KR20150062078A - zz이미지 센서 및 이미지 센서를 구동하는 방법 - Google Patents

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KR20150062078A
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Abstract

이미지 센서의 각 픽셀에서 생성된 전하의 이동을 제어하는 각 픽셀의 셔터가 딜레이(delay) 없이 고속 스위칭하는 이미지 센서 및 이미지 센서를 구동하는 방법에 관한 것으로서, 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서는 픽셀 어레이의 모든 픽셀들의 셔터들을 연결하여, 구동 신호를 전송하는 구동 라인 및 구동 라인에 구동 신호를 인가하는 구동 버퍼들을 포함한다.

Description

zz이미지 센서 및 이미지 센서를 구동하는 방법{Image sensor and method of driving image sensor}
이미지 센서 및 이미지 센서를 구동하는 방법에 관한 것이다.
이미지 센서는 외부로부터 입사되는 빛을 수광하고, 수광된 빛을 광전 변환하여 생성된 전하로부터 영상 신호를 생성하는 장치이다. 대표적으로, CCD(charge coupled device) 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor)를 이용한 이미지 센서가 있다.
이미지 센서는 복수 개의 픽셀들로 구성된 픽셀 어레이를 포함하며, 각 픽셀에는 광전 변환을 수행하는 포토 다이오드와 같은 광전 변환 소자가 존재한다. 각 픽셀의 광전 변환 소자에 의해 생성된 전하들을 검출하기 위하여, 각 픽셀에는 광전 변환 소자에 의해 생성된 전하의 이동을 제어하는 셔터가 존재한다. 셔터를 구동하는 구동 신호에 따라 셔터가 열고 닫힘으로서 전하의 이동을 제어할 수 있다.
고품질의 영상을 획득하기 위해서는 셔터를 짧은 시간에 충분히 열어 전하를 이동시켜야 한다. 특히, 고속의 연사나 3D 영상 촬영을 위한 카메라의 이미지 센서의 경우, 각 픽셀에서의 셔터의 열고 닫힘이 신속하게 이루어져야 한다. 이를 위해 셔터를 구동하는 구동 신호를 고주파 형태로 셔터에 인가할 수 있으나, 이미지 센서 자체의 특성에 따라 셔터의 스위칭에 딜레이가 발생하여 셔터의 스위칭이 정상적으로 작동되지 않는 문제가 있다.
이미지 센서의 각 픽셀에서 생성된 전하의 이동을 제어하는 각 픽셀의 셔터가 딜레이(delay) 없이 고속 스위칭하는 이미지 센서 및 이미지 센서를 구동하는 방법을 제공하는 것이다. 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
일 측면에 따른 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서는, 각 픽셀에서 광전 변환에 따른 전하를 생성하는 광전 변환 소자, 상기 생성된 전하의 이동을 구동 신호에 따라 제어하는, 상기 각 픽셀의 셔터, 상기 픽셀 어레이의 모든 픽셀들의 셔터들을 연결하여, 상기 구동 신호를 전송하는 구동 라인, 및 상기 구동 라인에 상기 구동 신호를 인가하는 구동 버퍼들을 포함한다.
다른 측면에 따른 복수 개의 서브 픽셀 어레이 회로를 포함하는 이미지 센서는, 구동 신호에 따라 구동되는 상기 복수 개의 서브 픽셀 어레이 회로, 상기 복수 개의 서브 픽셀 어레이 회로를 연결하여, 상기 구동 신호를 전송하는 제 1 구동 라인, 및 상기 제 1 구동 라인에 상기 구동 신호를 인가하는 제 1 구동 버퍼들을 포함한다.
또 다른 측면에 따른 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서를 구동하는 방법은, 각 픽셀에서 광전 변환에 따른 전하를 생성하는 단계, 상기 생성된 전하의 이동을 제어하는 상기 각 픽셀의 셔터를 구동하는 구동 신호를 발생시키는 단계, 상기 픽셀 어레이의 모든 픽셀들의 셔터들을 연결하는 구동 라인에 구동 버퍼들을 이용하여 상기 구동 신호를 인가하는 단계, 및 상기 구동 라인을 통하여 상기 구동 신호를 상기 각 픽셀의 셔터에 전송하는 단계를 포함한다.
이미지 센서에서 셔터의 딜레이 없이 각 픽셀에서 광전 변환에 따라 생성된 전하들을 정상적으로 이동시킴으로써, 감도(Sensitivity), 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR) 및 3D 이미징(imaging)에서의 뎁스 정밀도(depth precision)를 향상시킬 수 있다. 　
도 1은 이미지 센서에 포함된 임의의 픽셀의 픽셀 회로를 나타낸 도면이다.
도 2는 기존 이미지 센서에서 픽셀 어레이의 셔터 연결을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 기존 이미지 센서에서 임의의 픽셀의 셔터가 스위칭 될 때, 인가되는 구동 전압의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 기존 이미지 센서에서 픽셀 어레이의 한 행의 셔터 연결을 저항과 커패시터를 이용하여 모델링한 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 5는 3D(3 Dimensional) 이미지 센서에 포함된 임의의 픽셀의 픽셀 회로를 나타낸 도면이다.
