Cmos image sensor_기술_동향_보고서

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Cmos image sensor_기술_동향_보고서

  1. 1. CMOS Image Sensor 기술 동향 보고서 한동희 조사분석 4팀I. 서 론 CMOS 이미지 센서가 카메라폰의 핵심 부품으로 자리매김 하면서 시장이 급격히 팽창하고 있고 이에 따른 특허 출원이 급증하고 있다. 일본업체는 최근까지 CCD에 주력하고 있었지만 최근 도시바와 샤프등의 업체가 CIS 시장에 진출한 것으로 알려지면서 CCD와도 이미지센서 시장에서 경쟁할 것으로 예상되고 있다. IT 시장조사 업체인 MDR에 따르면 세계 CIS 시장이 2006년에는 CCD의 점유율을 넘어6억달러 규모가 될 것으로 예측하고 있으며, 통신산업이 발달하고, CIS의 기술 발달에 따라PC용 카메라, 캠코더, 비디오 게임기기, CCTV, 의료용 마이크로 카메라 등에도 수요가 상당할 것으로 예상하고 있다. 이에 따라 CIS와 CCD의 기술적 차이점과 CIS가 보완해야할 과제, 각국의 특허 출원 동향을 알아보도록 한다.II. 기술 개요 1. 개발 연혁 CMOS Image Sensor(CIS : Contact Image Sensor라고도 함)는 1967년 FairChild,RCA등이 활발히 개발을 하기 시작하였다. 그 후, 1979년 Hitachi가 개발에 주력을 하였지만, Fixed Pattern Noise (FPN)를 비롯한각종 noise로 인해 화질이 CCD에 비해 열등하고 회로의 복잡하여 chip size가 커서Packing Density가 낮았다. 또한 비용 면에서도 CCD에 비해 그다지 차이점이 없다는 이유로 1989년, MOS형 센서의 개발을 포기하고 CCD로 전환하였다. 이후 1990년 NHK/Olympus에서 amplified MOS Imager (AMI)를 발표하였고, 1993년edinburgh 대학에서 최초의 CMOS type Camera chip을 발표한 이후로 같은해 JPL에서CMOS type Active Pixel Sensor(APS)를 발표하고 1995년 미국 대학 및 연구기관에서 본격적인 CMOS Image Sensor에 대한 개발이 시작되었다. 2. 기술요지 2-1. CIS의 특징 CIS는 하나의 단위 Pixel Cell의 내부에 하나 이상의 Tr.과 Photo Diode로 이루어진다. 평면상으로 나열된 Photo Diode의 광전변환에 의한 전하를 MOS Tr.로 증폭하고 Switch - 1 -
  2. 2. 회로로 1화소씩 Readout하는 Image Capture Device로서 각 화소마다 증폭기능을 가진다. 때문에, 광전변환부에 축적된 전하를 Analog Shift Register로 전송하는 CCD(ChargeCoupled Device)와 달리, 고감도 및 High SNR을 얻을 수 있는 가능성이 크고, 수평, 수직의 신호선을 각각 하나씩 선택해서 임의의 화소를 Readout할 수 있는 Random Access 기능을 갖는다. 가. CCD의 특징 CCD에 의한 촬상소자는 축적된 전하가 시프트 레지스터를 통해 증폭회로로 전송되므로,거의 완전한 전하의 전송특성이 요구된다. 따라서, 감도문제로 인해 Cell Size의 축소가 어렵고, High Speed가 곤란하며, 낮은 조도에서 감도가 저하되는 단점을 가지고 있다. 또한,독자의 불순물 Profile을 사용하기 때문에 주변 Logic Processor와의 정합성이 나빠On-Chip화가 매우 어렵고, ADC등의 구동회로가 요구되고 이로 인해 Cost Down에 한계가있다. 나. CIS의 장점 반면에, CMOS Image Sensor는 표준 CMOS Processor 기술에 기반을 두고 있기 때문에 wafer공정을 통하여 대량생산이 가능하며, 칩 사이즈의 소형화, 주변의 구동회로를 포함한 On-Chip화, 저전력, 신호전하에 비례한 전류를 증폭으로 미약한 조도에서도 촬상이 가능한 특성을 가진다. 