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미원 서문
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CMOS Image Sensor 기술동향보고서 한동희조사분석 4팀 I. 서론 CMOS 이미지센서가카메라폰의핵심부품으로자리매김하면서시장이급격히팽창하고있고이에따른특허출원이급증하고있다. 일본업체는최근까지 CCD에주력하고있었지만최근도시바와샤프등의업체가 CIS 시장에진출한것으로알려지면서 CCD와도이미지센서시장에서경쟁할것으로예상되고있다.

1 CMOS Image Sensor 기술동향보고서 한동희조사분석 4팀 I. 서론 CMOS 이미지센서가카메라폰의핵심부품으로자리매김하면서시장이급격히팽창하고있고이에따른특허출원이급증하고있다. 일본업체는최근까지 CCD에주력하고있었지만최근도시바와샤프등의업체가 CIS 시장에진출한것으로알려지면서 CCD와도이미지센서시장에서경쟁할것으로예상되고있다. IT 시장조사업체인 MDR에따르면세계 CIS 시장이 2006년에는 CCD의점유율을넘어 6 억달러규모가될것으로예측하고있으며, 통신산업이발달하고, CIS의기술발달에따라 PC 용카메라, 캠코더, 비디오게임기기, CCTV, 의료용마이크로카메라등에도수요가상당할것으로예상하고있다. 이에따라 CIS와 CCD의기술적차이점과 CIS 가보완해야할과제, 각국의특허출원동향을알아보도록한다. II. 기술개요 1. 개발연혁 CMOS Image Sensor(CIS : Contact Image Sensor 라고도함) 는 1967년 FairChild, RCA 등이활발히개발을하기시작하였다. 그후, 1979년 Hitachi 가개발에주력을하였지만, Fixed Pattern Noise (FPN) 를비롯한각종 noise로인해화질이 CCD에비해열등하고회로의복잡하여 chip size가커서 Packing Density 가낮았다. 또한비용면에서도 CCD에비해그다지차이점이없다는이유로 1989 년, MOS형센서의개발을포기하고 CCD 로전환하였다. 이후 1990년 NHK/Olympus에서 amplified MOS Imager (AMI) 를발표하였고, 1993년 edinburgh 대학에서최초의 CMOS type Camera chip을발표한이후로같은해 JPL에서 CMOS type Active Pixel Sensor(APS) 를발표하고 1995년미국대학및연구기관에서본격적인 CMOS Image Sensor 에대한개발이시작되었다. 2. 기술요지 2-1. CIS의특징 CIS는하나의단위 Pixel Cell의내부에하나이상의 Tr. 과 Photo Diode 로이루어진다. 평면상으로나열된 Photo Diode의광전변환에의한전하를 MOS Tr. 로증폭하고 Switch -1-

2 회로로 1화소씩 Readout하는 Image Capture Device 로서각화소마다증폭기능을가진다. 때문에, 광전변환부에축적된전하를 Analog Shift Register로전송하는 CCD(Charge Coupled Device) 와달리, 고감도및 High SNR 을얻을수있는가능성이크고, 수평, 수직 의신호선을각각하나씩선택해서임의의화소를 Readout할수있는 Random Access 기 능을갖는다. 가.CCD의특징 CCD 에의한촬상소자는축적된전하가시프트레지스터를통해증폭회로로전송되므로, 거의완전한전하의전송특성이요구된다. 따라서, 감도문제로인해 Cell Size의축소가어 렵고, High Speed 가곤란하며, 낮은조도에서감도가저하되는단점을가지고있다. 또한, 독자의 불순물 Profile을 사용하기 때문에 주변 Logic Processor와의 정합성이 나빠 On-Chip 화가매우어렵고, ADC등의구동회로가요구되고이로인해 Cost Down에한계가 있다. 나.CIS의장점반면에, CMOS Image Sensor는표준 CMOS Processor 기술에기반을두고있기때문 에 wafer 공정을통하여대량생산이가능하며, 칩사이즈의소형화, 주변의구동회로를포함 한 On-Chip 화, 저전력, 신호전하에비례한전류를증폭으로미약한조도에서도촬상이가 능한특성을가진다. 통상의이미지센서는픽셀이들어있는시그널칩들로구성되어있으며, SOC 칩하나에 amplifier, A/D converter, internal voltage generator, timing generator 그리고 digital logic 등이결합되며, 이로인해공간과전력그리고비용절감에큰장점을갖고있다. CCD CIS 전력소비 300mW 50mW 전력공급모드 15V / 5V-9V Single Voltage 시스템통합 최소3개의칩 System on Chip(1 Chip) 화질 좋음 개선중 The advantages of CMOS image sensors include ( 장점) (1) 낮은전력기능, 단독전압전류, 낮은전력소비 (2) 통합된 CMOS 회로와의양립성 (3) 영상데이터의랜덤엑세스 (4) 스탠다드 CMOS 기술의이용함으로써비용감소 다. 단점 2-2. CMOS 이미지센서품질에영상을끼치는요인가. 노이즈, 저조도 30만화소급카메라폰과달리 100만화소급카메라폰의경우 CMOS의화소면적을더작게하면서상대적으로포토다이오드의수광면적효율을높여야하는기술적어려움과, -2-