도 6은 이미지 센서에서 픽셀 어레이의 한 행의 셔터들에 대한 양 방향 구동 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구조 및 레이아웃을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구조 및 레이아웃을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 셔터와 기존의 이미지 센서에서 셔터가 스위칭 될 때의 모습을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구조 및 레이아웃을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 이미지 센서를 구동하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예에 의해 발명을 상세히 설명하기로 한다. 하기 실시예는 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 상세한 설명 및 실시예로부터 발명이 속하는 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
본 명세서에서 사용되는 '구성된다' 또는 '포함한다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 도는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 '제 1' 또는 '제 2' 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용할 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 실시예들은 이미지 센서 및 이미지 센서를 구동하는 방법에 관한 것으로서 이하의 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려져 있는 사항들에 관해서는 자세한 설명을 생략한다.
도 1은 이미지 센서에 포함된 임의의 픽셀의 픽셀 회로를 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서에 포함된 임의의 픽셀(10)의 픽셀 회로는 포토 다이오드(photodiode)와 복수 개의 트랜지스터를 포함할 수 있다. 포토 다이오드는 빛을 수광하여, 이를 전하로 변환시켜 축적할 수 있는 광전 변환 소자이다. 트랜지스터는 신호에 따라 전하를 이동시키거나 차단하는 스위칭 소자이다.
이미지 센서에 포함된 임의의 픽셀(10)의 픽셀 회로는 도 1에 도시한 바와 같이, 광전 변환 소자(12)로서 포토 다이오드를 이용할 수 있다. 이때, 포토 다이오드는 핀드 포토 다이오드(pinned photo diode)가 될 수 있다. 도 1을 참조하면, 광전 변환 소자(12)는 어느 하나의 트랜지스터와 연결되어 있는데, 이와 같이 광전 변환 소자(12)에 연결된 트랜지스터를 셔터(shutter)(14)라고 한다. 셔터(14)의 게이트(gate)에 입력되는 게이트 전압(TX)에 따라, 광전 변환에 의해 생성된 전하를 셔터(14)를 통하여 리드아웃(readout) 회로로 이동시킬 수 있다. CMOS 이미지 센서의 경우, 도 1과 같이 하나의 트랜지스터로 이루어진 셔터(14)를 통하여 FD(floating diffusion) 노드로 이동시킬 수 있다. 이미지 센서의 각 픽셀(10)에 리셋 신호(RST)와 셀렉트 신호(SEL)를 인가하고, FD 노드에 연결된 전압 버퍼(voltage buffer)를 통해 FD 노드의 전압을 읽음으로써 전하의 양을 측정할 수 있다.
셔터(14)의 온/오프 스위칭 동작은 한 프레임(frame) 당 1회 수행되므로, 셔터(14)의 게이트 전압(TX)은 보통 저주파 형태의 전압을 이용한다. 하지만, 고속의 연사가 필요한 경우, 셔터(14)는 고주파로 구동된다. 특히, 3D imaging 등을 위한 Time-of-flight(TOF) 방식의 이미지 센서에서는 셔터(14)에 10MHz 이상의 정현파(sine wave) 혹은 구형파(square wave)로 변조(modulation)한 구동 신호를 인가한다. 따라서, 셔터(14)는 저주파의 구동 신호뿐만 아니라 고주파의 구동 신호에도 동작할 수 있도록 고속의 스위칭이 가능하여야 한다.
도 2는 기존 이미지 센서에서 픽셀 어레이의 셔터 연결을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 기존 이미지 센서(50)는 복수 개의 픽셀(10)들로 이루어진 픽셀 어레이(pixel array)(20), 복수 개의 구동 라인(driving line)(30), 복수 개의 구동 버퍼(driving buffer)(40) 및 행 디코더(row decoder)를 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(20)를 이루는 복수 개의 픽셀(10)들은 각각 셔터(14)를 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 구동 버퍼(40)가 하나의 구동 라인(30)을 통해 M X N 픽셀 어레이(20)의 동일한 행(row)에 배치된 픽셀(10)들의 셔터(14)들을 구동한다. TX[0], TX[1], TX[N]은 픽셀 어레이(20)의 각 행(row)에 인가되는 셔터(14)의 게이트 전압을 나타낸다. 즉, 기존 이미지 센서(50)에서는 픽셀 어레이(20)의 각 행(row) 별로 셔터(14)들이 동작한다.
도 3은 기존 이미지 센서에서 임의의 픽셀의 셔터가 스위칭 될 때, 인가되는 구동 전압의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 2의 기존 이미지 센서(50)의 경우, 구동 버퍼(40)를 통해 임의의 픽셀(10)의 셔터(14)에 인가된 구동 전압은 도 3과 같이 소정 시간의 지연 후 소정 기준 이상의 레벨의 전압에 도달하게 된다. 셔터(14)가 온(on)되는 시간(t1) 동안 셔터(14)에 인가되는 구동 전압은 신속하게 증가되어 소정 기준 이상의 레벨의 전압을 유지하여야 하나, 이미지 센서(50) 자체의 특성에 의해 셔터(14)의 스위칭 동작이 신속하게 수행되지 못하는 것이다. 다시 말하면, 셔터(14)의 스위칭 동작을 위한 특정 레벨의 전압이 인가되기까지 딜레이 타임(delay time)이 발생하고, 라이즈 타임(rise time)이 길어짐을 알 수 있다. 이와 같은 경우, 고주파 형태의 구동 전압이 인가되면, 셔터(14)의 스위칭 주기가 짧아지게 되어, 셔터(14)의 스위칭 동작에 문제가 발생할 수 있다. 구체적으로, 광전 변환 소자에서 생성된 전하가 전달되지 않거나, 전달되기도 전에 셔터(14)가 다시 오프(off)되는 현상이 발생할 수 있다. 셔터(14)의 스위칭이 지연되는 것은 구동 라인(30)의 패러시틱 저항(parasitic resistance) 및 패러시틱 커패시턴스(parasitic capacitance)과 셔터(14)의 게이트 커패시턴스(gate capacitance) 때문이며, 이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 살펴본다.
