KR20020078453A - 고해상도 원격 탐사용 영상 초점 평면상의 선형 CCDArray의 소형, 저가 구현 방법 - Google Patents

Abstract

원격 탐사를 위한 광학 카메라용 초점평면전자회로 기술은 주로 인공 위성이나 항공기에 탑재되어 다양한 파장대역에서 지표면 관측을 수행하는 첨단 광학 카메라에 사용되는 부분품이다. 이 기술은 특수 CCD 소자 및 이를 구동하고 CCD 소자로부터의 영상 신호를 읽어내어 디지털로 변환하는 전자회로로 구성되어 있으며, 우주용 광학 카메라에 있어 미러 및 렌즈계를 포함하는 광학계와 더불어 광학 카메라에 있어서 가장 핵심적인 기술 중 하나이다. 이와 같은 기술은 CCD 감지 소자 개발 및 구동 전자회로의 개발 그리고 각종 우주인증 시험 등을 요구하여 많은 비용과 장기간에 걸친 경험 및 기술의 축적을 요구하는 성향을 지니며 현재까지 미국을 비롯한 몇몇 선진국만이 확보하고 있는 최첨단 고난이도의 기술이다.

이와 같은 원격 탐사를 위한 광학 카메라용 초점 평면은 주로 CCD(Charge Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal Oxside Semiconductor) Image Sensor를 이용하여 감지 영역을 구현한다. 일반적으로 여러 개의 칼라 영상을 하나의 카메라로 얻는 방법에는 면적형일 경우, 단일 칩을 사용하는 방법과 선형 카메라의 경우, 여러 개의 칩을 배열하여 사용하는 방법, 그리고 선형 및 면적형의 경우, 분광기(Beam Splitter)를 이용하는 방법 등이 사용되고 있으며, 이러한 방식들은 카메라의 가격, 구조의 복잡성, 그리고 감지 소자간의 정열에 있어서 각각의 장단점을 가지고 있다.

본 발명의 목적은 선형 CCD 소자를 이용하여 칼라 영상을 얻는 데 있어서,기존의 방식들이 가지고 있었던 문제점들을 해결할 수 있고 경제적인 면에서도 이점을 가질 수 있는 초점 평면을 구성하는 것이다.

Description

고해상도 원격 탐사용 영상 초점 평면상의 선형 CCD Array의 소형, 저가 구현방법{Small and low cost implementation of linear CCD array focal plane assembly for high resolution remote sensing application}

본 발명은 군사, 우주항공 등의 분야에 적용하여 고품질의 칼라 영상을 얻기 위한 초점평면 전자회로의 구성에 관한 것으로서, 선형 CCD 소자를 이용한 초점 평면의 저가 구현 방법과 이를 외부회로와 연결하기 위한 방법에 관한 것이다.

원격 탐사를 위한 광학 카메라용 초점 평면은 주로 CCD(Charge Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal Oxside Semiconductor) Image Sensor를 이용하여 감지 영역을 구현한다. 일반적으로 여러 개의 칼라 영상을 하나의 카메라로 얻는 방법은 하나의 CCD 어레이에 Bayer pattern이라고 불리는 방식으로 R, G, G, B(사람의 눈이 green에 제일 민감하므로 green필터가 두개임)의 연속적인 칼라 필터의 배열을 통해 색 정보를 얻은 뒤 색 변환 방법을 이용하여 각 소자의 근사 칼라 값을 얻는 것이다. 다른 하나는 분광기 (beam splitter)를 이용하여 보다 정확하게 대상 물체의 색을 재현 할 수 있게 하는 방식이다. 단일 칩을 이용한 방식의 경우 색 재현 능력이 떨어지고, 선형 센서의 경우에는 적용할 수 없다는 것이 흠이다. 분광기를 이용한 경우에는 크고 무거운 분광기 자체를 만드는 기술과 완벽한 색의 재현을 원하는 경우에 아주 정밀한 조립 기술이 필요하게 되는 단점이 있었다.

선형 센서를 카메라 초점 평면에 이용하면서 칼라 영상을 얻고자 할 때 분광기의 크기가 클 뿐더러, 감지 소자끼리 광학적으로 정렬하는데 있어서 면적형 센서와 다르게 정렬작업 중 전자회로를 동작하면서 영상을 직접 확인할 수 없기 때문에 상당한 기술적 애로 사항이 있다. 한편 군사 우주 등의 적용을 위한 칼라 영상을 얻기 위한 특수 센서를 자체적으로 개발하게 되면, 개발을 위해 반도체 설계/제조/시험 등의 고도의 기술력을 필요로 하고, 개발 기간이 길며, 개발 비용이 상당히 비싸다. 경우에 따라서는 국가적으로 항공 우주 등의 관련 기술 유출을 꺼리는 정치적인 고려가 있기 때문에 전혀 구할 수 없는 경우도 발생한다.

