초고속 백사이드 일루미네이션: 초당 100만 프레임 촬영 실현

초당 100만 프레임(fps) 이상의 속도를 자랑하는 초고속 이미징은 과학 및 공학 분야에서 가장 찰나의 순간을 포착하는 데 없어서는 안 될 연구 도구입니다. 하지만 이 같은 속도를 구현하기 위해서는 감수해야 할 트레이드오프가 존재합니다. 대다수 초고속 카메라는 최대 기가픽셀/초(Gpx/sec) 처리량을 달성하도록 설계되며, 프레임 레이트와 해상도 사이에서 절충이 이루어집니다. 예를 들어 25 Gpx/sec 카메라는 1280×800 픽셀 해상도에서 25,700fps를 기록하지만, 해상도를 1280×720으로 낮추면 28,500fps까지 끌어올릴 수 있습니다. 두 조합 모두 처리량은 거의 동일합니다. 100만fps 같은 초고속 프레임 레이트는 극도로 낮은 해상도를 수반하기 때문에 피사체를 식별하기가 더 어려워집니다.

프레임 레이트가 높아질수록 픽셀이 빛을 받을 수 있는 노출 시간은 줄어듭니다. 25,700fps에서 프레임당 최대 노출 시간은 39마이크로초(µs)지만, 100만fps에서는 733나노초(ns)에 불과합니다. 이렇게 짧은 노출 시간을 보상하려면 강력한 조명이 필수적입니다. 실제로 많은 초고속 애플리케이션은 '광량 부족(light-starved)' 상태에 놓이는데, 초고속 프레임 레이트에서 사용 가능한 조명만으로는 이미지 센서에 충분한 빛을 공급할 수 없어 이상적인 이미지를 얻기 어렵거나 특정 용도에서는 비현실적일 수 있습니다.

초고속 카메라 운용자들은 속도·해상도·조명 사이의 균형을 맞추는 데 능숙해졌습니다. 이들은 과학적 이해와 공학적 분석의 지평을 넓히는 놀라운 이미지를 포착해 왔지만, 초고속 이미징의 한계를 밀어붙일수록 이 트레이드오프를 관리하기가 점점 더 까다로워지고 있습니다.

최근 이러한 속도-해상도-감도 제약을 완화하는 기술적 돌파구가 마련되었습니다. 백사이드 일루미네이션(BSI) 방식을 채택한 새로운 초고속 이미지 센서가 개발되었는데, 이는 광자를 포착할 수 있는 픽셀 표면적을 늘려 빛을 더 효과적으로 받아들이도록 했습니다. 덕분에 BSI 센서는 고프레임 레이트가 요구되는 애플리케이션에 훨씬 더 적합합니다. 이 카메라에서는 처리량(최대 프레임 레이트 × 최대 프레임 해상도)이 기존 세대 초고속 CMOS 이미지 센서 대비 3배 향상되었습니다. 신형 센서는 2021년 3월 팬텀 TMX 카메라 시리즈에 처음 탑재되었으며, 가장 빠른 모델은 1280×800 풀 해상도에서 76,000fps를 구현합니다.

초고속 애플리케이션에 BSI 도입하기

그동안 초고속 카메라에 쓰이던 CMOS 센서는 프론트사이드 일루미네이션(FSI) 아키텍처 기반이었습니다. FSI에서는 픽셀의 포토다이오드 위에 금속 배선층이 위치해 입사광을 가립니다. 이 금속 회로가 일부 빛을 차단하거나 반사하므로 필 팩터(fill factor)가 낮아지고 센서 감도가 떨어집니다.

BSI 센서는 금속 스택 위에 두꺼운 캐리어 웨이퍼를 부착한 구조입니다. 이 덕분에 벌크 실리콘을 얇게 다듬어 뒤집을 수 있고, 포토다이오드가 광원을 향하고 금속면이 뒤에 위치하게 됩니다. 초고속 분야에서 BSI 센서가 갖는 두 가지 주요 이점은 필 팩터 향상(빛이 수광면에 직접 도달하는 경로 확보, 그림 1 참조)과 금속 배선층을 두껍게 할 수 있어 처리 속도가 빨라진다는 점입니다.