도 4는 기존 이미지 센서에서 픽셀 어레이의 한 행의 셔터 연결을 저항과 커패시터를 이용하여 모델링한 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 4는 편의상 픽셀 피취(pixel pitch)(
Figure pat00001
, [μm]) 마다 캐스케이드(cascade)로 모델링하였다. 메탈(metal) 혹은 폴리실리콘(polysilicon)으로 구현되는 구동 라인(30)은 저항(
Figure pat00002
, [Ω/μm])과 캐패시터(
Figure pat00003
, [F/μm]) 회로의 캐스케이드(cascade)로 모델링될 수 있다.
Figure pat00004
는 셔터(14)의 게이트 커패시턴스(gate capacitance)를 나타낸다.
M×N 픽셀 어레이에서 셔터(14)의 구동 신호인 게이트 전압(TX)의 딜레이 타임(delay time)
Figure pat00005
와 라이즈 타임(rise time)
Figure pat00006
은 아래 식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00007
Figure pat00008
위 식에서 나타내듯 라이즈 타임(rise time)
Figure pat00009
은 딜레이 타임(delay time)
Figure pat00010
에 비례하며, 구동 라인(30)의 길이가 길수록 또는 픽셀 피취(pixel pitch)가 클수록, 그리고 픽셀 수가 많을수록 길어지게 된다. 구동 라인(30)의 패러시틱 저항(parasitic resistance) 및 패러시틱 커패시턴스(parasitic capacitance)과 셔터(14)의 게이트 커패시턴스(gate capacitance)의 영향을 받기 때문이다. 따라서, 고해상도의 이미지 센서에서 고주파 형태의 구동 신호를 셔터(14)에 인가할 경우, 구동 신호인 게이트 전압(TX)에 의해 셔터(14)가 완전히 온(on)되지 않아 전하의 이동이 어렵게 된다.
도 5는 3D(3 Dimensional) 이미지 센서에 포함된 임의의 픽셀의 픽셀 회로를 나타낸 도면이다. 도 5에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
도 5는 TOF(Time Of Flight) 기반의 이미지 센서에 포함된 임의의 픽셀(15)의 픽셀 회로의 구조 및 레이아웃을 나타낸다. 핀드 포토 다이오드(pinned photo diode, PPD)로 구성된 하나의 광전 변환 소자(12)에 두 개의 셔터(14)가 연결되어 있다. 두 셔터(14)에는 각각 게이트 전압 TX0 와 TX1이 인가되고, 두 셔터(14)는 180°의 위상차를 갖는 10MHz 이상의 고주파로 구동될 수 있다. 게이트 전압 TX0이 인가될 때는 광전 변환 소자(12)에 의해 생성된 전하가 FD0 노드로 이동하고, 게이트 전압 TX1이 인가될 때는 광전 변환 소자(12)에 의해 생성된 전하가 FD1 노드로 이동한다.
짧은 시간의 스위칭 주기 동안 전하를 전달하기 위해 도 5에 도시한 바와 같이 게이트의 폭(W)을 넓게 할 수 있다. 그러나 게이트의 폭이 늘어남으로써 게이트 커패시턴스(gate capacitance)가 증가하게 된다. 따라서, TOF(Time Of Flight) 기반의 3D 이미지 센서와 같이 셔터(14)의 게이트 커패시턴스(gate capacitance)
Figure pat00011
가 클 경우 긴 딜레이 타임(delay time)
Figure pat00012
또는 라이즈 타임(rise time)
Figure pat00013
을 유발한다.
도 4 및 도 5를 통해 살펴본 바와 같이, 고해상도의 이미지 센서 또는 3D 이미지 센서의 경우, 고주파 형태의 구동 신호가 필요한 반면, 그 구조상 구동 라인(30)의 패러시틱 저항(parasitic resistance)과 패러시틱 커패시턴스(parasitic capacitance) 또는 셔터(14)의 게이트 커패시턴스(gate capacitance)가 증가하여 셔터(14)의 스위칭 동작이 지연되는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위하여, 도 6에 도시된 바와 같이 픽셀 어레이의 한 행의 양 방향에서 구동 신호를 인가하여 구동력을 높이는 방법이 있다.
도 6은 이미지 센서에서 픽셀 어레이의 한 행의 셔터들에 대한 양 방향 구동 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 픽셀 어레이(20)의 한 행에 포함된 픽셀(10)들의 각 셔텨(14)들은 구동 라인(30)에 연결되어 있고, 구동 라인(30)의 양쪽 끝에 셔터(14)들을 구동하기 위한 구동 신호(TX)를 인가하는 구동 버퍼(40)들이 있다. 도 2에 도시된 기존 이미지 센서(50)에서 픽셀 어레이(20)의 셔터(14) 연결과 비교해보면, 도 6의 이미지 센서(50)에서 픽셀 어레이(20)의 각 행의 우측에 구동 버퍼(40)가 하나 더 추가되어 있음을 알 수 있다. 도 6의 이미지 센서(50)는 구동 신호(TX)를 인가하는 구동 버퍼(40)가 양 방향에서 구동되기 때문에, 셔터(14)에 큰 구동력을 제공하게 되고, 도 2의 기존 이미지 센서(50)보다 라이즈 타임(rise time)을 줄일 수 있다.
