파나소닉, 여러 가지 새로운 기술들 선보여
2016 국제고체회로학회에서
파나소닉 코퍼레이션(Panasonic Corporation)이 지난 2월 샌프란시스코에서 개최된 ‘2016 국제고체회로학회’(2016 International Solid-State Circuits Conference)를 통해 새로운 기술들을 선보였다. 이날 발표된 기술 및 제품에는 저 조도에서도 선명한 컬러 이미지를 촬영할 수 있는 APD-CMOS 이미지 센서, 기존 보정 범위보다 100배 넓은 새로운 광역 역광보정 기술, 유기 광전도막을 적용한 상보성 금속산화막 반도체(CMOS) 이미지 센서를 위한 새로운 고성능 글로벌 셔터 기술 등이 포함되어있다.
APD-CMOS 이미지 센서
0.01 lux 조도에서 선명한 컬러 이미지 구현
파나소닉이 각 화소에 애벌란치 포토다이오드(Avalanche PhotoDiodes, APD)를 적용한 CMOS 이미지 센서(APD-CMOS) 개발을 발표했다. 파나소닉은 수광부(photodetector)에서 생성된 광전자를 APD로 증배해 1만 배 증폭된 전기 신호를 얻는 데 성공했다. 이는 조도 0.01 lux(룩스) 정도인 별빛 아래나 이와 비슷한 정도의 어두운 장소에서도 선명한 컬러 영상을 촬영할 수 있도록 해준다.
파나소닉이 새로 내놓은 이미지 센서는 광전자 증배를 통해 어두운 곳에서도 노출 시간을 늘릴 필요 없이 세밀한 계조의(High-gradation) 컬러 이미지를 구현해 고감도 영상을 촬영할 수 있도록 해준다.
이와 함께 촬영 시 조도에 따라 APD에 적용된 전압을 변경해 광전자 증배를 빠르게 제어할 수 있으며 이로써 밝은 곳에서 어두운 곳까지 다양한 조도에서 이미지를 촬영할 수 있게 되었다. 이 솔루션은 넓은 다이내믹 레인지(Dynamic range)의 컬러 영상 촬영이 필요한 감시 카메라, 초고감도 영상이 요구되는 산업용 카메라 등의 제품에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
기존 이미지 센서의 경우 어두운 곳에서 영상을 촬영하는 동안 광전 변환된 광전자가 잡음 레벨 이하로 떨어질 수 있으며 이로 인해 달빛(조도 0.1lux) 정도의 조건에서만 영상을 촬영할 수 있었다. 근적외선 광원을 조명으로 한 촬영과 광전 증배관을 사용한 촬영이 이뤄지는 이유가 여기에 있다. 하지만 근적외선 광원은 컬러 촬영을 할 수 없고 광전자 증배관은 대용량 전원공급이 필요해 카메라 크기가 커진다는 단점이 있다.
APD-CMOS이미지 센서의 특징
이 신기술은 일반 장치 대비 1만 배 이상 뛰어난 4000만/lux·초·㎛2의 고감도 컬러 영상 촬영이 가능하며 넓은 다이내믹 레인지를 가진다. 또한 일반 CMOS 이미지 센서 대비 40dB이상 높은 100dB을 탑재했다.
APD-CMOS이미지 센서 개발의 기반
이 센서는 광전 변환부에 애벌란치 포토다이오드와 충전 스토리지를 결합해 생성된 색상 정보를 포함한 광전자를 증배하는 동시에 축적하는 APD 화소 설계 기술을 기반으로 개발되었다.
APD에 적용된 전압을 제어함으로써 1/1000 초 안에 증배를 제어하며 조도 변경에 따라 변화하는 30fps의 동영상 촬영을 구현하는 가변 감도 기술 또한 센서 개발에 발판이 되었다.
동시 포착 광역 역광보정 기술
유기 광전도막(OPF) CMOS이미지 센서 적용 및 업계 최초 신호 대 잡음비 123dB
파나소닉이 유기 광전도막(Organic Photoconductive Film, OPF)을 적용한 상보성 금속산화막 반도체(CMOS) 이미지 센서를 사용하여 동시 포착 광역 역광보정(Simultaneous-capture Wide-dynamic Range)을 기존의 보정 범위 보다 100배 넓힐 수 있는 새로운 광역 역광보정(Wide-Dynamic-Range) 기술 개발을 발표했다.
OPF CMOS 이미지 센서를 채용하면 전하 충전 기능과 광전 변환(Photoelectric-Conversion) 기능을 각기 독립적으로 설정할 수 있다. OPF CMOS 이미지 센서의 이 같은 특성을 활용하면 밝은 상황에서 움직이는 피사체에 대한 시간 왜곡 없이 과다 노출을 방지할 수 있다.
또한 어두운 상황에서도 또렷하고 질감이 풍부한 이미지를 재생할 수 있다. 이러한 기술은 명암 대비가 큰 장면의 이미지를 고속으로 정밀도가 높게 촬영할 수 있게 한다.
이번에 새로 개발한 광역 역광보정 기술은 명암 대비가 큰 상황(배경 조명을 받는 장면이나 스튜디오 조명이 있는 상황)에서도 이미지를 정확히 형성하고 보다 풍부한 색조로 재생할 수 있게 한다. 또한 각기 다른 시간에 촬영하여 노출이 다양한 데이터를 합성할 필요가 없기 때문에 움직이는 피사체의 이미지를 고속으로 정확히 형성할 수 있다. 따라서 이 기술은 이미지를 고속으로 매우 정밀하게 형성 및 감지하고 광역 역광보정이 가능하게 한다.