품질저하에따른노이즈 저조도등의문제를쉽사리해결하지못해카메라모듈수율이 60% 내외에머물고있는것으로알려지고있다. 나. Q SAT CCD 에서다룰수있는신호전하의양은설계, 공정에의하여일정하게정해진다. 이러한이유로 CCD에서최대로다룰수있는신호전하의양을 saturation signal charge라하며 PD, VCCD, HCCD 에서다룰수있는신호량은각각다르다.

Smear Smear는입사하는빛이 CCD의 PD에수직이아닌어느이상의각을가진경우에인접한 pixel로스며들어나타나는현상으로영상을통하여보면광원을중심으로위-아래로빛에대한꼬리를끄는모양으로나타난다. 마.

3 품질저하에따른노이즈 저조도등의문제를쉽사리해결하지못해카메라모듈수율이 60% 내외에머물고있는것으로알려지고있다. 나. Q SAT CCD 에서다룰수있는신호전하의양은설계, 공정에의하여일정하게정해진다. 이러한이유로 CCD에서최대로다룰수있는신호전하의양을 saturation signal charge라하며 PD, VCCD, HCCD 에서다룰수있는신호량은각각다르다. 그양의크기는 PD < VCCD < HCCD으로설계한다다. Blooming Blooming은광원주위가훤하게퍼져보이는것으로신호전하의양이 CCD에서다룰수있는양보다많을때나타나는현상이다. 라. Smear Smear는입사하는빛이 CCD의 PD에수직이아닌어느이상의각을가진경우에인접한 pixel로스며들어나타나는현상으로영상을통하여보면광원을중심으로위-아래로빛에대한꼬리를끄는모양으로나타난다. 마. VOFD(Vertical Over Flow Drain) 입사한빛에의하여생성된신호전하의양이아주많은경우에발생하는 blooming과 smear< 이에대한영향도있음> 에대한문제들을해결하기위하여사용되는방법으로필요이상의양에대하여수직방향< 기판쪽> 으로전하를빼어주는방법이다. photo diode에입사한빛의양이많을때 PD에서다룰수있는양보다아주많으면 PD 영역에서 VCCD 로넘치게된다. 이렇게되면 blooming이생기게되는데이러한현상을방지하기위하여반도체의뒷면으로넘치는양을빼주기위하여기판에전압을가한다. 이전압에의하여 PD 에서넘치는양은다음그림과같이흐르게된다. 이와같이포화량이상의양을얼마나잘빼주느냐에따라 blooming 능력이우수한지아닌지를평가할수있다. 바. Sensitivity CCD 에서감도는매우중요한특성가운데하나이다. 한개의 photon에의하여생성된 EHP 에대하여전자를얼마만큼의전위차로읽어낼수있는가하는것이다. 감도대조도의특성을아래에그림으로나타내었다. -3-

이가운데결함과공정중에발생하는오염등에의하여나타나는 white defect는ccd 에의한영상을볼때하얀점들로나타나보이는결함이다.