• 필 팩터 개선: 입사광 포착 효율은 센서의 필 팩터, 즉 픽셀 표면적 중 광자를 포착할 수 있는 비율로 표현됩니다. 일반적인 FSI 센서는 금속 회로가 빛을 가리거나 반사하므로 필 팩터가 50~60%에 머무르며, 마이크로렌즈로 부분 보완합니다. 회로를 뒤로 물린 이 BSI 센서는 필 팩터가 100%에 육박합니다.

• 처리 속도 향상: 픽셀 어레이의 기본 속도는 저항-커패시터(RC) 시정수에 의해 제한되는데, 금속을 추가하면 저항이 줄어들어 속도가 빨라집니다. FSI 센서는 광원이 포토다이오드에 도달해야 하므로 전면 금속 양에 제약이 있어 처리 속도 오버헤드가 발생합니다. 프레임 레이트가 올라가고 해상도가 낮아지면 이 오버헤드 때문에 최대 Gpx/sec 처리량을 낼 수 없습니다. BSI 센서는 이런 제약이 없어 금속 배선을 대폭 늘릴 수 있어 오버헤드를 크게 줄이거나 없앨 수 있습니다. 따라서 초고속·저해상도 조합에서도 최대 처리량을 유지할 수 있습니다.

BSI 센서는 10년 넘게 휴대폰과 일반 디지털카메라에 쓰이며 저조도 성능과 다이나믹 레인지 향상에 기여해 왔습니다. 그런데 왜 초고속 이미징에는 이제야 적용되었을까요? 한마디로 '크기' 때문입니다.

초고속 카메라용 센서와 픽셀은 속도-해상도-감도 트레이드오프를 최소화하기 위해 일반 카메라보다 훨씬 큽니다. 휴대폰 카메라 픽셀이 한 변 2µm 미만인 반면, 이 신형 이미지 센서의 픽셀은 보통 6µm 이상, 최대 28µm에 이릅니다.

BSI 센서 제조 공정은 동급 FSI 센서보다 본질적으로 어렵고 추가 공정이 필요합니다. 벌크 실리콘을 제거해 포토다이오드를 광원에 가깝게 가져오는 웨이퍼 백쓰닝(backthinning) 공정, 웨이퍼 뒷면에서 표면을 어닐링하고 전면으로 전기 콘택을 형성하는 추가 공정 등이 있습니다. 초고속 이미지 센서의 큰 크기는 제조 난도를 더욱 높입니다. 반도체 경제성 측면에서도 일반 카메라의 대량 생산 라인에서 검증된 기술을 초고속 센서의 소량 생산으로 이전하기가 쉽지 않았습니다. 제조 공정을 완성하고 실용적인 수율을 확보하는 데 오랜 시간이 걸렸습니다.

BSI 이미지 센서는 기다릴 만한 가치가 있었습니다. 이 센서는 다음 분야에서 새로운 기준을 제시합니다:

• 속도. 이 센서를 탑재한 첫 카메라는 1280×800 풀 1메가픽셀 해상도에서 76,000fps를 기록하며, 해상도 축소와 비닝(binning)을 통해 100만fps 이상의 속도도 구현합니다. 예를 들어 1280×32 해상도와 640×64 픽셀 비닝에서 175만fps에 도달합니다. 과거에는 100만fps 이상의 해상도가 거의 모든 과학 용도에 부적합했지만, 1280×32는 다양한 응용 분야에서 실질적으로 활용 가능한 해상도입니다.

• 노출 시간. 신형 센서는 수출 통제 대상인 FAST 옵션으로 최소 95ns의 초고속 노출을 지원합니다. 이러한 빠른 노출 덕분에 세포측정학(cytometry)과 연소 분석 등 광범위한 분야에서 모션 블러 없이 더 빠른 현상을 포착할 수 있습니다.