통상의 이미지 센서는 픽셀이 들어있는 시그널 칩들로 구성되어 있으며, SOC 칩 하나에amplifier, A/D converter, internal voltage generator, timing generator 그리고 digitallogic등이 결합되며, 이로 인해 공간과 전력 그리고 비용절감에 큰 장점을 갖고 있다. CCD CIS 전력소비 300mW 50mW 전력 공급모드 15V / 5V-9V Single Voltage 시스템 통합 최소 3개의 칩 System on Chip(1 Chip) 화질 좋음 개선중 The advantages of CMOS image sensors include (장점) (1) 낮은 전력 기능, 단독 전압전류, 낮은 전력소비 (2) 통합된 CMOS 회로와의 양립성 (3) 영상 데이터의 랜덤 엑세스 (4) 스탠다드 CMOS 기술의 이용함으로써 비용감소 다. 단점 2-2. CMOS 이미지센서 품질에 영상을 끼치는 요인 가. 노이즈, 저조도 30만 화소급 카메라폰과 달리 100만 화소급 카메라폰의 경우 CMOS의 화소 면적을 더작게 하면서 상대적으로 포토다이오드의 수광 면적 효율을 높여야 하는 기술적 어려움과, - 2 -
  3. 3. 품질 저하에 따른 노이즈·저조도 등의 문제를 쉽사리 해결하지 못해 카메라 모듈 수율이60% 내외에 머물고 있는 것으로 알려지고 있다.  나. QSAT CCD에서 다룰 수 있는 신호 전하의 양은 설계, 공정에 의하여 일정하게 정해진다. 이러한 이유로 CCD에서 최대로 다룰 수 있는 신호 전하의 양을 saturation signal charge라 하며 PD, VCCD, HCCD에서 다룰 수 있는 신호량은 각각 다르다. 그 양의 크기는 PD <VCCD < HCCD으로 설계 한다 다. Blooming Blooming은 광원 주위가 훤하게 퍼져 보이는 것으로 신호 전하의 양이 CCD에서 다룰수 있는 양보다 많을 때 나타나는 현상이다. 라. Smear Smear는 입사하는 빛이 CCD의 PD에 수직이 아닌 어느 이상의 각을 가진 경우에 인접한 pixel로 스며들어 나타나는 현상으로 영상을 통하여 보면 광원을 중심으로 위-아래로 빛에 대한 꼬리를 끄는 모양으로 나타난다. 마. VOFD(Vertical Over Flow Drain) 입사한 빛에 의하여 생성된 신호 전하의 양이 아주 많은 경우에 발생하는 blooming과smear<이에 대한 영향도 있음>에 대한 문제들을 해결하기 위하여 사용되는 방법으로 필요이상의 양에 대하여 수직 방향<기판 쪽>으로 전하를 빼어주는 방법이다. photo diode에 입사한 빛의 양이 많을 때 PD에서 다룰 수 있는 양보다 아주 많으면PD 영역에서 VCCD로 넘치게 된다. 이렇게 되면 blooming이 생기게 되는데 이러한 현상을방지하기 위하여 반도체의 뒷면으로 넘치는 양을 빼주기 위하여 기판에 전압을 가한다. 이전압에 의하여 PD에서 넘치는 양은 다음 그림과 같이 흐르게 된다. 이와 같이 포화량 이상의 양을 얼마나 잘 빼주느냐에 따라 blooming 능력이 우수한지 아닌지를 평가할 수 있다. 바. Sensitivity CCD에서 감도는 매우 중요한 특성 가운데 하나이다. 한 개의 photon에 의하여 생성된EHP에 대하여 전자를 얼마 만큼의 전위차로 읽어 낼수 있는가 하는 것이다. 감도 대 조도의 특성을 아래에 그림으로 나타내었다. - 3 -