4 사. DEFECT CCD에서중요한특성가운데하나인 defect 에는여러가지가있다. 그가운데가장중요한몇가지를살펴보면 white defect( 백점), black defect( 흑점), white line( 백선), black line( 흑선) 등이있다. 이가운데결함과공정중에발생하는오염등에의하여나타나는 white defect는ccd 에의한영상을볼때하얀점들로나타나보이는결함이다. black defect는공정중에발생하는문제로 pixel 영역에이물질등에의하여입사하는빛을다른 pixel 과비교하여적게받아들일때화면에검은점의형태로보이는것이다.white/black line이나타나보이는것은 poly와 poly 사이의문제, CCD의 V-H interface 영역의 narrow channel effect 등에의하여나타나는결함이다. 아. LAG LAG는잔상으로사람이어떤물체를보고다른물체를보았을때방금전에본영상이남아보이는것과같은것으로 CCD 에서잔상은돗자리형태로나타나는결함이다. reference picture smear -4-

5 III. 특허동향분석 키워드를이용해추출한자료중한국과일본은출원일을기준으로 2002년도출원까지 1135/975 개, 미국은등록일기준으로 792 개를추출하고다출원/ 다등록을기준으로 5개사를선정하여분석하였음. 1. 한국키워드를이용해 1536개의특허를검색하고도면과요약을참고하여 CCD 뿐아니라, CIS의제조가아닌 CIS를이용한장치에관한특허도분석의대상에서제외하여 1219건을 추출하고, 최종적으로 2002년출원까지로제한하여 1135 건의특허를분석에이용하였음 기업별출원동향 삼성 NEC Sony 동부전자 Hynix 총계 한국은하이닉스가삼성전자와동부전자보다매우많은격차를보이고있다. 위의그래프에서총계와하이닉스의출원이오른쪽보조축을이용하여표시되었으며, 하이닉스가전체출원의57.7% 를차지하여한국의전체출원동향에큰영향을끼치고있음. -5-

6 1-2. IPC 별출원동향 H04N 12% 7% H01L 81% CIS 관련출원은대부분 H01L과 H04N 1) 에분류되어있다. 한국의특허는위와같이 H01L에 81% 의출원이이루어지고있어, 데이터의전송이나회로의구성에관한발명은상대적으로적은것이특징이다 IPC별출원인분포전체 1135건의출원중 H01L은 921, H04N에 139건으로두분야에 93. 의출원이몰려있으므로, 출원인분포는두분류만을살펴보기로한다. H01L Sony 동부전자 2% 17% NEC 삼성 7% 하이닉스 66% 하이닉스삼성 NEC Sony 동부전자 1) H01L : 반도체장치 H04N : 화상통신 -6-

7 H04N 43% 하이닉스 35% Intel 픽심 삼성전기 7% 삼성 7% 하이닉스삼성삼성전기픽심 Intel 하이닉스가두분류모두에서월등히앞서고있으나, H04N에서는 2위인삼성과의출원격차가많이줄어있다. H01L에서높은순위를기록한 NEC와 Sony역시 H04N에서는상대적으로줄어들어있으며, 그원인이일본과한국의 IPC 부여방식의차이에기인하는지, 아니면이미지센서의구동기술에관해서일본기업이한국에출원하는것을꺼리는지는정성분석을통해확인해야할것이다 국가별분포 일본 15% 미국 5% 3% 한국 77% 하이닉스가전체의 57% 를차지하고있고나머지한국기업의출원은 20% 수준으로일본과상대적으로비슷한편으로, 하이닉스의출원이한국의전체출원에미치는영향이매우큼. -7-

8 건당발명자수와청구항수 하이닉스 삼성 NEC Sony 동부전자 전체 1 건당발명자수 1 건당청구항수 가장많은출원을보이는하이닉스의 1건당발명자수는 1.3명으로상대적으로적은편이며, 일본의 NEC와 Sony 가평균을웃돌고있다. 기업별특허 1건당청구항의수는발명자의수와 Correlation( 상관관계) 2) 이 ) 로서높은상관관계를보여주고있다. 발명자의수는출원을완성하기위한기업의투자규모를엿볼수있는측면이있기도하고, 발명자의개인역량에따라좌우되기도하므로, 큰의미를부여할수없으며, 청구항의수는기업의특허관리방식에의해많은청구항이부여되거나아닐수도있으므로, 기업의특허관리마인드를살펴볼수있지만, 발명자수가매우작은편차를갖고있으므로청구항수와의상관관계에큰의미를부여하는것은오차가매우클수도있으므로주의해야한다. 2) 상관관계는변수들의공분산에좌우되며, - 두변수가같은방향으로움직이면정(+) 의상관관계 - 두변수가반대방향으로움직이면부(-) 의상관관계이고 r 0.2 이면관계가없거나무시해도좋은수준, 0.4 정도이면약한관계, 0.6 이상이면강한상관관계로볼수있음. 3) 본계수는전체출원인을대상으로구한상관계수가아니라, 상기의다출원 5개사와전체출원에 대한값의상관계수임. -8-

