디지털 신호를 합산합니다.
- 고정밀 처리가 가능하지만, 데이터 양이 증가하고 처리 부하와 소비 전력이 증가합니다.

센서 설계상의 고려사항

포토다이오드 설계

수광 효율 향상
- 마이크로렌즈와 컬러 필터의 최적화를 통해 빛의 수집 효율을 극대화합니다.
- 풀웰 용량(Full Well Capacity)을 확보하기 위해 포토다이오드의 형상과 깊이를 조정합니다.
크로스토크 억제
- 인접한 픽셀 간의 빛 누출(크로스토크)을 방지하기 위해 픽셀 사이에 광학 장벽을 설치합니다.
- 깊은 포토다이오드 구조나 신소재의 채용을 통해 빛의 수직 입사율을 높입니다.

신호 읽기 회로

고속 읽기
- 고해상도화에 따라 데이터 양이 증가하므로 고속 읽기 회로가 필요합니다.
- 병렬 읽기 및 멀티 채널 구조의 채용으로 대응합니다.
저소음 설계
- 앰프와 ADC(아날로그-디지털 변환기)의 노이즈를 최소화하기 위해 회로 설계와 레이아웃을 최적화합니다.
- CDS(상관 이중 샘플링) 기술을 활용하여 고정 패턴 노이즈(FPN)를 저감합니다.

ISP(이미지 신호 처리)의 고도화

데모자이크 처리

쿼드 베이어 배열에서 RGB 이미지를 재구성하기 위해서는 데모자이크 처리가 필요합니다.

고정밀 보간 알고리즘
- 주변 픽셀의 상관성을 고려한 고급 보간 방법을 사용합니다.
- 엣지 보존 보간 및 경량 기반 알고리즘을 통해 모아레와 왜곡 색상을 억제합니다.

노이즈 감소

공간 노이즈 감소
- 노이즈 성분을 저감하기 위해 공간 필터를 적용합니다.
- 가우시안 필터나 미디언 필터를 사용하여 노이즈를 제거하면서 에지를 보존합니다.
시간적 노이즈 감소
- 연속적인 프레임 간의 노이즈 특성을 활용하여 시간 방향에서 필터링을 수행합니다.
- 모션 감지와 결합하여 블러 및 고스트를 방지합니다.

HDR(하이 다이내믹 레인지) 촬영

멀티 프레임 합성
- 노출 시간이 다른 여러 프레임을 합성하여 넓은 다이내믹 레인지를 실현합니다.
- 프레임 간의 위치 차이를 보정하기 위한 모션 정렬이 필요합니다.
듀얼 변환 게인
- 픽셀마다 게인 설정을 전환하여 고조도와 저조도 신호를 동시에 수집합니다。
- 센서 설계와 신호 처리의 고급 통합이 요구됩니다.

실행상의 과제와 해결책

데이터 양 증가와 처리 부하

과제
- 초고해상도화로 인해 한 번에 읽어들이는 데이터 양이 방대해집니다.
- 데이터 버스의 대역폭과 메모리 용량의 제약이 발생합니다.
해결책
- 압축 기술의 도입(무손실 압축 및 비트 축소)
- MIPI-CSI와 같은 고속 인터페이스의 채용
- 분산 처리 아키텍처의 채용으로 ISP 부하를 분산합니다.

소비 전력 증가

과제
- 고속 처리와 대량의 데이터 전송으로 인해 소비 전력이 증가하고 열 문제가 발생합니다.
해결책
- 회로의 저전압 동작 및 전원 관리 IC의 최적화
- 디바이스의 절전 모드 활용
- 열 설계 강화(히트싱크 및 서멀 패드 설치)

렌즈와의 매칭

과제
- 고해상도 센서에 대응하기 위해서는 렌즈의 MTF(변조 전달 함수) 특성도 높은 수준이어야 합니다.
해결책
- 광학 설계의 최적화 및 고성능 렌즈 재료의 채용
- 제조 공차의 감소 및 품질 관리의 강화

미래 전망

픽셀 크기의 더욱 미세화

기술적 도전
- 0.7μm以下のピクセルサイズの実現に向けて、新材料やプロセス技術の開発が進んでいます。
- 量子効果の影響を考慮した設計が必要となります。

AIとの統合

スマートセンサー
- 0.7μm 이하의 픽셀 크기 실현을 위해 새로운 소재와 공정 기술 개발이 진행되고 있습니다.
- 양자 효과의 영향을 고려한 설계가 필요합니다.

새로운 컬러 필터 기술

컬러 필터리스 센서
- QPD(쿼드 위상 검출) 기술과 컬러 필터리스 구조에 대한 연구가 진행되고 있습니다.
- 감도 향상과 해상도의 추가 향상이 가능해집니다.

정리

쿼드 베이어 구조는 해상도와 감도의 트레이드오프를 해소하는 혁신적인 기술로, 이미지 센서 분야에서 중요한 위치를 차지하고 있습니다. 제조업체의 기술자로서 이 기술의 원리와 구현상의 과제를 깊이 이해하고 제품 개발에 응용함으로써 경쟁력 있는 고성능 제품을 시장에 제공할 수 있습니다.

앞으로도 기술 혁신은 계속될 것이며, 추가적인 고해상도화와 새로운 응용이 기대됩니다. 최신 기술 동향을 파악하고 기술 개발에 적극적으로 임하는 것이 요구됩니다.