  4. 4. 사. DEFECT CCD에서 중요한 특성 가운데 하나인 defect에는 여러 가지가 있다. 그 가운데 가장 중요한 몇가지를 살펴보면 white defect(백점), black defect(흑점), white line(백선), blackline(흑선) 등이 있다. 이 가운데 결함과 공정 중에 발생하는 오염 등에 의하여 나타나는white defect는 CCD에 의한 영상을 볼 때 하얀 점들로 나타나 보이는 결함이다. blackdefect는 공정 중에 발생하는 문제로 pixel 영역에 이물질 등에 의하여 입사하는 빛을 다른pixel과 비교하여 적게 받아들일 때 화면에 검은 점의 형태로 보이는 것이다. white/blackline이 나타나 보이는 것은 poly와 poly 사이의 문제, CCD의 V-H interface 영역의 narrowchannel effect등에 의하여 나타나는 결함이다. 아. LAG LAG는 잔상으로 사람이 어떤 물체를 보고 다른 물체를 보았을 때 방금 전에 본 영상이남아 보이는 것과 같은 것으로 CCD에서 잔상은 돗자리 형태로 나타나는 결함이다. reference picture smear - 4 -
  5. 5. III. 특허 동향 분석 키워드를 이용해 추출한 자료 중 한국과 일본은 출원일을 기준으로 2002년도 출원까지1135/975개, 미국은 등록일 기준으로 792개를 추출하고 다출원/다등록을 기준으로 5개사를선정하여 분석하였음. 1. 한국 키워드를 이용해 1536개의 특허를 검색하고 도면과 요약을 참고하여 CCD뿐 아니라,CIS의 제조가 아닌 CIS를 이용한 장치에 관한 특허도 분석의 대상에서 제외하여 1219건을추출하고, 최종적으로 2002년 출원까지로 제한하여 1135건의 특허를 분석에 이용하였음. 1-1. 기업별 출원동향 50 300 40 250 200 30 150 20 100 10 50 0 0 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 00 01 02 삼성 NEC Sony 동부전자 Hynix 총계 한국은 하이닉스가 삼성전자와 동부전자보다 매우 많은 격차를 보이고 있다. 위의 그래프에서 총계와 하이닉스의 출원이 오른쪽 보조축을 이용하여 표시되었으며, 하이닉스가 전체 출원의 57.7%를 차지하여 한국의 전체 출원동향에 큰 영향을 끼치고 있음. - 5 -
  6. 6. 1-2. IPC별 출원동향 기타 H04N 7% 12% H01L 81% CIS 관련 출원은 대부분 H01L과 H04N1)에 분류되어 있다. 한국의 특허는 위와 같이H01L에 81%의 출원이 이루어지고 있어, 데이터의 전송이나 회로의 구성에 관한 발명은 상대적으로 적은 것이 특징이다. 1-3. IPC별 출원인 분포 전체 1135건의 출원 중 H01L은 921, H04N에 139건으로 두 분야에 93.4%의 출원이몰려있으므로, 출원인 분포는 두 분류만을 살펴보기로 한다. H01L 동부전자 2% 기타 Sony 17% 4% NEC 4% 삼성 7% 하이닉스 66% 하이닉스 삼성 NEC Sony 동부전자 기타1) H01L : 반도체 장치 H04N : 화상통신 - 6 -
  7. 7. H04N 하이닉스 기타 35% 43% 삼성 Intel 픽심 삼성전기 7% 4% 4% 7% 하이닉스 삼성 삼성전기 픽심 Intel 기타 하이닉스가 두 분류 모두에서 월등히 앞서고 있으나, H04N에서는 2위인 삼성과의 출원격차가 많이 줄어있다. H01L에서 높은 순위를 기록한 NEC와 Sony역시 H04N에서는 상대적으로 줄어들어 있으며, 그 원인이 일본과 한국의 IPC부여 방식의 차이에 기인하는지, 아니면 이미지센서의 구동기술에 관해서 일본기업이 한국에 출원하는 것을 꺼리는지는 정성분석을 통해 확인해야 할 것이다. 1-4. 국가별 분포 미국 기타 5% 3% 일본 15% 한국 77% 하이닉스가 전체의 57%를 차지하고 있고 나머지 한국 기업의 출원은 20% 수준으로일본과 상대적으로 비슷한 편으로, 하이닉스의 출원이 한국의 전체출원에 미치는 영향이매우 큼. - 7 -
