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1.1. 개요
En: Charge-Coupled Device / 한: 전하결합소자 / 漢: 電 荷 結 合 素 子CCD 센서는 빛을 전하로 변환시켜 이미지를 얻어내는 센서이다. CCD 기술을 개발한 공로로 개발자인 윌러드 보일(Willard S. Boyle)과 조지 스미스(George E. Smith)는 2006년 찰스 스타크 드레이퍼 공학상을 수상하고, 2009년 노벨물리학상을 수상했다.
엄밀하게 CCD는 보다 넓은 의미에서 전하를 이동시키는 소자로서, 주로 소자 내부에서 전하를 조작(디지털화 등)할 수 있는 영역으로 옮기는 역할을 한다. CCD 센서는 이 CCD를 응용하여 광다이오드를 어마어마하게 많이 박아서 빛을 전하로 전환시켜 그 전하를 다시 디지털화하여 디지털 이미지를 얻을 수 있게 하는 센서를 말한다.
그런데 CCD가 디지털 카메라, 스캐너, 캠코더와 같은 영상 장치의 촬상소자로 사용되는 CCD 센서에 가장 많이 사용되고 있고 산업적 활용도도 워낙 높다 보니 원천기술인 CCD보다 CCD로 만든 촬상소자인 CCD 센서가 CCD를 대표하는 용어가 되어버렸다. 다만 최근에는 촬상소자 용으로 CMOS 센서가 더 많이 탑재되고 있다. 2010년 이후의 촬영장비엔 거의 대부분 CCD가 아닌 CMOS가 들어가고 있다고 보면 된다.
다만 CCD는 구조상 한번에 모든 픽셀을 동시에 촬영하는 글로벌셔터 방식인 반면에, CMOS는 한 줄씩 시간차를 두고 촬영하는 롤링셔터 방식이 대부분이라 피사체가 고속으로 움직이는 경우에는 상이 일그러지는 젤로현상이 일어나기 때문에 용도에 따라서는 CCD가 필수인 경우도 있다. 최근에는 기술의 발전으로 글로벌셔터 방식의 CMOS도 개발되었지만 마찬가지로 CCD도 화질의 급격한 향상을 이루어내면서 앞으로의 대세가 무엇이 될 지는 두고봐야 하는 상황.
천문학 분야에서 냉각 CCD는 천문 관측 도구 중 대표적으로 꼽히는 물건.
1.2. 역사
1969년 AT&T 벨 연구소의 윌러드 보일(Willard S. Boyle)과 조지 스미스(George E. Smith)가 세계 최초로 디지털 센서를 이용한 전하전달기술을 개발하였다. 디지털 센서 부분에 광다이오드를 이용한 광센서를 달면 빛을 전기신호로 전환할 수 있게 된 것이다. 즉, CCD 센서가 아니라 그 원리가 되는 원천기술인 CCD를 개발한 것이 이들의 공이다. 이들은 본래 Shift register로 사용될 수 있는 반도체 버블 메모리를 개발하고 있었는데, 핵심 원리가 반도체 표면의 전하를 하나의 저장 커패시터( 축전기)로부터 다음 저장 커패시터로 전달하는 것이다. 버블 메모리는 이들이 직접 붙인 이름이다. "자기적 거품(magnetic bubbles)"에 데이터를 저장할 수 있는 소자다.CCD 기술 개발 이후 이를 응용한 이미징 기술 역시 빠른 속도로 개발되었다. 1971년에는 벨 연구소의 마이클 톰셋이 이끄는 팀이 영상을 캡처하는 데 성공했고, CCD 기술을 영상에 응용한 기술로 마이클 톰셋이 특허를 받았다. 이후 페어차일드와 RCA, 텍사스 인스트루먼트 등이 개발에 뛰어들었는데 그 중 전직 벨 연구소 연구원인 길 아멜리오[1]가 이끄는 페어차일드 팀이 가장 먼저 CCD 소자를 상용화하여 1974년에는 2D 100 x 100 pixel의 소자를 개발하기에 이르렀다. 그리고 1975년 코닥에서 일하던 스티븐 새선이 이 소자를 이용하여 세계 최초로 디지털 카메라를 개발했다. 소니의 가즈오 이와마는 소니의 캠코더에 사용된 CCD를 대량생산하는 기술을 개발하는 데 성공했다.