제1도에서는 컬러형상을 얻기 위해서 beam splitter(분광기:LPF 또는 HPF의 역할)를 사용 방법을 도식적으로 나타내고 있다. 이 방식에서는 하나씩 절단된 세개의 이미지 센서를 분산 배치하여 사용하는 방법으로, 렌즈를 통과한 빛은 분광기를 통하여 R, G, B로 분리되고 각각의 빛은 3개의 이미지 센서로 전달되며, 따라서 3가지의 비디오 출력 값을 가진다. 이러한 각각의 비디오 출력 값들은 하나의 이미지 센서를 이용하는 단색 카메라와 같이 full resolution을 가진다.

이 방법은 광학적으로 모든 센서가 동일지역을 동시에 바라보며, 대상 물체의 색 재현 능력에 있어 상당히 우수하며 보다 정확하다는 장점을 가지고 있기는 하지만, 크고 무거운 분광기 자체를 만드는 기술과 완벽한 색의 구현을 원하는 경우, 상당한 정밀도( ＜1μm)를 요하는 광학적 조립 기술을 필요로 하기 때문에 광학 전문가에 절대적으로 의존해야 하며 가격이 비싸다는 단점을 가지고 있다.

제2도에서는 상용 스케너 등을 위해 개발된 Tri-linear color CCD array를 보이고 있다. 이 방식은 단일 CCD 소자를 이용하는 방식과 분광기를 이용하는 방식이 가지는 단점을 보완하기 위해서 사용되는데, 광학적으로 정확하게 정렬(서로 다른 소자의 감지 영역이 동시에 같은 부분을 바라보게 만드는 것)하지 않아도 되는 분야에 사용되어지는 이 센서는 Kodak, Sony, Thomson등 센서 개발사들이 제공하고 있다. 이는 실리콘 다이 위에 세 줄의 센서를 노광하고 그 위에 R, G, B의 필터를 부착하여 칼라 영상을 얻을 수 있도록 하였다. 광학적으로 이들 센서가 동시에 같은 지역을 보고 있지는 않지만 메모리에 담기는 타이밍을 조정하여, 서로가 같은 지역을 바라보는 것과 같은 효과를 나타낼 수가 있다.

이 경우 시간적으로는 서로 다르지만 조명 조건은 같게 볼 수 있는 분야에 사용될 수 있다. 항공 우주용 원격 탐사의 경우 태양을 조명으로 하고 있고 물체와 의 거리도 상당히 먼 반면 Field of View는 상대적으로 작기 때문에 이러한 가정들이 유효한 적용 분야이다. 그러나, 기존의 Tri-linear color 센서들은 주로 칼라 스캐너 등 일반적인 상용 분야에 적용되도록 개발 하였기 때문에, 다양한 칼라 밴드나 화소 수를 필요로 하는 군사, 항공 우주 등 전문적인 영상 촬영을 위한 센서로 곧바로 쓰여 질 수 없었다.

제3도에서 도시하고 있는 방법은 하나씩 절단된 이미지 센서 여러 개를 배열하여 사용하는 방식으로 분광기를 이용하는 방식에 비해서 구조가 간단하고 경량이라는 장점이 있기는 하지만, 센서들을 정렬하는 데 있어서 상당한 정밀도의 기술을 필요할 뿐 아니라 센서간의 정렬과 정렬도의 유지 또한 어렵다. 정렬을 하지 않는 경우에도 감지 소자 간의 정렬도를 추후에 소프트웨어적으로 교정해야 하며, 이를 위해서는 고난도의 광학적 측정기법이 요구된다는 단점을 가지고 있다.

제4도에서 도시하고 있는 방식에서는 감지소자를 필요한 개수만큼 포함하는 감지소자 block을 생산하기 위해서 감지소자에 대한 별도의 설계와 이를 생산하기 위한 별도의 생산공정을 필요로 한다. 이와 같은 방식에서는 제3도에서 도시하고 있는 방식과는 달리 여러 개의 감지 소자가 일체형을 이루고, wafer 생산 단계에서의 센서간의 정렬 정밀도가 그대로 유지되고 더 이상의 센서간의 정렬과 그 유지가 불필요하며, 구조가 간단하고 경량이며, 소형이라는 장점을 가지고 있다. 하지만, 이와 같은 경우, CCD line사이에 정밀하게 연결선을 배치할 수 있어 공간적으로 비교적 효율적이기는 하지만, 감지소자에 대한 별도의 설계가 필요하며, 또한 별도의 생산공정이 필요하게 되므로, 그 가격이 상당히 비싸다(2∼3 million US Dollar)는 단점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 다음과 같다.