  8. 8. 1-5. 1건당 발명자수와 청구항수 16.00 15.14 14.00 12.00 10.00 7.76 8.19 8.00 5.81 6.24 6.00 3.86 4.00 1.29 1.46 1.74 1.71 1.33 1.58 2.00 0.00 하이닉스 삼성 NEC Sony 동부전자 전체 1건당 발명자수 1건당 청구항수 가장 많은 출원을 보이는 하이닉스의 1건당 발명자 수는 1.3명으로 상대적으로 적은편이며, 일본의 NEC와 Sony가 평균을 웃돌고 있다. 기업별 특허 1건당 청구항의 수는 발명자의 수와 Correlation(상관관계)2)이 0.6883)로서 높은 상관관계를 보여주고 있다. 발명자의수는 출원을 완성하기 위한 기업의 투자규모를 엿볼 수 있는 측면이 있기도 하고, 발명자의개인 역량에 따라 좌우되기도 하므로, 큰 의미를 부여할 수 없으며, 청구항의 수는 기업의특허 관리방식에 의해 많은 청구항이 부여되거나 아닐 수도 있으므로, 기업의 특허관리 마인드를 살펴볼 수 있지만, 발명자 수가 매우 작은 편차를 갖고 있으므로 청구항수와의 상관관계에 큰 의미를 부여하는 것은 오차가 매우 클 수도 있으므로 주의해야 한다.2) 상관관계는 변수들의 공분산에 좌우되며, - 두 변수가 같은 방향으로 움직이면 정(+)의 상관관계 - 두 변수가 반대 방향으로 움직이면 부(-)의 상관관계이고 |r|≤0.2 이면 관계가 없거나 무시해도 좋은 수준, 0.4 정도이면 약한 관계, 0.6 이상이면 강한 상관관계로 볼 수 있음.3) 본 계수는 전체 출원인을 대상으로 구한 상관계수가 아니라, 상기의 다출원 5개사와 전체출원에 대한 값의 상관계수임. - 8 -
  9. 9. 2. 일본 키워드를 이용해 3763개의 특허를 검색하고 도면과 요약을 참고하여 CCD나 기타 CIS의 제조가 아니라, CIS를 이용한 application은 분석의 대상에서 제외하여 992건을 추출하고, 2002년 출원까지로 제한하여 975건의 특허를 분석하였음.4) 2-1. 기업별 출원동향 50 140 120 40 100 30 80 20 60 40 10 20 0 0 88 90 92 94 96 98 00 02 Toshiba Canon Sony Fuji Xerox NEC 전체 2-2. IPC별 출원동향5) 기타 5% H04N 37% H01L 58%4) 일본의 특허건수가 상대적으로 적은 이유로, 한국과 미국은 전문검색을 통해 대상건을 추출하였으나, 일본은 IPC와 제목, 요약을 이용해 검색하였기 때문에 분석에 포함되지 않은 특허가 많은 반면, 검색된 특허의 대부 분은 분석에 이용 가능하였음.5) 복수 IPC가 부여된 특허는 주IPC 코드만을 분석에 이용함. - 9 -
  10. 10. 일본은 한국에 비해 상대적으로 H04N의 비중이 높으며, IPC만으로 특허의 내용을 가늠할 수 있지는 못하므로, 한국에 비해 제조공정에 관한 비중이 낮다고 말하기엔 부족한 면이있다. 2-3. IPC별 출원인 분포 H01L Mitsubishi Hynix 5% 5% NEC 6% 기타 기타 38% Sony 7% 50% Fuji Xerox Sharp 7% 4% Matsushita Canon 4% 8% Toshiba Fujitsu 12% 4% Toshiba Canon Fuji Xerox Sony NEC Mitsubishi Hynix Fujitsu Matsushita Sharp 기타 H04N Matsushita Hitachi Victor 5% 4% 5% Fuji Xerox 기타 6% Minolta 41% Toshiba 4% 8% Sony Olympus 9% 4% Canon KANEGAFUCHI 기타 10% CHEM. 57% 4% Canon Sony Toshiba Fuji Xerox Matsushita Victor KANEGAFUCHI CHEM. Olympus Minolta Hitachi 기타 그래프가 보기 힘들게 작성이 되었으나, 몇몇 주목할 만한 사항으로, H01L의 출원에서상위에 랭크되어있으나, H04N에서는 빠져있는 하이닉스와, H01L에서는 보이지 않지만,H04N에 다출원 기업으로 포함되어 있는 Canon, Sony, Olympus6)가 눈에 띈다.6) 디지털 카메라 제조업체들임. - 10 -
