광전자 증배를 통해 어두운 곳에서도
세밀한 계조의(high-gradation) 컬러 이미지를 구현

파나소닉 코퍼레이션이 각 화소에 애벌란치 포토다이오드(avalanche photodiodes, APD) *1를 적용한 CMOS 이미지 센서(APD-CMOS)를 개발했다고 오늘 발표했다. 이 회사는 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. 

*1 약한 조명(소수의 광자)에서 대량의 전기 신호를 취득할 수 있는 포토다이오드. 대출력 신호는 광전 변환층에서 생성되는 광전자를 증배시켜 얻을 수 있다. 
*2 증배 기능이 없는 이미지 센서와 비교(2016년 2월3일 파나소닉 자체 연구 결과) 


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 있다. 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. 

이 제품의 특징은 4000만/lux·초·μm2 (일반 장치 대비 1만 배)의 고감도 컬러 영상과 100 dB (일반 CMOS 이미지 센서 대비 40 dB이상)의 넓은 다이내믹 레인지를 제공한다. 

개발은 다음과 같은 기술을 기반해 실현됐다. 광전 변환부에 애벌란치 포토다이오드와 충전 스토리지를 결합해 생성된 색상 정보를 포함한 광전자를 증배하는 동시에 축적하는 APD 화소 설계 기술이 적용됬으며 APD에 적용된 전압을 제어함으로써 1/1000 초 안에 증배를 제어, 조도 변경에 따라 변화하는 30-fps의 동영상 촬영을 구현하는 가변 감도 기술을 제공한다. 

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. 

이번 개발 결과는 2016년 2월 1일 샌프란시스코에서 개최된 ‘2016 국제고체회로학회’(2016 International Solid-State Circuits Conference)를 통해 발표됐다.