(ㄱ) 기존의 방식에서 발생되는 고정밀도를 요하는 감지 소자간의 정렬문제를 해결하게 위해서 상용 선형 CCD 소자를 제작할 때, 개개의 소자를 wafer상에서 절단하기 전에 필요한 개수의 감지 소자들을 block 단위로 절단한다.

(ㄴ) (ㄱ)에 의해서 절단된 감지 소자 block에서는 CCD 소자 사이의 간격이 상당히 협소하므로 감지 소자들을 block 단위로 절단할 때, 여분의 감지 소자를 추가하여 절단함으로써 연결선 배치를 위해 필요한 충분한 공간을 확보한다.

(ㄷ) 상당히 협소한 공간에 연결 선을 배치해야 하고 이를 외부와 연결하야 하는 문제를 해결하기 위해 다층의 PCB기판을 사용한다.

(ㄹ)초점 평면과 외부회로와의 연결에 있어서, 전체 시스템의 조립성 측면에서 재작업을 가능하게 하고, 신호의 연결을 위한 충분한 공간을 확보하기 위한 방법으로 커넥터를 사용한다.

제1도는 분광기를 이용하는 방식

제2도는 Tri-linear CCD Array 방식

제3도는 절단된 개개의 감지 소자를 정렬하여 사용하는 방식

제4도는 감지 소자들을 block 단위로 절단하여 사용하는 방식

제5도는 외부 연결선 배치를 위한 공간의 확보

제6도는 패턴 구성공간 확보를 위한 CCD 소자의 추가

제7도는 패턴 구성공간 확보와 PCB기판의 사용

제8도는 다층 PCB 기판의 사용과 각 층별 구성

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 구성 및 작용은 다음과 같다.

(ㄱ)항의 기술적 과제를 위한 아이디어

상용의 선형 CCD를 제작할 때, 일반적으로 하나의 wafer상에 수백개의 CCD line이 동시에 제작된다. 이 경우 CCD line 간의 정렬도 역시 lithography의 정밀도를 가지게 되며 보통 1∼2 μm 이내의 정렬 정밀도를 가지게 된다. 이에 따라서 상용 CCD line의 wafer 상에서 동작시험을 수행한 후 개개의 CCD로 절단하기 전에 제5도와 같이 필요한 개수만큼의 CCD들을 하나의 block으로 하여 절단하여 사용한다. 이렇게 할 경우, 감지 소자간의 정렬은 불필요하게 되며, 소자들의 광학적 측정 또한 불필요하게 된다. 이 경우, 가격면에서는 일반 CCD 가격 × CCD line 수이다.

(ㄴ)항의 기술적 과제를 위한 아이디어

(ㄱ)항에 의해서 얻어진 CCD 소자 block을 그대로 사용할 경우, 감지 소자간의 공간이 상당히 협소하기 때문에, CCD line사이에 연결선을 배치하는데 상당한 어려움이 따른다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, CCD line block의 절단시, 필요한 CCD line의 개수(N)에 N개의 CCD line을 추가로 block에 포함시켜 절단하고, wafer 상에서 CCD를 시험할 때 얻어지는 각 CCD가 가지는 결함에 대한 정보를 바탕으로 해서 CCD 블록의 한쪽 최외곽 line으로부터 보았을 때, 홀수번째 line과 짝수번째 line들 중 결함이 없거나 비교적 결함이 적은 line을 선택하여 외부와의 연결선을 배치하기 위한 공간으로 활용함으로써 여유공간을 확보할 수 있고, 필요에 따라서는 N개의 CCD line을 추가로 포함시키면 보다 넓은 공간을 확보할 수 있다. 제6도에서, 필요로 하는 감지 소자의 수는 5개이지만, 여유공간 확보를 위해서 5개의 감지 소자를 첨가하여 총 10개의 감지소자로 구성되는 CCD line block을 보이고있으며, 이 때 이용되는 소자들은 이용되지 않는 소자들에 비해 결함이 없거나 비교적 적은 것이라 가정한 것이다. 공간확보를 위해 여부의 감지소자들을 첨가하여 블록단위로 절단하고, 결함이 적은 line들을 선택적으로 사용함으로써 감지 소자간 공간의 협소함으로 인해 발생되는 정교한 패턴 구성에 대한 경제적, 기술적 부담을 줄일 수 있다. 감지 소자 사이에 1개의 소자를 첨가했음에도 불구하고 충분한 공간을 확보하지 못했을 경우에는, 공간확보에 충분한 개수만큼의 감지소자를 첨가할 수 있다. 이와 같은 방식이 소모적이라고 생각될 수도 있겠으나, 하나씩 절단된 감지 소자를 사용하였을 경우에 소요되는 소자간의 정렬을 위한 비용, 또는 좁은 공간에서 정교한 패턴을 구성해야 하는 기술적 어려움과 비용을 감안한다면 보다 경제적인 방식이라고 할 수 있다.