9 2. 일본 키워드를이용해 3763개의특허를검색하고도면과요약을참고하여 CCD나 CIS 의제조가아니라, CIS를이용한 application은분석의대상에서제외하여 992건을추출하고, 2002년출원까지로제한하여 975 건의특허를분석하였음. 4) 2-1. 기업별출원동향 Toshiba Canon Sony Fuji Xerox NEC 전체 2-2. IPC별출원동향5) 5% H04N 37% H01L 58% 4) 일본의특허건수가상대적으로적은이유로, 한국과미국은전문검색을통해대상건을추출하였으나, 일본은 IPC 와제목, 요약을이용해검색하였기때문에분석에포함되지않은특허가많은반면, 검색된특허의대부분은분석에이용가능하였음. 5) 복수 IPC가부여된특허는주IPC 코드만을분석에이용함. -9-

10 일본은한국에비해상대적으로 H04N 의비중이높으며, IPC만으로특허의내용을가늠할수있지는못하므로, 한국에비해제조공정에관한비중이낮다고말하기엔부족한면이있다 IPC별출원인분포 H01L Fuji Xerox 7% Canon 8% Mitsubishi 5% NEC 6% Sony 7% Toshiba 12% Hynix 5% 50% Sharp Mats us hita Fujitsu 38% Toshiba Canon Fuji Xerox Sony NEC Mitsubishi Hynix Fujitsu Mats us hita Sharp H04N Mats us hita 5% Toshiba 8% Fuji Xerox 6% Sony 9% Victor 5% Canon 10% 57% Hitachi Minolta Olympus KANEGAFUCHI CHEM. Canon Sony Toshiba Fuji Xerox Matsushita Victor KANEGAFUCHI CHEM. Olympus Minolta Hitachi 41% 그래프가보기힘들게작성이되었으나, 몇몇주목할만한사항으로, H01L의출원에서상위에랭크되어있으나, H04N 에서는빠져있는하이닉스와, H01L 에서는보이지않지만, H04N에다출원기업으로포함되어있는 Canon, Sony, Olympus 6) 가눈에띈다. 6) 디지털카메라제조업체들임. -10-

11 2-4. 국가별분포 US 7% KR 5% 2% JP 86% 건당발명자수7) Toshiba Canon Sony Fuji Xerox NEC 전체 한국에서 1건당발명자수 15.14였던 NEC는자국에서는 1.39로평균이하인것이특징이며, NEC는해외에출원하는특허의건당발명자수가자국에출원한특허의건당발명자수보다월등히높음을알수있다. 일본내에서가장많은출원을한 Toshiba가 1건당 3.33명으로높은발명자수를보이고있으며, 한국에의출원은 NEC의절반도못미치는 19 건으로매우적다. 8) 7) 분석에이용한 DB 에는일본특허의청구항수에관한데이터가빠져있어, 한국과미국에출원된특허를분석하는것으로대신하였음. 8) NEC의특허는한국출원동향참조 -11-

12 3. 미국 3-1. 기업별동향 Intel Silverbrook Kodak Hynix Amkor 전체 서론에언급한대로미국은 95년에본격적인연구를시작하여 97년이전의등록량은거의없고, 일본기업의출원이간간이이어지고있었음 국가별분포 JP 12% KR AU 5% US 75% US JP KR AU -12-

13 건당발명자수 Intel Silverbrook Kodak Hynix Amkor 전체 1 건당발명자수 미국은특허법제도의차이로인해일반적으로청구항수가많은편이며, Silverbrook과 하이닉스가발명자수나청구항수에서비슷하게낮은수치를보여주고있다. 미국에서의발 명자수와청구항수상관계수는 0.552로서한국의 보다는낮지만, 그둘의관계가무 관하지않음을보여주고있다. 등록수발명자수참조수 청구항수 1건당발명자 1건당참조 1건당청구항 전체 상위 5개사 위의표를참고하면, 등록특허가많은기업의 1 건당발명자가평균보다조금낮고, 건 당참조특허의수는평균과큰차이를보이지않는다. 단참조특허의경우등록연도를반영하지않았으며, 상위 5개사의특허가등록수가급증 한 97 년이후에다수포진해있으므로, 다출원 5개사의인용횟수는앞으로높아질여지가 충분하다. 출원당발명자수비교 한국 자국 미국 하이닉스 NEC Toshiba 기업들이자국에출원하는특허와, 지차이를보여주고있다. 타국에출원하는특허의발명자수가많으면두명까 -13-