하지만, 픽셀(10)의 수가 많아지고, 픽셀 어레이(20)의 사이즈가 커질 경우, 여전히 딜레이 타임(delay time)
Figure pat00014
또는 라이즈 타임(rise time)
Figure pat00015
이 길어진다. 일 실시예에 따른 이미지 센서와 이미지 센서를 구동하는 방법에서는 고주파 형태의 구동 신호에 따라 셔터(14)의 고속 스위칭이 가능한 구조 및 레이아웃을 제안한다.
도 7은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구조 및 레이아웃을 설명하기 위한 도면이다. 도 7에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
도 7을 참조하면, 이미지 센서(500)는 복수 개의 픽셀(100)들로 구성된 픽셀 어레이(200), 구동 라인(300), 및 구동 버퍼(400)들을 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(200)의 임의의 픽셀(100)은 광전 변환 소자(120)와 셔터(140)를 포함할 수 있다.
각 픽셀(100)에서 광전 변환 소자(120)는 광전 변환에 따른 전하를 생성하여 축적할 수 있다. 광전 변환 소자(120)로 포토 다이오드 특히, 핀드 포토 다이오드(pinned photo diode)가 사용될 수 있다.
셔터(140)는 각 픽셀(100)의 광전 변환 소자(120)에 의해 생성된 전하의 이동을 구동 신호(TX)에 따라 제어할 수 있다. 셔터(140)는 트랜지스터와 같은 스위칭 소자가 될 수 있고, 트랜지스터의 게이트에 인가되는 게이트 전압을 구동 신호(TX)로 하여 스위칭 동작을 수행할 수 있다. 셔터(140)의 스위칭 동작은 구동 신호(TX)의 주파수에 따라 수행될 수 있다.
구동 라인(300)은 픽셀 어레이(200)의 모든 픽셀(100)들의 셔터(140)들을 연결하여, 구동 신호(TX)를 전송할 수 있다. 따라서, 구동 라인(300)에 의해 연결된 셔터(140)들은 구동 신호에 따라 동시에 열리거나 닫힐 수 있다. 구동 라인(300)은 픽셀 어레이(200)의 어느 하나의 행에 포함된 픽셀들의 셔터들을 나머지 다른 행에 포함된 픽셀들의 셔터들과 전기적으로 연결할 수 있다.
구동 라인(300)은 소정의 개수의 행과 열을 가지고, 어느 하나의 행은 모든 열과 교차하며 어느 하나의 열은 모든 행과 교차하는 격자 형태일 수 있다.
구동 버퍼(400)들은 구동 라인(300)에 구동 신호(TX)를 인가할 수 있다. 예를 들어, 구동 버퍼(400)들은 구동 라인(300)의 최외곽 라인에 구동 신호(TX)를 인가할 수 있다. 구동 라인(300)의 한쪽 끝에만 구동 신호를 인가하는 것이 아니라, 구동 라인(300)의 최외곽 라인의 모든 방향에 구동 신호(TX)를 인가할 수 있다. 특히, 구동 버퍼(400)들은 격자 형태의 구동 라인(300)의 각 행과 각 열의 양끝단에 구동 신호(TX)를 인가할 수 있다. 구동 라인(300)의 각 행의 한쪽 또는 양쪽에 구동 신호를 인가하는 경우와 비교해보면, 일 실시예에 따른 이미지 센서(500)는 격자 형태의 구동 라인(300)의 각 행과 각 열의 양끝단에 구동 신호(TX)를 인가하므로 훨씬 큰 구동력을 셔터(140)에 인가할 수 있다. 또한, 구동 버퍼(400)들은 격자 형태의 구동 라인(300)의 행과 열이 서로 교차하는 교차 지점들 중 최외곽 라인에 포함된 교차 지점들에 구동 신호(TX)를 인가할 수도 있다.
