파나소닉이 뜬금없이 설 명절에 그 동안 전설로만 전해져오던 유기센서의 8K/60p 버전을 발표했네요...

그동안 매년 ISSCC(International Solid-State Circuit Conference)에서 유기센서 개발관련 발표를 찔끔찔끔 해왔었는데.. 이번에는 ISSCC보다 먼저 그냥 발표를 해버렸군요... 뭐 상세한 내용은 ISSCC 2018에서도 발표할걸로 보이니 그 때 더 살펴보면 될 듯하고...

이번에 발표된 8K/60p 글로벌셔터 유기센서의 내용을 번역해 보았습니다.


특징으로 시작합니다.

- 8K 해상도, 60fps 프레임레이트, 450K 포화 전자 및 글로벌셔터 기능을 동시에 실현
- 게인 스위칭 기능을 통해 고감도 모드와 고포화도 모드의 전환이 가능
- OPF에 적용되는 전압을 제어함으로써 무단계 ND필터 기능을 실현

Panasonic은 이 기술과 관련하여 135개의 일본 특허와 83개의 해외 특허 (출원 포함)를 보유하고 있습니다.
파나소닉은 2018 년 2 월 11 일부터 15 일까지 샌프란시스코에서 개최되는 ISSCC (International Solid-State Circuit Conference) 2018과 같은 국제 학술회의에서 이러한 기술을 선보일 예정입니다.

Notes:
*1: As of February 14, 2018, according to Panasonic data.


More on the Technology
 

1. 광전자 변환부와 회로부가 독립적으로 설계된 “OPF CMOS 이미지센서 설계기술”

OPF CMOS 이미지 센서는 OPF가 광전 변환을 수행하고 회로 영역이 전하 저장 및 신호 판독 기능을 완전히 독립적으로 수행하는 독특한 구조를 갖고 있습니다..
넓은 회로영역의 가용공간을 통한 고속 노이즈 캔슬레이션 기술과 고포화도 기술을 유기센서 구조에 사용, 이 OPF CMOS 이미지 센서 구조를 활용하여 고속의 노이즈 억제기술과 고포화 기술을 회로영역의 넓은 공간안에 담아내는 기술을 개발했습니다. 결과적으로 8K해상도,60fps 프레임레이트의 전송속도 그리고 넓은 다이나믹 레인지(고포화도를 달성한)와 일반적으로는 트레이드 오프관계인 글로벌셔터 기능을 동시에 구현하는 것이 가능하게 되었습니다.

 

2. 고해상도의 고속에서 픽셀 리셋 노이즈를 억제할 수 있는 “In-pixel capacitive coupled noise cancellation technique”

OPF 이미지센서는 광전자 변환부와 전하저장부가 금속 플러그들로 연결되어 있는 구조를 갖고 있어서, 축적된 전하를 완전하게 읽어낼 수 없습니다. 그로인해, 픽셀(신호 전하 저장 노드)을 Reset시에 리셋 노이즈에 영향을 받는 문제가 있습니다. 그리고, 8K와 같은 고해상도의 센서는 수직방향으로 정렬된 노이즈 캔슬레이션이 즉시 이루어 져야 하는 4000픽셀을 넘는 큰 부하를 구동해야 합니다. 이 구조로 인해 노이즈 억제에 긴 시간이 소요됩니다.

그래서 우리는 파나소닉의 독창적인 반도체 소자 기술과 새로 개발된 "픽셀 내부의 용량 결합 노이즈 캔슬러"기술을 사용하여 고해상도 픽셀을 구동해야 할 때조차도 고속으로 픽셀 리셋 노이즈를 제거하는 새로운 구조를 개발했습니다. 이러한 구조에서, 리셋 노이즈는 각 픽셀에 제공된 네거티브 피드백 루프를 사용함으로써 고속으로 억제됩니다.