한편, 카이스트 전기전자공학과 김충기 교수는 당시 페어차일드의 CCD 소자 상용화 개발팀의 일원이었다. 이 공으로 각종 상을 수상하고 카이스트 특훈교수로 임명되었다. 다만, 대한민국은 CCD 개발 인력을 보유하고 있음에도 CCD를 대량 생산하는 기술이 없어 CCD 전량을 미국이나 일본에서 수입하고 있는 실정이다.
1.3. 원리
한 구역에 저장된 전하(electric charge)를 다른 구역으로 이동(결합: coupling)시키는(전달하는) 성질을 가졌기 때문에 Charge-Couple Device라는 이름이 붙었다. 여러 개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon)[2] 커패시터들로부터 전하를 받아들여 한 개 또는 여러 개의 노드로 신호를 내보낸다. 실리콘을 기반으로 산화(oxidization) 공정을 통해 커패시터를 형성하여 빛으로 인하여 생성된 전하를 공핍층(depletion layer)[3]을 통해 모은다. 전하의 총량은 전압 신호로 바뀌어 버퍼(저장)되고 아날로그 전압 형태로 전달된 신호는 나중에 디지털로 변환시킨다.크게 FT(Frame Transfer) 방식과 IT(Interline Transfer) 방식으로 나눌 수 있다. FT-CCD는 광소자들이 전하를 서로 건네주는 레지스터인 것에 비하여 IT-CCD는 광소자들이 준 전하를 레지스터에 넘겨주고 레지스터가 전하를 전달한다는 차이점이 있다. 따라서 전체 면적 중에서 일부분만 빛을 받아들이게 된다.
CCD는 여러 개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 쌍으로 상호 연결되어 있는 회로로 이루어져 있으며, 신호를 읽어낼 때에는 각 커패시터들이 이웃한 커패시터로 전하를 옮기는 방식(마치 시리얼 통신과 비슷)으로 이미지에서 읽어낸 전하를 전달한다.
MOS 커패시터를 만들 때, 최근에는 일반적인 방식(CZ 등)으로 생산한 실리콘 결정을 이용하기보다는 에퍼텍셜 기법(epitaxy)을 통해 저항이 더 높은 실리콘 결정을 제작하여 사용한다. 저 주파수(붉은 빛 및 그 아래 영역)에서는 빛이 더 깊이 투과할 수 있으므로 MOS 커패시터의 공핍층보다 더 깊은 곳에서 전하 캐리어(carrier)로써 전자-정공 쌍(electron-hole pair)을 생성하게 되어 효과적으로 전하를 모을 수 없는 일이 발생한다. 전자 정공 쌍이 생성되면 전기장에 의해 전하를 띤 입자로써 외력(로렌츠힘)을 받아 이동하거나(drift), 캐리어 농도 기울기에 의해 자연적으로 브라운 운동을 하며 확산(diffusion)을 하게 되는데[4], 공핍층 내부엔 전기장이 인가되어 있기 때문에 캐리어의 확산이 큰 역할을 수행하지 못하나, 그 이외 지역에서는 확산만 일어나서 결국 애써 생성한 전자 정공 쌍이 재결합(recombination) 등으로 사라져 버리거나, 타 픽셀로 옮겨가는 현상이 일어나게 된다. 에피택시(epitaxy) 기법을 통해 만들어진 매우 얇고 저항이 큰 실리콘은 얇은 두께로 인해 거의 대부분에 공핍층이 형성되게 되고, 이곳에 생성되는 전자-정공 쌍은 전기장의 영향을 더 많이 받으므로 자연히 MOS 커패시터로 쌓이게 되는 것이다. 물론 저항이 큰 것은 확산 길이(diffusion length)[5]를 줄이기도 한다. 이를 deep depletion CCD라 한다.
2. Colony Collapse Disorder의 약자
3. City Car Driving의 약자
4. Contemporary Christian Dance의 약자
[1]
애플의 역사를 좀 아는 사람들은 눈치챘겠지만 애플에서 잘렸던
스티브 잡스를 애플로 다시 불러온 애플의 전 CEO 바로 그 사람이다.
[2]
금속 산화막 반도체
[3]
또는 공핍 영역(depletion region)
[4]
사실, 두 메커니즘이 동시에 일어난다.
[5]
캐리어가 재결합으로 사라지기 전에 확산으로 이동 가능한 평균 거리. [math(L \triangleq \sqrt{D \tau})]. [math(D)]는 확산 계수(diffusion coefficient)이고 [math(\tau)]는 재결합 수명(recombination lifetime)이다. 재결합 수명은 '과잉 캐리어(excess carrier)가 생성되어 재결합될 때까지 걸리는 평균 시간'을 의미한다.