구동 버퍼(400)들은 격자 형태의 구동 라인(300)의 최외곽 라인을 따라 배치될 수 있다. 구동 버퍼(400)들은 격자 형태의 구동 라인(300)을 둘러싼 써라운드 드라이버를 형성할 수 있다. 다시 말해, 픽셀 어레이(200)의 좌우뿐만 아니라 상하에도 구동 버퍼(400)들이 배치될 수 있다. 예를 들어, 1280 × 960 픽셀 해상도를 가지는 이미지 센서의 경우 좌우 각 960개, 그리고 상하 각 1280개의 구동 버퍼(400)들로 구성될 수 있으며, 원하는 셔터(140)의 구동 주파수에 따라 구동 버퍼(400)들의 개수를 증감시킬 수 있다. 스위칭 노이즈(Switching noise)로 인한 랜덤 노이즈(random noise) 추가 방지를 위해, 구동 버퍼(400)들은 가드 링(guard ring)으로 외부와 분리시키고, 별도의 전원 전압을 사용할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같은 픽셀 어레이(200)의 모든 픽셀(100)들의 셔터(140)들을 연결하는 격자 형태의 구동 라인(300)은 도 2 및 도 4의 기존 이미지 센서(50)의 구동 라인(30)에 비해 저항값이 감소되는 효과를 얻을 수 있다. 도 2 및 도 4의 기존 이미지 센서(50)의 구동 라인(30)의 저항들이 직렬로 연결되는 반면, 일 실시예에 따른 이미지 센서(500)의 구동 라인(300)의 저항들은 병렬 연결되기 때문이다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이 격자 형태의 구동 라인(300)의 각 행과 각 열의 양끝단에 구동 신호(TX)를 인가하는 구동 버퍼(400)들은 도 2의 구동 라인(30)의 각 행의 한쪽에 구동 신호를 인가하는 구동 버퍼(40)들과 도 6의 구동 라인(30)의 각 행의 양쪽에 구동 신호를 인가하는 구동 버퍼(40)들에 비해 구동력이 증가하는 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 일 실시예에 따른 도 7의 이미지 센서(500)는 구동 라인(300)의 저항 감소 및 구동 버퍼(400)들에 의한 구동력 증가에 따라, 셔터(140) 구동시의 딜레이 타임 및 라이즈 타임을 최소화시킴으로써 고주파의 구동 신호로도 셔터(140)의 정상적인 구동이 가능해진다. 일 실시예에 따른 도 7의 이미지 센서(500)를 이용하면, 고속 카메라와 같이 고주파의 구동 신호에 동작 가능한 셔터를 필요로 하는 장치에서 광전 변환에 따라 생성된 전하의 이동을 효과적으로 제어할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구조 및 레이아웃을 설명하기 위한 도면이다. 도 8에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
도 8을 참조하면, 이미지 센서(550)는 복수 개의 픽셀(150)들로 구성된 픽셀 어레이(200)를 포함할 수 있다. 픽셀 어레이(200)의 임의의 픽셀(150)은 광전 변환 소자(120)와 제 1 셔터(142) 및 제 2 셔터(144)를 포함할 수 있다. 각 픽셀(150)의 제 1 셔터(142)들은 제 1 구동 라인(310)으로 연결되고, 각 픽셀(150)의 제 2 셔터(144)들은 제 2 구동 라인(320)으로 연결될 수 있다. 제 1 구동 라인(310)에는 제 1 구동 버퍼(410)들이 제 1 구동 신호(TX0)를 인가하고, 제 2 구동 라인(320)에는 제 2 구동 버퍼(420)들이 제 2 구동 신호(TX1)를 인가할 수 있다.
각 픽셀(150)에서 광전 변환 소자(120)는 광전 변환에 따른 전하를 생성하여 축적할 수 있다. 제 1 셔터(142)는 각 픽셀(150)의 광전 변환 소자(120)에 의해 생성된 전하의 이동을 제 1 구동 신호(TX0)에 따라 제어할 수 있다. 제 2 셔터(144)는 각 픽셀(150)의 광전 변환 소자(120)에 의해 생성된 전하의 이동을 제 2 구동 신호(TX1)에 따라 제어할 수 있다.
제 1 구동 라인(310)은 픽셀 어레이(200)의 모든 픽셀(150)들의 제 1 셔터(142)들을 연결하여, 제 1 구동 신호(TX0)를 전송할 수 있다. 따라서, 제 1 구동 라인(310)에 의해 연결된 제 1 셔터(142)들은 제 1 구동 신호(TX0)에 따라 동시에 열리거나 닫힐 수 있다. 제 2 구동 라인(320)은 픽셀 어레이(200)의 모든 픽셀(150)들의 제 2 셔터(144)들을 연결하여, 제 2 구동 신호(TX1)를 전송할 수 있다. 따라서, 제 2 구동 라인(320)에 의해 연결된 제 2 셔터(144)들은 제 2 구동 신호(TX1)에 따라 동시에 열리거나 닫힐 수 있다. 제 1 구동 라인(310)은 픽셀 어레이(200)의 어느 하나의 행에 포함된 픽셀들의 제 1 셔터(142)들을 나머지 다른 행에 포함된 픽셀들의 제 1 셔터(142)들과 전기적으로 연결할 수 있다. 제 2 구동 라인(320)은 픽셀 어레이(200)의 어느 하나의 행에 포함된 픽셀들의 제 2 셔터(144)들을 나머지 다른 행에 포함된 픽셀들의 제 2 셔터(144)들과 전기적으로 연결할 수 있다.
제 1 구동 버퍼(410)들은 제 1 구동 라인(310)에 구동 신호를 인가할 수 있다. 예를 들어, 제 1 구동 버퍼(410)들은 제 1 구동 라인(310)의 최외곽 라인에 구동 신호를 인가할 수 있다. 특히, 제 1 구동 버퍼(410)들은 격자 형태의 제 1 구동 라인(310)의 각 행과 각 열의 양끝단에 제 1 구동 신호(TX0)를 인가할 수 있다. 제 1 구동 버퍼(410)들은 격자 형태의 제 1 구동 라인(310)의 최외곽 라인을 따라 배치될 수 있다. 제 2 구동 버퍼(420)들은 제 2 구동 라인(320)에 구동 신호를 인가할 수 있다. 예를 들어, 제 2 구동 버퍼(420)들은 제 2 구동 라인(320)의 최외곽 라인에 구동 신호를 인가할 수 있다. 특히, 제 2 구동 버퍼(420)들은 격자 형태의 제 2 구동 라인(320)의 각 행과 각 열의 양끝단에 제 2 구동 신호(TX1)를 인가할 수 있다. 제 2 구동 버퍼(420)들은 격자 형태의 제 2 구동 라인(320)의 최외곽 라인을 따라 배치될 수 있다.