  11. 11. 2-4. 국가별 분포 KR 기타 US 5% 2% 7% JP 86% 2-5. 1건당 발명자수7) 3.50 3.33 3.00 2.50 2.09 2.12 2.00 Toshiba Canon Sony Fuji Xerox NEC 전체 1.83 1.84 1.50 1.39 1.00 한국에서 1건당 발명자수 15.14였던 NEC는 자국에서는 1.39로 평균이하인 것이 특징이며, NEC는 해외에 출원하는 특허의 건당 발명자수가 자국에 출원한 특허의 건당 발명자수보다 월등히 높음을 알 수 있다. 일본 내에서 가장 많은 출원을 한 Toshiba가 1건당 3.33명으로 높은 발명자수를 보이고있으며, 한국에의 출원은 NEC의 절반도 못 미치는 19건으로 매우 적다.8)7) 분석에 이용한 DB에는 일본 특허의 청구항 수에 관한 데이터가 빠져있어, 한국과 미국에 출원된 특허를 분석 하는 것으로 대신하였음.8) NEC의 특허는 한국 출원 동향 참조 - 11 -
  12. 12. 3. 미국 3-1. 기업별 동향 30 250 25 200 20 150 15 100 10 5 50 0 0 77 79 81 83 85 87 89 91 93 95 97 99 01 03 Intel Silverbrook Kodak Hynix Amkor 전체 서론에 언급한대로 미국은 95년에 본격적인 연구를 시작하여 97년 이전의 등록량은 거의 없고, 일본 기업의 출원이 간간이 이어지고 있었음. 3-2. 국가별 분포 AU 기타 KR 5% 4% 4% JP 12% US 75% US JP KR AU 기타 - 12 -
  13. 13. 3-3. 1건당 발명자수 25.00 22.56 20.40 20.00 19.26 15.22 15.00 11.86 10.06 10.00 5.00 3.30 2.90 2.93 2.00 2.17 2.56 0.00 Intel Silverbrook Kodak Hynix Amkor 전체 1건당 발명자수 미국은 특허법 제도의 차이로 인해 일반적으로 청구항수가 많은 편이며, Silverbrook과하이닉스가 발명자 수나 청구항수에서 비슷하게 낮은 수치를 보여주고 있다. 미국에서의 발명자수와 청구항수 상관계수는 0.552로서 한국의 0.688보다는 낮지만, 그 둘의 관계가 무관하지 않음을 보여주고 있다. 등록수 발명자수 참조수 청구항수 1건당 발명자 1건당 참조 1건당 청구항 전체 750 2224 18430 15184 2.97 24.57 20.25상위 5개사 167 446 3876 2588 2.67 23.21 15.50 위의 표를 참고하면, 등록 특허가 많은 기업의 1건당 발명자가 평균보다 조금 낮고, 건당 참조특허의 수는 평균과 큰 차이를 보이지 않는다. 단 참조특허의 경우 등록연도를 반영하지 않았으며, 상위 5개사의 특허가 등록수가 급증한 97년 이후에 다수 포진해 있으므로, 다출원 5개사의 인용횟수는 앞으로 높아질 여지가충분하다. 출원당 발명자수 비교 한국 자국 미국 하이닉스 1.29 1.67 2.17 NEC 1.74 1.39 2.56 Toshiba 2.16 3.33 4.30 기업들이 자국에 출원하는 특허와, 타국에 출원하는 특허의 발명자수가 많으면 두 명까지 차이를 보여주고 있다. - 13 -
  14. 14. 하이닉스가 국내에 출원한 특허의 1건당 발명자수 1.29명을 하이닉스 출원의 전체 평균값이라고 가정하면, 일본에 출원하는 특허의 발명자수 평균은 1.67명으로 높은 수치이다. NEC의 한국출원은 평균보다 높은 1.74명이지만, 자국 출원(전체평균)은 1.39명으로 차이를 보이고 있다. 반대로 Toshiba는 자국에 출원한 특허의 평균 발명자수가 3.33명으로 높은 편이지만,한국에 출원한 특허의 발명자수는 2.16명, 반대로 미국 출원 특허의 발명자수는 4.30명으로한국에 비해 두 배의 인력이 소요되는 것으로 파악된다.III. 결 론 지금까지 한국과 일본의 특허출원과, 미국의 등록특허를 출원량과, IPC별 분포, 발명자와 청구항의 수에 중점을 두어 통계분석을 시도해 보았다. 한국은 하이닉스를 중심으로 매우 많은 출원량을 보여주고 있고, 보도 자료에 의하면 하이닉스의 비 메모리 부문은 올해 예상 매출이 10억 달러로 가장 빠르게 성장하는 분야이며,전 세계 CIS 시장의 25%를 점유하는 것을 목표로 하고 있다고 한다. 