• 픽셀 크기. 광량 부족 환경에서 초고속 카메라는 최대한 많은 광자를 모으기 위해 매우 큰 픽셀을 써왔습니다. 기존 FSI 초고속 센서는 한 변 28µm(면적 784µm²) 픽셀을 사용했습니다. 신형 BSI 센서는 18.5µm 픽셀을 쓰지만, 빛 포착 능력이 뛰어나 3배 빠른 속도에서도 28µm FSI 센서와 비슷한 감도를 냅니다. 픽셀이 작아지면 샘플링 주파수(나이퀴스트)가 향상되어 앨리어싱 전 더 높은 공간 주파수(lp/mm)를 분해할 수 있습니다. 이는 유세포 분석, 입자 영상 속도계(PIV), 디지털 영상 상관(DIC) 등 센서 분해능이 제한 요소인 초고속 애플리케이션의 성능을 높여줍니다.

BSI 그 이상

신형 이미지 센서 설계의 성능 도약은 주로 BSI 아키텍처 덕분이지만, 그 밖에도 BSI만으로는 달성하기 힘든 성능 향상을 이끄는 여러 설계 특징이 있습니다. 특히 막대한 양의 이미지 데이터를 초고속으로 읽어내고 처리량을 높이는 데 초점을 맞췄습니다.

아날로그-디지털 변환(ADC) 과제 해결. CMOS 이미지 센서에 ADC를 내장하는 것은 표준 관행이지만, BSI 센서의 속도를 뒷받침하려면 ADC 수를 대폭 늘려야 했습니다. 최신 CMOS 이미지 센서에 보통 1,000~10,000개 ADC가 탑재되는 반면, 신형 BSI 초고속 센서에는 40,000개 ADC가 있으며 각각 523ns마다 변환해 센서에서 대량의 데이터를 오프로드해야 합니다. 이를 위해 5Gbps 이상으로 동작하는 160개의 고속 직렬 출력을 구현했습니다. 이 기술은 CPU와 FPGA에서는 일반적이지만 초고속 이미징 센서에는 처음 적용되었습니다.

신형 센서의 고밀도 ADC는 전력 관리와 전기적 크로스토크 문제를 야기했는데, 설계 및 양산 파트너인 포르자 실리콘(Forza Silicon)의 도움으로 해결했습니다. 시뮬레이션으로 센서 성능을 예측하는 것이 보통이지만, 이 센서는 시뮬레이션에 수 주일이 걸릴 정도였습니다.

포르자는 시뮬레이션 단순화와 실측 대비 예측 결과 분석을 통한 빠른 설계 수정에 풍부한 경험을 보유하고 있습니다. BSI 센서 초기 설계 테스트에서 시뮬레이션 툴이 예측한 것보다 일반 이미징과 비닝 모드 모두에서 ADC 크로스토크가 더 심하게 나타나 이미지 아티팩트가 발생했습니다. 포르자 엔지니어들은 크로스토크가 예측 가능한 패턴을 보임을 발견하고, 이를 제거하는 모델링 기법을 개발해 이미징 아티팩트를 완화했습니다.

최대 처리량을 위한 비닝. 센서는 2×2 비닝을 지원해 더 빠른 속도에서 처리량을 극대화합니다. 비닝은 초고속 센서에서 흔치 않지만, 이전 두 카메라에서도 구현한 바 있습니다. 이는 센서의 컬럼 ADC 아키텍처 한계를 완화해 단순히 Y 차원을 줄이는 것보다 더 빠른 속도를 가능케 합니다. CCD 카메라에서 비닝이 주로 감도 향상에 쓰이는 것과 달리, 여기서는 속도 향상에 활용되었습니다.

BSI의 차별성

BSI는 새로운 기술이 아니며, 일반 카메라와 휴대폰 카메라에서 큰 성공을 거둔 바 있습니다. 이를 초고속 이미징에 접목함으로써 광량 부족 조건에서 속도의 한계를 뛰어넘는 센서가 탄생했습니다.

이 기사는 라두 코를란(Radu Corlan) 수석 과학자, 케빈 간(Kevin Gann) 비전 리서치 R&D 부문 부사장(미국 뉴저지주 웨인), 록 트루옹(Loc Truong) 포르자 실리콘 엔지니어링 부사장(미국 캘리포니아주 패서디나)이 공동 집필했습니다. 자세한 정보는 케빈 간(이메일 주소는 스팸봇으로부터 보호 중, 자바스크립트 활성화 필요)에게 문의하거나 여기를 방문하세요.