3. 높은 채도특성을 구현할 수 있는 “픽셀 내부의 게인 스위칭 기술”

회로내의 사용가능한 넓은 영역에 캐패시터를 통합한 OPF CMOS 이미지센서로 인해 고감도와 고포화도 모드 둘 다를 하나의 픽셀구조에 실현하고 단지 카메라시스템으로부터 스위칭 하는 것이 가능하게 되었습니다. 고감도 모드에서는 고감도로 4.5k의 전자 광도까지 데이터를 포착할 수 있습니다. 또한, 고포화 모드로 전환하여 450k 전자 광도까지 데이터를 포착 할 수 있습니다.

이런식으로 고포화도 모드에서는 고감도 모드의 10배까지 담을 수 있으므로, 램프 필라멘트의 상세한 와인딩구조(필라멘트가 감긴모양)까지 선명하게 표현하는 것이 가능합니다.

Fig.5와 같은 한여름의 경기장 지붕 아래의 그늘속에 있는 사람의 얼굴표현에서부터, 푸른 하늘과 구름들까지 그리고 Fig.6와 같은 희미한 조명의 방에서부터 햇볕이 잘 드는 정원까지 과다노출나 과소노출 없이 선명한 이미지를 포착할 수 있습니다.



4. OPF에 적용되는 전압을 조절하여 감도를 변경할 수 있는 “전압 제어 감도 변조 기술”

OPF CMOS 이미지 센서는 OPF에 적용되는 전압을 제어함으로써 OPF의 감도를 간단히 변경할 수 있습니다. 이 기능을 이용하면 기존의 실리콘 이미지 센서로는 실현할 수 없었던 다음과 같은 기능을 실현할 수 있습니다.

감도 변조 예제 1 : 8K 해상도에서 모든 픽셀을 동시에 캡처 할 수 있는 글로벌 셔터 기능

OPF에 인가되는 전압의 ON / OFF 제어를 통해 OPF의 감도를 제어함으로써 8K 센서와 같이 많은 픽셀을 구동하는 상황에서도 모든 픽셀을 동시에 촬상 할 수 있는 "글로벌 셔터 기능"을 구현합니다. 글로벌 셔터 기능으로 캡쳐하면 (b)에 보인 것처럼 회전하는 몸체의 문자가 왜곡 없이 쨍하게 읽혀집니다.

또한, Fig.7에서와 같이, 고속도로 주행 또는 산업 검사 시와 같은 고속으로 이동하는 물체를 포착시에도, 왜곡 없는 포착이 가능해집니다.

종래의 글로벌 셔터형 실리콘 이미지 센서에서는 모든 화소에 전하를 동시에 축적하기 위해서 전송 회로 및 전하 저장 캐패시터와 같은 새로운 소자를 추가가 필요했었습니다. 그 결과, 포토 다이오드의 면적과 부가 회로의 면적이 공간적으로 경쟁해야하기 때문에, 화소 사이즈를 작게 할 수 없고, 포화 전자의 양을 늘릴 수 없다는 문제가 있었습니다.

OPF CMOS 이미지 센서의 측면에서는, 별도의 소자가 필요 없기 때문에, 소형화 가능한 픽셀과 함께 고해상도의 센서를 실현할 수 있고, 사용가능한 넓은 영역에 회로부분과 대형 콘덴서를 통합하는 것으로 어두운 영역부터 극도로 밝은 장면까지 왜곡없는 정확한 이미징이 가능합니다.

예를 들면, Fig.9에서 보여주는 바와 같이, OPF CMOS 이미지 센서에서는 밝은 하늘과 어두운 창과 같이 콘트라스트가 높은 장면에서도 고속으로 패닝하면서 건물을 촬영하면, 왜곡없이 전체 영역의 모든 계조를 유지하는 이미지 데이터를 얻는 것이 가능합니다.