14 하이닉스가국내에출원한특허의 1건당발명자수 1.29명을하이닉스출원의전체평균 값이라고가정하면, 일본에출원하는특허의발명자수평균은 1.67 명으로높은수치이다. NEC의한국출원은평균보다높은 1.74 명이지만, 자국출원( 전체평균) 은 1.39명으로차 이를보이고있다. 반대로 Toshiba는자국에출원한특허의평균발명자수가 3.33 명으로높은편이지만, 한국에출원한특허의발명자수는 2.16 명, 반대로미국출원특허의발명자수는 4.30명으로 한국에비해두배의인력이소요되는것으로파악된다. III. 결론 지금까지한국과일본의특허출원과, 미국의등록특허를출원량과, IPC 별분포, 발명자와청구항의수에중점을두어통계분석을시도해보았다. 한국은하이닉스를중심으로매우많은출원량을보여주고있고, 보도자료에의하면하이닉스의비메모리부문은올해예상매출이 10 억달러로가장빠르게성장하는분야이며, 전세계 CIS 시장의 25% 를점유하는것을목표로하고있다고한다. 하지만한국의기업이출원에있어서양적인우위를보여주고있다고는하나, 청구항수가전반적으로적은편이어서실제권리범위를얼마나보유하고있는지의여부는정성분석을통하여확인할필요가있다. 이는한국특허정보원에서제공하는 Patent Map 의 기술선점도 등다양한분석을이용해확인이가능하다. 한국에서는외국기업의출원점유율이 23%, 미국에서는 25% 를점유하고있으나, 일본에서한국을포함한외국기업이 1 정도로자국의출원비중이높다. 따라서일본시장에서의기술선점을위해많은출원이필요한것으로풀이된다. -14-

15 [ 별첨] CMOS Image Sensor 용어해설 Correlated Double Sampling(CDS) Low frequency NOISE 제거를위한신호추출방법.Pixel에서신호를 Sampling 할때, Reset & Integrating시신호를각각읽어들여 Reset noise와 DC Offset을빼주기위함이 다. Dark Current [pa/cm2] or [na/cm2] Definition ; Idark = (Signal Charge / Integration time) =i t,typicallyunderthe1na/cm2.c.f.:darklevel,(q=cv) Q Dynamic Range : [db] Definition ; = 20 log [Saturation Signal / Dark Signal (rms Noise floor)], typically 60 ~ 70 db. Fill Factor (Aperture Efficiency) : [%] Definition ; = Light Sensitive Area / 1 pixel Area ) X 100 Fixel Pattern Noise (FPN) : 전하 transfer circuit과 source follower circuit을구성하는 Tr의 threshold mismatch 에의해주로발생함. 이는 dark 상태에서 system gain 을높이면눈으로식별가능하다. Gain type FPN 은 pixel size 가작을때 pixel의 geometry 변화에의해발생한다. Reset Noise (ktc Noise) : 개별 pixel 로부터신호를 Readout 한후, Reset 할때발생하는 thermal noise. k : Boltzmann constant, T : Kelvin, C : Junction Capacitance. Quantum Efficiency : [%] Definition = (Photo - generated electrons / Incident photons on the pixel Area) X 100 일반적으로양자효율(quantum efficiency) 라함은입사된 photon 1개당생성되는 EHP 의개수를의미한다. -15-

16 본리포트에대한상세특허정보DB를신청하고자하거나문의사항이있으신분은한국특허정보원( 으로연락주시기바랍니다. Tel : ( 교521) Fax : Homepage : 한국특허정보원 Kipris 온라인서비스 선행기술조사본부

Microsoft PowerPoint - 카메라 시스템

Microsoft PowerPoint - 카메라 시스템 카메라 시스템 中 I. CMOS Image Sensor CCD / CIS @ CCD와 CMOS 이미지센서는 광검출 방식에 있어서 모두 p-n 포토다이오드 (photodiode)를 이용한다. 그러나 CCD와 CMOS는 포토다이오드에서 광 검출을 통해 출력된 전자를 전송하는 회로에 있어서 근본적으로 전혀 다른 방식을 채택하고 있다. @ CCD는 개개의 MOS (metal