제 1 구동 라인(310)과 제 2 구동 라인(320)은 도 8에 도시된 바와 같이, 소정의 개수의 행과 열을 가지고, 어느 하나의 행은 모든 열과 교차하며 어느 하나의 열은 모든 행과 교차하는 격자 형태일 수 있다. 도 7 및 도 8을 보면, 격자 형태의 구동 라인의 개수는 각 픽셀의 셔터의 개수에 비례함을 알 수 있다. 다시 말해, 도 7과 같이, 픽셀 어레이(200)의 각 픽셀(100)에 하나의 셔터(140)가 포함되어 있는 경우, 각 픽셀(100)의 모든 셔터(140)들을 연결하는 격자 형태의 구동 라인(300) 한 개가 필요하다. 반면, 도 8과 같이, 픽셀 어레이(200)의 각 픽셀(150)에 두 개의 셔터(142, 144)가 포함되어 있는 경우, 각 픽셀(150)의 제 1 셔터(142)들을 연결하는 격자 형태의 제 1 구동 라인(310)과 각 픽셀(150)의 제 2 셔터(144)들을 연결하는 격자 형태의 제 2 구동 라인(320) 두 개가 필요하다.
일 실시예에 따른 도 8의 이미지 센서(550)는 제 1 구동 라인(310)과 제 2 구동 라인(320)의 저항 감소 및 제 1 구동 버퍼(410)들와 제 2 구동 버퍼(420)들에 의한 구동력 증가에 따라, 제 1 셔터(142)들과 제 2 셔터(144)들의 구동시의 딜레이 타임 및 라이즈 타임을 최소화시킴으로써 고주파의 구동 신호로도 제 1 셔터(142)들과 제 2 셔터(144)들의 정상적인 구동이 가능해진다. 일 실시예에 따른 도 8의 이미지 센서(550)를 이용하면, TOF 방식의 3D 카메라와 같이 고주파의 구동 신호에 동작 가능한 셔터를 필요로 하는 장치에서 광전 변환에 따라 생성된 전하의 이동을 효과적으로 제어할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 셔터와 기존의 이미지 센서에서 셔터가 스위칭 될 때의 모습을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 9는 1280 × 960 픽셀 해상도를 가지는 이미지 센서에서의 셔터 동작을 시뮬레이션한 결과를 보여 준다. 도 9에서 볼 수 있듯이 일 실시예에 따른 이미지 센서(500, 550)는 단방향 구동 방식(도 9의 single driving) 또는 양방향 구동 방식(도 9의 double driving)에 비해 월등히 개선된 라이즈 타임(rise time) 및 딜레이 타임(delay time)을 가진다. 특히, 단방향 구동 방식을 개선한 양방향 구동 방식에 비해서도 일 실시예에 따른 이미지 센서(500, 550)의 써라운드 구동 방식(도 9의 surround driving of mesh)은 약 15배 정도의 라이즈 타임(rise time) 및 딜레이 타임(delay time)의 개선 효과를 가져온다.
도 10은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 구조 및 레이아웃을 설명하기 위한 도면이다. 도 10에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
도 10을 참조하면, 이미지 센서(5000)는 복수 개의 서브 픽셀 어레이 회로(1000)들을 포함할 수 있다. 이미지 센서(5000)는 구동 신호(TX)에 따라 구동되는 복수 개의 서브 픽셀 어레이 회로(1000)들을 포함하며, 제 1 구동 라인(3000)은 모든 서브 픽셀 어레이 회로(1000)에 구동 신호(TX)를 전송할 수 있다. 제 1 구동 버퍼(4000)들은 제 1 구동 라인(3000)에 구동 신호(TX)를 인가할 수 있다. 예를 들어, 제 1 구동 버퍼(4000)들은 제 1 구동 라인(3000)의 최외곽 라인에 구동 신호(TX)를 인가할 수 있다.
임의의 서브 픽셀 어레이 회로(1000)는 일 실시예에 따른 도 7의 이미지 센서(500) 또는 도 8의 이미지 센서(550)와 같은 구조 및 레이아웃을 가질 수 있다. 예를 들어, 임의의 서브 픽셀 어레이 회로(1000)는 도 7에 도시된 이미지 센서와 같이, 각 픽셀에서 광전 변환에 따른 전하를 생성하는 광전 변환 소자, 광전 변환 소자에서 생성된 전하의 이동을 구동 신호에 따라 제어하는 각 픽셀의 셔터, 서브 픽셀 어레이 회로의 모든 픽셀들의 셔터들을 연결하여, 구동 신호를 전송하는 제 2 구동 라인, 및 제 2 구동 라인에 구동 신호를 인가하는 제 2 구동 버퍼들을 포함할 수 있다.