감도 변조 예제 2 : 감도를 연속적으로 무단계로 변경할 수 있는 “Electrical ND Filter Technology”

종래에는, 촬영 조건에 따라 복수의 ND 필터를 설치하여 여러 번 바꿀 필요가 있었습니다.
OPF CMOS 이미지 센서에서는 OPF에 인가되는 전압(Fig.8의 VITO)을 제어하고 OPF의 감도를 원하는 값으로 변경하는 것만으로 ND 필터 기능을 전기적으로 구현 할 수 있습니다.
이 기능을 사용함으로써 사진기를 단순화하고 종래의 실리콘 센서로는 실현 될 수 없었던 감도를 연속적(무단계)으로 제어 할 수 있습니다. 따라서 장면에 따른 캡처가 확장되는 것이 가능해집니다.

앞으로는 OPF CMOS 이미지 센서 기술을 방송 카메라, 감시 카메라, 산업 검사 카메라, 자동차 카메라 등 다양한 어플리케이션에 활용하여 고해상도, 고속, 고정밀 영상 및 센싱 기능 실현에 기여할 것입니다.

기술용어 :

[1] 글로벌 셔터 :
모든 픽셀을 동일한 시간에 캡처하여 이미지화 할 수 있는 셔터 조작. 유기 CMOS 이미지 센서는 노광 및 셔터 동작이 행 단위로 실행되는 롤링 셔터 모드에서 작동합니다.

[2] ND 필터
중립 밀도 필터의 약식 이름입니다.
가시 범위의 빛을 고르게 흡수하고 색상에 영향을 주지 않고 빛의 강도만 줄이는 필터입니다.

[3] 감도 변조
광전 변환 효율은 제어에 따라 변화됩니다. OPF CMOS 이미지 센서에서, 광전 변환 효율은 OPF에 인가된 전압을 제어함으로써 변경할 수 있습니다.

[4] 다이나믹 레인지
이미지화 할 수 있는 밝기의 범위.
(밝기의 최대값과 최소값 사이의 비율)

[5] 패닝
일반적인 비디오 캡처 기술인 고정된 카메라로 프레임을 수평 방향으로 이동하여 넓은 장면을 캡처하는 기술.

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작년에 발표되었던 유기센서는 20MP였던데에 반해, 이번에 발표한 유기센서는 36MP로 지금까지 발표되었던 파나소닉의 센서기술의 총망라입니다.

입사각을 60도까지 늘린 마이크로렌즈도 적용되었고, 기본 BSI 구조에 종래의 포토다이오드 대신에 OPF가 적용되었습니다.

센서층과 컬러필터가 가깝기 때문에 Light Shild(격벽, ISOCELL에 사용된 구조)도 없고, 이 OPF레이어와 보호레이어 사이에 LCD에서 사용되는 것과 비슷한 투명한 전극이 위치해 있어서 전자식 ND필터의 역할을 합니다.

그리고 OPF가 기존의 포토다이오드 대비 4/1에서 1/6의 두께라 금속배선을 BSI로 배치하고도 실리콘 구조물의 공간이 넓게 남아 이곳에 전하 저장회로 및 신호전달용 트랜지스터를 배치하는 구조입니다. 뭐 결국 유기센서 구조자체가 공간의 여유가 있어 전자식(전압제어식) ND필터와 글로벌셔터까지 내장한 고 다이나믹 레인지의 8K/60p 센서를 구현할 수 있었다... 뭐 그런이야기 되겠습니다.

여기에서 기존의 센서와 비교했을때의 가장 큰 변화는 역시 전하를 저장하던 포토다이오드가 유기 광전하 필름으로 대치되는 점이겠습니다. 이 유기 광전하 필름 레이어가 기존 포토다이오드 대비 얇은 두께로 더 많은 전하를 저장할 수 있어서 높은 다이나믹레인지를 가진다는 점이겠지요.

GH5에서나 20MP를 달성했고, 현재 포토다이오드 구조의 이미지 센서로는 더 높은 고화소의 센서를 구현하는데 한계가 보이는게 아닌가 싶었는데... 다행히 8K/30p 글로벌셔터 유기센서가 발표되어서, GH6의 전망이 어둡지는 않다고 생각됩니다.

다만, 아직 이 센서의 크기는 발표가 되지 않았죠... 다양한 분야에 적용가능하다고 말하고 있습니다만, 제일먼저 GH6에 적용되길 바래봅니다.