CMOS, BSI CMOS, Stacked CMOS, and Global Shutter

디지털 카메라와 스마트폰 카메라에서 이미지 센서는 매우 중요한 역할을 한다. 현재 대부분의 카메라에는 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 센서가 사용되며, 이 기술은 지속적으로 발전해 왔다. 초기의 CMOS 센서는 점점 더 진화하여 BSI CMOS(Backside Illuminated CMOS, 후면 조명 CMOS) 및 Stacked CMOS(적층형 CMOS) 센서로 발전했다.

이 글에서는 이러한 센서들의 차이점과 각 기술이 어떤 이점을 제공하는지 알아본다.

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기본 CMOS(전통적인 CMOS)

CMOS 이미지 센서는 전자 회로가 포함된 실리콘 기판 위에 광 다이오드(픽셀)를 배치하는 방식으로 설계된다.
이전 세대의 CMOS 센서에서는 배선(금속층)이 픽셀 앞면에 위치해 있어, 들어오는 빛의 일부가 차단되는 문제가 있었다. 즉, 픽셀 자체가 빛을 충분히 받지 못하는 구조였다.

이러한 설계는 제조가 간단하고 비용이 저렴하다는 장점이 있지만, 감도(sensitivity)가 낮고 저조도(low-light) 성능이 부족하다는 단점이 있었다.
즉, 어두운 환경에서 촬영할 경우, 노이즈가 증가하고 이미지 품질이 저하될 가능성이 높았다.

기본 CMOS 센서의 특징

✔ 저렴한 제조 비용
✔ 낮은 전력 소비
✔ 빛이 배선에 의해 일부 차단됨 → 감도 저하
✔ 저조도 환경에서 성능이 떨어짐

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BSI CMOS(후면 조명 CMOS)

BSI CMOS(Backside Illuminated CMOS) 센서는 기존 CMOS 센서의 단점을 해결하기 위해 픽셀 구조를 반대로 배치한 기술이다.
즉, 광 다이오드가 배선 뒤쪽에 배치되도록 설계를 변경하여 빛이 직접 픽셀에 도달할 수 있도록 만들었다.
이 방식은 광 흡수율을 증가시키고, 더 많은 빛을 감지할 수 있도록 개선하여 감도를 높였다.

이로 인해 BSI CMOS 센서는 저조도 환경에서도 뛰어난 성능을 발휘하며, 노이즈 감소 및 색 재현력 향상이라는 이점을 제공한다.
스마트폰, 미러리스 카메라, DSLR 카메라 등 고급 이미지 센서 기술이 필요한 제품에서 널리 사용된다.

BSI CMOS 센서의 특징

✔ 픽셀 구조를 반전시켜 빛이 직접 감지됨
✔ 감도가 향상되어 저조도 환경에서도 뛰어난 성능 발휘
✔ 노이즈가 감소하고 색 재현력이 개선됨
✔ 제조 비용이 기존 CMOS보다 약간 높음

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Stacked CMOS(적층형 CMOS)

Stacked CMOS(적층형 CMOS) 센서는 BSI CMOS에서 한 단계 더 발전한 기술로,
픽셀 부분과 신호 처리 회로를 각각 독립적인 층(layer)으로 분리하여 적층(stack) 하는 방식이다.

일반적으로 픽셀(광 다이오드) 레이어는 상층부에 배치되고, 이미지 신호 처리(ISP, Image Signal Processing) 및 메모리 레이어는 하단부에 위치한다.
이러한 설계를 통해 신호 처리 성능을 더욱 향상시키고, 전력 소비를 줄이며, 고속 데이터 처리를 가능하게 한다.

특히 스마트폰, 드론, 고속 카메라 등에서 빠른 프레임 속도(fps)와 저전력 동작을 요구하는 제품에서 널리 사용된다.

Sony와 Samsung 같은 주요 이미지 센서 제조업체들은 Stacked CMOS 센서를 개발하여, 고해상도와 고속 촬영을 지원하는 프리미엄 스마트폰과 DSLR 카메라에 적용하고 있다.

 

3차원 적층 기술은 픽셀 어레이가 있는 센서 칩과 별도의 신호 처리 회로 칩을 수직적으로 적층 연결하는 기법입니다. 전통적인 단일 칩 CMOS에서는 모든 픽셀 신호를 칩 가장자리까지 보내 처리해야 했지만, 적층 센서에서는 픽셀 바로 아래에 로직 회로층을 배치함으로써 신호 경로를 극도로 단축할 수 있습니다​. 이를 통해 고속 판독이 가능해져 센서 출력 프레임레이트를 크게 높일 수 있고, 고해상도에서도 읽기 속도를 개선하여 롤링 셔터 왜곡을 줄이는 이점이 있습니다​. 예를 들어 소니의 적층 CMOS 센서는 픽셀 층 + 신호처리 층 + DRAM 등을 적층하여 일시적인 온칩 프레임 메모리를 구현, 초당 수백 프레임의 고속 촬영이나 순간적인 버스트 촬영을 지원합니다. 또한 적층 구조 덕분에 픽셀 영역과 회로 영역을 각각 최적 공정으로 제작할 수 있어 (예: 픽셀은 저층 공정, 로직은 미세 공정) 센서 성능과 집적도를 동시에 높이는 추세입니다

Stacked CMOS 센서의 특징

✔ 픽셀 레이어와 신호 처리 회로를 분리하여 성능 최적화
✔ 고속 신호 처리 가능 (초당 프레임 속도 증가)
✔ 전력 소비 감소
✔ 카메라 모듈을 더 작게 설계 가능 → 스마트폰 등 소형 기기에 유리

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결론: 어떤 CMOS 센서가 가장 좋은가?

현재 대부분의 스마트폰과 고급 카메라는 Stacked CMOS 또는 BSI CMOS 센서를 사용하고 있다.

• 가장 저렴한 옵션: 기본 CMOS
• 저조도 성능이 중요한 경우: BSI CMOS
• 최고의 성능과 고속 처리를 원한다면: Stacked CMOS

특히, 최신 프리미엄 스마트폰과 DSLR, 미러리스 카메라는 대부분 Stacked CMOS 센서를 채택하고 있으며, 향후 AI 기반 이미지 처리 및 고속 촬영 기술이 발전함에 따라 더욱 발전할 것으로 예상된다.