하지만 한국의 기업이 출원에 있어서 양적인 우위를 보여주고 있다고는 하나, 청구항수가 전반적으로 적은편이어서 실제 권리 범위를 얼마나 보유하고 있는지의 여부는 정성분석을 통하여 확인할 필요가 있다. 이는 한국특허정보원에서 제공하는 Patent Map의 “기술선점도” 등 다양한 분석을 이용해 확인이 가능하다. 한국에서는 외국 기업의 출원 점유율이 23%, 미국에서는 25%를 점유하고 있으나, 일본에서 한국을 포함한 외국기업이 14%정도로 자국의 출원비중이 높다. 따라서 일본 시장에서의 기술 선점을 위해 많은 출원이 필요한 것으로 풀이된다. - 14 -
  15. 15. [별첨] CMOS Image Sensor 용어해설 Correlated Double Sampling(CDS) Low frequency NOISE 제거를 위한 신호추출 방법.Pixel에서 신호를 Sampling 할 때,Reset & Integrating시 신호를 각각 읽어 들여 Reset noise와 DC Offset을 빼주기 위함이다. Dark Current [pA/cm2] or [nA/cm2] Definition ; Idark = (Signal Charge / Integration time)← Q= i×t , typically under the 1nA/cm2. c.f. : Dark Level , ( Q = CV ) Dynamic Range : [dB] Definition ; = 20 log [Saturation Signal / Dark Signal (rms Noise floor)] , typically60 ~ 70 dB. Fill Factor (Aperture Efficiency) : [%] Definition ; = Light Sensitive Area / 1 pixel Area ) X 100 Fixel Pattern Noise (FPN) : 전하 transfer circuit과 source follower circuit을 구성하는 Tr의 threshold mismatch 에의해 주로 발생함. 이는 dark 상태에서 system gain을 높이면 눈으로 식별 가능하다. Gaintype FPN 은 pixel size 가 작을때 pixel의 geometry 변화에 의해 발생한다. Reset Noise (kTC Noise) : 개별 pixel 로부터 신호를 Readout 한 후, Reset 할 때 발생하는 thermal noise. k :Boltzmann constant , T : Kelvin, C : Junction Capacitance. Quantum Efficiency : [%] Definition = (Photo - generated electrons / Incident photons on the pixel Area) X100 일반적으로 양자효율(quantum efficiency)라 함은 입사된 photon 1개당 생성되는 EHP의 개수를 의미한다. - 15 -
  16. 16. http://www.pixelplus.co.krhttp://www.etnews.co.krhttp://www.poweruser.co.krhttp://www1.kisti.re.krhttp://www.humit.co.krhttp://www.kwon.or.krhttp://www.pixelplus.co.kr/http://www.uspto.govhttp://digieye.co.kr 본 리포트에 대한 상세특허정보DB를 신청하고자 하거나 기타 문의사항이 있으신 분은 한국특허정보원(www.kipi.or.kr)으로 연락주시기 바랍니다. Tel :02-3452-8144 (교521) Fax :02-3453-2966 Homepage :한국특허정보원 www.kipi.or.kr Kipris 온라인 서비스 www.kipris.or.kr 선행기술조사본부 www.forx.or.kr - 16 -

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