(ㄷ)항의 기술적 과제에 대한 아이디어

외부와의 연결을 위한 방법에는 여러 가지가 있을 수 있다. 첫째로 얇은 유리 기판 위에 lithography에 의해 배선을 한 후 일반적인 집적회로 패키징 기법을 이용할 수 있으나, 공간의 협소함으로 인해서 상당히 정교한 패턴을 이루어야 하고, 높은 비용이 소요된다는 단점이 있다. 둘째로는 gang bonding 기법을 이용하여 flexible PCB를 사용할 수 있지만, 이 또한 정교한 패턴이 요구되며, 가격이 비싸다. 셋째로 제7도와 같이 일반적인 PCB를 사용하는 방법이 있을 수 있는데, 이 방법을 구현하는 데 있어서도 공간의 협소함이 장애가 되기는 하지만, 다음과 같이 제안된 방법을 이용하게 되면, 공간의 협소함을 극복하고 가격이 저렴하다는 장점을 살릴 수 있다.

제8도에서는 다층으로 구성된 PCB 기판을 도시하고 있다. 이 방법은 앞서 설명한 여분의 감지 소자를 첨가함으로써 충분한 공간을 확보할 수 있는 방법과 함께 좁은 공간에서의 정교한 패턴 구성의 어려움을 극복하면서 일반적으로 사용되는 기술로서도 충분히 구현할 수 있는 방법이다.

CCD 소자는 GND plane로써 기판을 이용하므로 전기적으로 도통되는 접착제를 사용하여 패키지에 접합하는바, 전기적 연결과 EMC/EMI 성능을 확보하기 위해서는 패키지는, 금속재질로서 냉각기 등의 접합을 위한 기계적 가공성이 우수한 Invar, Al 등으로 구현한다. Invar는 열팽창 계수 등에서 CCD소자의 재질과 유사하다는 잇점이 있으므로 CCD 소자와 접합시 열적 문제도 동시에 해결한다. PCB의 GND Plane도 패키지의 GND와 접합되도록 접합제를 활용하여 접합한다.

우선 PCB 기판은 그림.8과 같은 모양을 하게 되며, 사용되지 않는 CCD 소자들을 덮을 수 있도록 함으로써 사용하지 않는 감지소자에 대한 light shield의 역할을 하게 된다. PCB기판은 Multi-layer(예에서는 8 layer)로 구성된다. 여기서 감지 소자들과 외부와의 연결을 위해서 via를 사용하게 되는데, 각 층의 layer에는 필요한 개수만큼의 via를 생성하고 그 배열 형태는 지그재그 모양으로 구성함으로써 배선길이를 최소화하는 역할도 하게 된다. 예로, 감지소자의 한쪽과 외부를 연결할 수 있기 위한 pad의 수가 18개일 경우, 동일한 개수만큼의 via 18개를 지그재그 형태로 구성한다. 이 때 생성한 via를 기준으로 오른쪽 감지 소자와 연결하기 위한 pad는 그림과 같이 2×N-1,(N=1∼9)번째 via의 바로 옆에 생성하고, 왼쪽 감지 소자와 연결하기 위한 pad는 2×N,(N=1∼9)번 via의 옆에 생성한다.

PCB의 각 layer별 구성은 다음과 같다.

일반적으로 CCD 소자를 구동하기 위해 다양한 신호들이 필요하다. 예를 들면 Bias, Low speed clock, High speed clock 등이다. 가장 중요한 요소는 High speed clock(Transport clock와 Reset clock)들의 처리 방법이다. 그 이유는 CCD의 고속 동작을 확보하기 위한 High speed clock들의 자체적인 Rise and Falling Time의 확보 및 타 신호들로의 EMI/EMC규격의 확보 때문이다.

