근적외선 광감도를 전기적으로 제어하는 세계 최초의 유기 CMOS 이미지 센서
자료제공 : 파나소닉 코퍼레이션
파나소닉 코퍼레이션(Panasonic Corporation)이 최근 유기 CMOS(organic CMOS) 이미지 센서 내에서 동일 픽셀의 근적외선(NIR) 광감도를 전기적으로 제어하는 신기술을 개발했다고 발표했다. 유기 박막을 직접 적층한 이미지 센서 내 모든 픽셀의 감도는 유기 박막에 적용되는 전압을 변경함으로써 동시에 제어된다.
유기 CMOS 이미지 센서 설계 기술
유기 CMOS 이미지 센서에서 광전 변환은 유기 박막에 의해 실행되고, 신호 전하 축적 및 신호 판독은 유기 박막 아래의 Si 기반 회로에 의해 실행된다. 유기 박막과 회로를 독립적으로 설계할 수 있으므로, 유기 CMOS 이미지 센서는 고감도, 광역역광보정, 글로벌 셔터 기능이라는 특성을 보유하게 된다. 이 신기술은 이미지 센서의 스펙트럼 감도를 가시광선 스펙트럼에서 근적외선 스펙트럼으로 확장하기 위해 개발됐다. 이 신기술 덕분에 위에 언급한 유기 CMOS 이미지 센서 고유의 특성을 잃지 않고 근적외선 감도를 전기적으로 제어할 수 있다.
이 기술 덕분에 기존 이미지 센서에 요구되던 기계적 IR 컷 필터 없이, 프레임 단위로 컬러 이미징 모드와 근적외선 이미징 모드 사이에서 전환이 가능하다. 이에 따라 카메라 시스템 소형화가 가능해지고 견고성이 향상된다. 또한, 이 기술은 글로벌 셔터 작동을 가능하게 하므로 빠르고 정확한 검사나 인식을 필요로 하는 인공 시각 또는 지능형 교통 시스템 같은 다양한 산업 분야에 적용할 수 있다.
프레임 단위 전환을 가능하게 하는 감도 제어 기술
각각 가시광선을 흡수하고 근적외선을 흡수하는 유기층 2개를 적층해서 유기 CMOS 이미지 센서의 스펙트럼 감도를 가시광선 스펙트럼에서 근적외선 스펙트럼으로 확장할 수 있다. 그러나 단순히 유기층 두 개를 적층 또는 혼합하는 것만으로는 근적외선 신호와 가시광선 신호를 구별하지 못한다. 신호 구별을 위해 기존에는 전극 및 박막 트랜지스터 같은 추가 구성요소를 필요로 하는데, 그 결과 픽셀 크기가 커지게 된다.
이 문제를 해결하기 위해 파나소닉은 높은 저항비를 가진 유기층 두 개를 직접 적층하는 방법을 택했다. 이 구조에서 전압은 두 유기층에 각각 다르게 분배되는데, 동일한 전압원을 사용하더라도 상대적으로 낮은 전압이 유기층 1개에 적용되고 상대적으로 높은 전압이 나머지 유기층 1개에 적용되는 식이다. 입사광에서 신호 정보를 받으려면 임계값보다 높은 전압을 유기 CMOS 이미지 센서에 적용해야 한다. 이런 특성 때문에 저전압에서는 2개 유기층 모두 감도가 없고, 중전압에서는 1개 유기층만 감도를 가지며, 고전압에서는 2개 유기층 모두 감도를 갖게 된다. 이런 구조로 인해 컬러 이미징 모드의 전기적 전환이 가능한데, 컬러 이미징 모드에서 센서는 가시광선과 근적외선 이미징 모드에만 감도를 갖고, 어떤 구성요소도 증가시키지 않으면서 가시광선과 근적외선에 감도를 갖게 된다.
유기 CMOS 이미지 센서 설계 기술과 감도 제어 기술 적용 예시
•감시 카메라에 야간 투시 사용
근적외선 이미징 모드는 사람의 눈이 볼 수 없을 정도로 매우 어두운 상황에서도 선명한 이미지를 포착 할 수 있다. 또한 야간에 감시 카메라에 의해 캡처된 이미지의 가시성을 향상시키는데 도움을 준다. 컬러 이미징 모드는 NIR 감도가 OFF 상태인 가시광선을 기반으로도 RGB 색상 정보를 얻을 수 있다. 이러한 모드는 인가된 전압을 변경하여 동일한 픽셀로 전환 할 수 있으므로 이 이미지 센서에는 IR 컷 필터가 필요하지 않다.
•비파괴 검사 사용
IR 컷 필터 없이 컬러 이미지와 근적외선 이미지 모두를 캡처 할 수 있는 기존의 이미지 센서는 베이어 배열 컬러 필터의 두 가지 그린 패스 필터 중 하나에 NIR 통과 필터를 대체하는 특정 컬러 필터를 가지고 있다. 이것은 NIR 이미지의 픽셀 수가 이미지 센서의 총 픽셀 수의 4분의 1임을 의미한다. 반면에, 이 기술은 NIR 이미징 모드에서 픽셀 어레이의 모든 픽셀을 사용하여 NIR 이미지를 캡처 할 수 있다. 그러므로 유기 CMOS 이미지 센서에 의해 캡쳐된 근적외선 이미지는 해상도 손실이 생기지 않는다. 이 기능은 검사 사용의 정확성을 향상시키고, 근적외선 이미지가 근적외선을 전송하는 정보를 얻는 데 도움이 된다.
•머신 비전 사용
이 이미지 센서는 또한 머신 비전의 용도로도 사용될 수 있다. 피사체가 고속으로 움직이고 보이지 않는 스펙트럼 범위에 있다고 하더라도 이미지 센서가 이미지를 선명하게 포착 할 수 있기 때문이다. 이미지 센서의 감도를 전기적으로 제어함으로써 서로 다른 스펙트럼의 피사체를 프레임 단위로 캡처가 가능하다. 이 기능을 사용하면 머신 비전은 가시광선 스펙트럼과 근적외선 스펙트럼 모두에서 프레임 단위로 번갈아 이미지를 얻을 수 있다.
이 세가지 예시 외에도 새로 개발된 기술을 적용하면 야간 투시, 비파괴 검사 및 머신 비전과 같은 다양한 산업 분야의 애플리케이션에 적용이 가능하다.