도 10의 이미지 센서(5000)의 제 1 구동 라인(3000) 및 임의의 서브 픽셀 어레이 회로(1000)의 제 2 구동 라인은 각각 소정의 개수의 행과 열을 가지고, 어느 하나의 행은 모든 열과 교차하며 어느 하나의 열은 모든 행과 교차하는 격자 형태가 될 수 있다.
도 10의 이미지 센서(5000)의 제 1 구동 버퍼(4000)들은 제 1 구동 라인(3000)의 각 행과 각 열의 양끝단에 구동 신호(TX)를 인가하고, 임의의 서브 픽셀 어레이 회로(1000)의 제 2 구동 버퍼들은 제 2 구동 라인의 각 행과 각 열의 양끝단에 제 1 구동 라인으로부터 전송된 구동 신호(TX)를 인가할 수 있다. 또한, 도 10의 이미지 센서(5000)의 제 1 구동 버퍼(4000)들은 제 1 구동 라인(3000)의 행과 열이 서로 교차하는 교차 지점들 중 제 1 구동 라인(3000)의 최외곽 라인에 포함된 교차 지점들에 구동 신호(TX)를 인가하고, 임의의 서브 픽셀 어레이 회로(1000)의 제 2 구동 버퍼들은 제 2 구동 라인의 행과 열이 서로 교차하는 교차 지점들 중 제 2 구동 라인의 최외곽 라인에 포함된 교차 지점들에 제 1 구동 라인으로부터 전송된 구동 신호(TX)를 인가할 수 있다.
도 10의 이미지 센서(5000)의 제 1 구동 버퍼(4000)들은 제 1 구동 라인(3000)의 최외곽 라인을 따라 배치되고, 임의의 서브 픽셀 어레이 회로(1000)의 제 2 구동 버퍼들은 제 2 구동 라인의 최외곽 라인을 따라 배치될 수 있다. 이때, 서브 픽셀 어레이 회로(1000)의 제 2 구동 버퍼들은 리피터(repeater)로서 동작할 수 있다.
도 10의 이미지 센서(5000)의 구조 및 레이아웃은 multiple apeture 이미지 센서 또는 lightfield image sensor와 같이 복수 개의 서브 픽셀 어레이 회로들을 갖는 이미지 센서에 적용할 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 이미지 센서를 구동하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 이하, 생략된 내용이라 하더라도, 이상에서 이미지 센서(500)에 대하여 기술한 내용은 이미지 센서(500)를 구동하는 방법에 대해서도 적용될 수 있다.
먼저, 픽셀 어레이(200)를 포함하는 이미지 센서의 각 픽셀(100)에서 광전 변환에 따른 전하를 생성한다.(S 1110)
광전 변환에 따라 생성된 전하의 이동을 제어하는 각 픽셀(100)의 셔터(140)를 구동하는 구동 신호를 발생시킨다.(S 1120)
픽셀 어레이(200)의 모든 픽셀(100)들의 셔터(140)들을 연결하는 구동 라인(300)에 구동 버퍼(400)들을 이용하여 구동 신호를 인가한다.(S 1130) 예를 들어, 픽셀 어레이(200)의 모든 픽셀(100)들의 셔터(140)들을 연결하는 구동 라인(300)의 최외곽 라인에 구동 버퍼(400)들을 이용하여 구동 신호를 인가할 수 있다. 구동 라인(300)에 의해 연결된 셔터(140)들은 구동 신호에 따라 동시에 열리거나 닫힐 수 있다. 구동 라인(300)은 픽셀 어레이(200)의 어느 하나의 행에 포함된 픽셀들의 셔터들을 나머지 다른 행에 포함된 픽셀들의 셔터들과 전기적으로 연결할 수 있다.
구동 라인(300)은 소정의 개수의 행과 열을 가지고, 어느 하나의 행은 모든 열과 교차하며 어느 하나의 열은 모든 행과 교차하는 격자 형태일 수 있다. 구동 버퍼(400)들은 격자 형태의 구동 라인(300)의 각 행과 각 열의 양끝단에 구동 신호(TX)를 인가할 수 있다. 또한, 구동 버퍼(400)들은 격자 형태의 구동 라인(300)의 행과 열이 서로 교차하는 교차 지점들 중 최외곽 라인에 포함된 교차 지점들에 구동 신호(TX)를 인가할 수도 있다.
구동 라인(300)을 통하여 구동 신호를 각 픽셀(100)의 셔터(140)에 전송한다.(S 1140)
이제까지 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 개시된 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 개시된 실시예들이 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 실시예들에 따른 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 발명의 범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 ... 픽셀
120 ... 광전 변환 소자
140 ... 셔터
200 ... 픽셀 어레이
300 ... 구동 라인
400 ... 구동 버퍼
500 ... 이미지 센서

Claims (20)

  1. 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서에 있어서,
    각 픽셀에서 광전 변환에 따른 전하를 생성하는 광전 변환 소자;
    상기 생성된 전하의 이동을 구동 신호에 따라 제어하는, 상기 각 픽셀의 셔터;
    상기 픽셀 어레이의 모든 픽셀들의 셔터들을 연결하여, 상기 구동 신호를 전송하는 구동 라인; 및
    상기 구동 라인에 상기 구동 신호를 인가하는 구동 버퍼들;
    을 포함하는 이미지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 라인은 소정의 개수의 행과 열을 가지고, 어느 하나의 행은 모든 열과 교차하며 어느 하나의 열은 모든 행과 교차하는 격자 형태인 이미지 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 구동 버퍼들은 상기 구동 라인의 각 행과 각 열의 양끝단에 상기 구동 신호를 인가하는 이미지 센서.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 구동 버퍼들은 상기 구동 라인의 최외곽 라인을 따라 배치되는 이미지 센서.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 구동 버퍼들은 상기 구동 라인의 행과 열이 서로 교차하는 교차 지점들 중 최외곽 라인에 포함된 교차 지점들에 상기 구동 신호를 인가하는 이미지 센서.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 격자 형태의 구동 라인의 개수는 상기 각 픽셀의 셔터의 개수에 비례하는 이미지 센서.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 라인은 상기 픽셀 어레이의 어느 하나의 행에 포함된 픽셀들의 셔터들을 나머지 다른 행에 포함된 픽셀들의 셔터들과 전기적으로 연결하는 이미지 센서.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동 라인에 의해 연결된 상기 셔터들은 상기 구동 신호에 따라 동시에 열리거나 닫히는 이미지 센서.