따라서, 이들 High speed clock들은 여타 전원 및 신호 라인들과 차별적으로 취급한다. 신호의 고속동작을 유지하기 위해 이들 신호를 발생시키는 소자들을 배선용 PCB 기판에 탑재하여 필요한 도선의 길이를 최소화하였다. 또한 이들 신호를 여타의 신호와 차단하기 위해서 GND와 PWR 레이어로 shield시키도록 하였다.

(ㄹ)항의 기술적 과제에 대한 아이디어

초점평면전자회로부와 외부 회로부를 연결하기 위한 방법에는 여러 가지가 있을 수 있다. 우선, 일반적인 집적회로 패키징 기법을 이용할 수 있으나, 상당히 정교한 패턴을 이루어야 하고, 높은 비용을 소요해야 한다는 단점이 있다. 다음으로 flexible cable을 사용하는 방법과 커넥터를 이용하여 외부 회로와 연결하는 방법 등을 고려해 볼 수 있다. 이러한 방법들 중에서도 커넥터를 통한 외부 회로와의 연결 방법을 채택하는 것이 가장 합당하다. 결과적으로 전체 시스템의 조립성 측면에서 재작업을 가능하게 하고, 신호의 연결을 위한 충분한 공간을 확보할 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 군사 우주 등에 적용하기 위한 칼라 영상을 얻기 위한 선형 CCD 소자를 이용한 초점평면전자회로의 구성에 있어서 기술적인 어려움을 겪지 않고서도 개발 비용의 절감과 개발 기간 단축 등의 효과를 기대할 수 있다.

궁극적으로는, 광학카메라를 위한 CCD 감지소자를 포함한 초점평면전자회로기술이 지구관측용 위성 개발을 비롯하여 항공기를 이용한 지구관측 및 정찰 카메라, 위성의 초정밀 자세 제어용 별감지 센서, 위성을 이용한 천체관측 및 우주과학용 장치, 천체 관측용 지상 대구경 망원경, 군용 탐측장비 등의 개발에 활용이 가능하고 다양한 파장 대역을 이용한 각종 지구 관측용 탑재체 개발의 촉매제가 된다는 사실을 감안할 때, 고성능 광학 카메라를 필요로 하는 산업용 광학 카메라 기술에 적용하여 전자, 반도체 등의 산업용 장비 업체 경쟁력 증진을 가져올 수 있고, 이를 통한 산업 전반의 경쟁력 증진을 기대할 수 있으며, 독자적 초점 평면 전자회로 기술을 이용한 광학 카메라를 이용하면, 현재 국책사업으로 진행중인 국가 GIS기술개발 사업과 연계 시, 기술의 응용 및 파급효과 측면에서 상당한 시너지 효과를 발생시키고 부산물인 영상 자료의 가공을 통해 원격탐사 및 정밀관측과 관련된 국내외의 수요에 부응할 수 있다.

Claims (6)

1. CCD 소자의 절단 시, 상용 선형 CCD wafer 공정을 그대로 활용하여 최종 단계에서 필요한 개수의 CCD 소자들을 블록 단위로 절단함으로써 개개의 소자들을 배열하는 경우에 소요될 수 있는 소자간의 정렬을 위한 기술적, 경제적비용을 절감할 수 있는 수단
2. CCD 소자의 블록 단위 절단 시, 외부 회로와 연결하기 위한 연결선 배치 공간이 협소함을 극복하고 경제성을 확보하기 위해, 여분의 CCD 소자들을 추가하여 절단함으로써 연결선 배치에 필요한 충분한 공간을 확보할 수 있는 방법
3. 상당히 협소한 공간에 연결 선을 배치해야 하고 이를 외부와 연결해야 하는 문제를 해결하기 이해 다층의 PCB 기판을 사용
4. CCD 소자를 구동하기 위해 다양한 신호들의 고속동작을 유지하기 위해 이들 신호를 발생시키는 소자들을 배선용 PCB기판에 탑재하여 필요한 도선의 길이를 최소화
5. 초점 평면과 외부회로와의 연결에 있어서, 전체 시스템이 조립성 측면에서 재작업을 가능하게 하고, 신호의 연결을 위한 충분한 공간 확보하기 위한 방법으로커넥터를 사용
6. CCD 소자의 시험시 얻어지는 error 정보를 활용하여, even 또는 odd line 중 결함이 없거나 상대적으로 적은 line을 선택적으로 사용하기 위한 공간 확보 아이디어