파나소닉, 100배 다이나믹 레인지의 유기 CMOS 이미지 센서 개발 발표

파나소닉은 유기 박막을 이용한 CMOS 이미지 센서에 대한 기술 발표를 했다. 글로벌 셔터와 넓은 동적 범위 기술을 개발했으며 차량용 카메라, 업무 방송용 카메라, 산업 검사용 카메라, 디지털 카메라 등의 용도로 제안하고 있다.

기존의 이미지 센서는 수광부의 실리콘 포토 다이오드, 금속 배선, 컬러 필터 온칩 마이크로 렌즈로 구성, 실리콘 포토 다이오드에서 광전 변환과 전하 축적을 하고 있었다. 이 실리콘 포토 다이오드를 유기 박막이 대신한 것을 유기 CMOS 이미지 센서라고 부르며 유기 박막은 광 흡수 계수가 크기 때문에 2 ~ 3μm 정도의 깊이가 필요했던 실리콘 포토 다이오드를 0.5μm까지 박막화 시킬 수 있다고 한다. 파나소닉이 채용하는 유기 박막은 후지필름 주식회사의 것이다.

이 박막화에 따른 장점의 하나는 광선 입사각의 광각 화다. 기존의 30~40도를 60도까지 펼쳐 비스듬하게 빛을 더욱 효율적으로 닿게 된다. 그것으로 혼색이 없는 충실한 색 재현성이 가능하다. 이에 따라 렌즈의 설계 자유도가 커지면서 카메라의 고성능화·소형화로도 직결된다고 한다.

또한 기존 CMOS이미지 센서는 실리콘 광 다이오드 이외의 회로부에 빛이 들어가지 않도록 각 화소에 차광막을 형성할 필요가 있었는데 이것이 수광 면적을 좁히는 원인이 되어 고감도 화질이나 다이내믹 레인지의 성능에 영향을 주는 것으로 알려져있다. 그런데 파나소닉의 유기 CMOS이미지 센서에서는 유기 박막이 전면에 형성되고 회로부는 그 아래에 배치된다. 수광 면적은 화소의 전면에 펼쳐 있어 센서면에서 받는 빛을 모두 수광 할 수 있다고 한다. 이로써 기존보다 1.2배의 감도를 실현하고 어두운 곳에서도 선명한 영상을 볼 수 있다고 한다. 아울러 이미지 센서 내 축적 노드를 대용량화 함으로써 빛으로부터 변환한 신호 전하를 축적, 보다 넓은 다이내믹 레인지를 실현한다.

또한 명암 동시 촬영 구조 기술은 1화소 내에 명암 2개의 감도 검출 셀을 갖춘 1화소 2셀 구성으로, 1화소 내에 2개의 감도, 감도가 다른 2개의 신호 전하 축적량, 2종류의 노이즈 캔슬 구조를 구현함으로써 1회 촬영으로 기존 이미지 센서보다 100배의 다이내믹 레인지인 128dB을 실현했다고 한다.

유기 박막으로 촬상 소자에 의한 전자 셔터도 진화된다.파나소닉이 개발한 광전 변환 제어 셔터 기술은 유기 박막에 인가하는 전압을 조정함으로써 셔터 기능을 실현하는 것으로서 새로운 소자를 추가할 필요가 없어 포화 신호량이 감소하지 않는다는 특징을 갖는다. 화소 게인 전환 회로를 이용한 "고 포화 화소 기술"과 조합함으로써 기존의 글로벌 셔터 CMOS 이미지 센서의 약 10배의 포화 신호량을 실현한다고 한다.

또 유기 박막은 인가 전압과 인가 시간을 변화시킴으로써 감도를 바꾸는 것도 가능하다. 이로써 다중 노출시에 감도를 바꾸어 촬영하는 감도 가변 다중 노출 기술도 실현된다. 동체 속도에 맞춘 노출도 가능하다.