새로운 광역 역광보정 기술의 장점
OPF는 특성 상 광전 변환 용 OPF와 판독 회로가 각기 독립되어 있기 때문에 입사각이 넓고(60도), 민감도와 채도가 높으며 회로의 성능이 매우 우수하다. 또한 회사가 독자 개발한 ‘동시 포착 구조’를 적용했기 때문에 기존의 칩 크기를 유지하면서 동시 포착 광역 역광보정 신호 대 잡음비가 일반 실리콘 이미지 센서 보다 100배 넓은 123dB이다.
새로운 광역 역광보정 기술의 능력
광역 역광보정 기술은 광전 변환 부분과 회로 부분을 독립적으로 디자인할 수 있는 OPF CMOS이미지 센서 디자인 기술(OPF CMOS Image Sensor Design Technology)을 탑재하였다. 또한 동시 포착 광역 역광보정을 구현하기 위해 민감한 OPF CMOS이미지 센서의 높은 채도와 유연성을 활용한 두 개의 민감도 감지 셀(하나는 밝은 것을 감지하고 다른 하나는 어두운 것을 감지)이 각 화소에 있는 2중 민감도를 측정하는 화소 기술(Dual-Sensitivity Pixel Technology)을 탑재했다.
어두운 피사체를 촬영할 때 신호 대 잡음(S/N) 특성을 개선하기 위해 화소 재설정 잡음을 감쇄할 수 있는 축전 결합형 노이즈 캔슬러(잡음 감쇄) 기술(Capacitive-Coupled Noise Canceller Technology)또한 탑재하고 있다. 파나소닉은 이 기술과 관련하여 일본에서 58개, 해외에서 44개의 특허(출원중인 특허 포함)를 보유하고 있다.
채도 신호 10배 높인 고성능 글로벌 셔터 기술
CMOS이미지 센서의 유기 광전도막(OPF) 조정
유기 광전도막(organic photoconductive film, OPF)을 적용하여 상보성 금속산화막 반도체(CMOS) 이미지 센서를 위한 새로운 고성능 글로벌 셔터(global shutter)기술이 개발되었다. 이 신기술은 글로벌 셔터 모드에서 고속으로 움직이는 피사체를 최대 10배 더 밝게 촬영할 수 있게 한다. OPF CMOS 이미지 센서를 채용하면 전하 충전 기능과 광전 변환(photoelectric-conversion) 기능을 각기 독립적으로 설정할 수 있다.
이 신기술은 OPF CMOS 이미지 센서의 특성을 활용하여 글로벌 셔터 기능이 있는 기존의 이미지 센서에서 나타나는 채도 신호의 성능 저하 문제를 해결해 준다. 이 신기술은 OPF에 적용하는 전압을 변경하여 셔터 민감성을 미세하게 조정함으로써 사진 하나의 피사체 신호 레벨을 확보하여 움직이는 방향을 감지할 수 있는데, 이는 기존의 CMOS이미지 센서로는 가능하지 않았다.
기존의 셔터를 매우 밝은 상황에서 사용하면 이미지가 왜곡되지만 새로 개발한 고성능 글로벌 셔터 기술은 이미지를 왜곡시키지 않고 움직이는 피사체를 고속으로 감지할 수 있게 한다.
이 신기술은 모션 캡처(Motion capture) 애플리케이션에 널리 사용될 뿐 아니라 채도가 높은 글로벌 셔터나 가변적 민감도의 다중 노출이 어렵다고 판단되는 다른 애플리케이션에도 사용될 것으로 예상된다.
새로운 글로벌 셔터 기술의 장점
새로 개발된 글로벌 셔터에 적용된 OPF는 그 특성 상 광전 변환 용 OPF와 판독 회로가 각기 독립되어 있기 때문에 입사각이 넓고(60도), 민감도와 포화도가 높으며 회로의 성능이 매우 우수하다. 또한 광전 변환으로 제어하는 글로벌 셔터 기술이 있기 때문에 높은 채도 신호가 글로벌 셔터 기능이 있는 기존의 이미지 센서 보다 최대 10배 높다.
새로운 글로벌 셔터 기술 개발의 기반
이 기술은 OPF광전 변환 부분과 회로 부분을 독립적으로 디자인할 수 있는 CMOS이미지 센서 디자인 기술(CMOS Image Sensor Design Technology)을 기반으로 하며 유기 광전도막(OPF)의 민감성을 조정함으로써 구현된 광전 변환 조정 글로벌 셔터 기술(Photoelectric Conversion Controlled Global Shutter Technology)을 탑재했다. 또한 각 프레임의 이미지를 캡처하는 민감성을 변경함으로써 피사체의 움직임과 그 방향을 감지할 수 있는 가변적 민감도의 다중 노출 기술(Variable Sensitivity Multiple Exposure Technology)을 포함하고 있다.파나소닉은 이 기술과 관련하여 일본에서 60개, 해외에서 41개의 특허(출원중인 특허 포함)를 보유하고 있다.
파나소닉(Panasonic)에 대해
1918년 설립된 파나소닉 코퍼레이션(Panasonic Corporation)은 소비자가전, 주택, 자동차, 기업 솔루션 및 디바이스 산업 분야에서 다양한 전자 기술 고객 솔루션을 개발하는 세계적인 선도기업이다. 집 안에서 부터 사무실, 점포, 자동차, 항공기, 그리고 거리까지 다양한 공간에서 하드웨어 제품뿐만 아니라 다운로드 서비스를 포함한 토탈 솔루션을 제공을 위해 여러 사업부에서 혁신을 통한 새로운 가치 추구를 지향하고 있다. 파나소닉은 환경개혁기업으로 탄소배출량 감소를 위해 전 세계적으로 노력하며 친환경 경영을 주도해 가고자 노력하고 있다.
자료제공 | 파나소닉(www.panasonic.com)