  9. 복수 개의 서브 픽셀 어레이 회로를 포함하는 이미지 센서에 있어서,
    구동 신호에 따라 구동되는 상기 복수 개의 서브 픽셀 어레이 회로;
    상기 복수 개의 서브 픽셀 어레이 회로를 연결하여, 상기 구동 신호를 전송하는 제 1 구동 라인; 및
    상기 제 1 구동 라인에 상기 구동 신호를 인가하는 제 1 구동 버퍼들;
    을 포함하는 이미지 센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 서브 픽셀 어레이 회로 각각은,
    각 픽셀에서 광전 변환에 따른 전하를 생성하는 광전 변환 소자;
    상기 생성된 전하의 이동을 상기 구동 신호에 따라 제어하는, 상기 각 픽셀의 셔터;
    상기 서브 픽셀 어레이 회로의 모든 픽셀들의 셔터들을 연결하여, 상기 구동 신호를 전송하는 제 2 구동 라인; 및
    상기 제 2 구동 라인에 상기 구동 신호를 인가하는 제 2 구동 버퍼들;
    을 포함하는 이미지 센서.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 구동 라인 및 상기 제 2 구동 라인은 소정의 개수의 행과 열을 가지고, 어느 하나의 행은 모든 열과 교차하며 어느 하나의 열은 모든 행과 교차하는 격자 형태인 이미지 센서.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 구동 버퍼들은 상기 제 1 구동 라인의 각 행과 각 열의 양끝단에 상기 구동 신호를 인가하고,
    상기 제 2 구동 버퍼들은 상기 제 2 구동 라인의 각 행과 각 열의 양끝단에 상기 구동 신호를 인가하는 이미지 센서.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 구동 버퍼들은 상기 제 1 구동 라인의 최외곽 라인을 따라 배치되고,
    상기 제 2 구동 버퍼들은 상기 제 2 구동 라인의 최외곽 라인을 따라 배치되는 이미지 센서.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 구동 버퍼들은 상기 제 1 구동 라인의 행과 열이 서로 교차하는 교차 지점들 중 상기 제 1 구동 라인의 최외곽 라인에 포함된 교차 지점들에 상기 구동 신호를 인가하고,
    상기 제 2 구동 버퍼들은 상기 제 2 구동 라인의 행과 열이 서로 교차하는 교차 지점들 중 상기 제 2 구동 라인의 최외곽 라인에 포함된 교차 지점들에 상기 구동 신호를 인가하는 이미지 센서.
  15. 픽셀 어레이를 포함하는 이미지 센서를 구동하는 방법에 있어서,
    각 픽셀에서 광전 변환에 따른 전하를 생성하는 단계;
    상기 생성된 전하의 이동을 제어하는 상기 각 픽셀의 셔터를 구동하는 구동 신호를 발생시키는 단계;
    상기 픽셀 어레이의 모든 픽셀들의 셔터들을 연결하는 구동 라인에 구동 버퍼들을 이용하여 상기 구동 신호를 인가하는 단계: 및
    상기 구동 라인을 통하여 상기 구동 신호를 상기 각 픽셀의 셔터에 전송하는 단계;
    를 포함하는 이미지 센서를 구동하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 구동 라인은 소정의 개수의 행과 열을 가지고, 어느 하나의 행은 모든 열과 교차하며 어느 하나의 열은 모든 행과 교차하는 격자 형태인 이미지 센서를 구동하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 구동 신호를 인가하는 단계는,
    상기 구동 라인의 각 행과 각 열의 양끝단에 상기 구동 버퍼들을 이용하여 상기 구동 신호를 인가하는 이미지 센서를 구동하는 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 구동 신호를 인가하는 단계는,
    상기 구동 라인의 행과 열이 서로 교차하는 교차 지점들 중에 최외곽 라인에 포함된 교차 지점들에 상기 구동 신호를 인가하는 이미지 센서를 구동하는 방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 구동 라인은 상기 픽셀 어레이의 어느 하나의 행에 포함된 픽셀들의 셔터들을 나머지 다른 행에 포함된 픽셀들의 셔터들과 전기적으로 연결하는 이미지 센서를 구동하는 방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 구동 라인에 의해 연결된 상기 셔터들은 상기 구동 신호에 따라 동시에 열리거나 닫히는 이미지 센서를 구동하는 방법.
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