정보통신대학 반도체시스템공학과 최재혁, 전정훈 교수 연구팀은 극한 조도 환경에서도 고속으로 사물의 입체 영상을 왜곡 없이 촬영 가능한 모바일용 Time-of-Flight (ToF) CMOS 이미지센서의 개발에 성공하고, 그 연구 논문 (1저자: 김동욱 박사과정, 참여연구원: 박찬성 석박통합과정, 박지훈 박사과정, 안연수 석사과정, 조기환 석사과정)이 반도체 회로 분야의 최고 학술대회인 International Solid-State Circuits Conference (ISSCC)에 논문 게재 확정되었다. 

ISSCC는 1954년에 설립되어 올해로 66년의 역사를 가지고 있으며, 반도체 회로 분야의 올림픽이라 불리는 가장 권위 있는 학회로, 매년 25개국 3000명 이상의 학자와 기술자들이 모여 세계 최고의 회로 기술들을 선보인다. 엄격한 리뷰과정을 통해 논문들을 채택하고, Intel, Samsung과 같은 세계 최고의 기업들이 최신 기술을 경쟁적으로 발표하는 곳으로도 유명하다. 각 기관이나 나라의 ISSCC 논문 편수가 반도체 설계 기술 경쟁력을 나타내는 지표로도 사용된다.

사물의 형상 뿐만 아니라 거리 정보를 감지하는 3D 이미지센서는 Apple의 Face ID를 시발점으로 3차원 얼굴인식, 사진 촬영시의 거리기반 자동초점 조절, 증강 현실을 위한 3차원 영상합성과 같은 모바일 어플리케이션 뿐만 아니라 로봇 네비게이션, 보안 어플리케이션의 사물/동작인식 등 그 활용 수요가 급격히 증가하고 있다. 

ToF 이미지센서는 적외선광을 고주파 변조하여 조사, 물체로부터 반사되는 반사광의 거리에 따른 위상 변화를 감지하여 물체의 형상 및 거리를 감지하는 센서로, 기존 모바일 기기에 사용되던 구조광 방식의 3D 이미지센서의 크기 한계를 극복하고, mm급의 미세한 거리 정밀도를 가지는 초소형 센서 반도체이다. 

ToF 이미지센서는 최근 모바일 기기에 탑재되기 시작하였으나, 일본 기업 (SONY)이 시장을 선점하였으며, 깊이 해상도 및 영상 해상도의 한계, 움직이는 사물 촬영시의 왜곡, 그리고 야외 촬영시의 극한 조도에 의한 포화라는 기술적 난제를 가지고 있다. 최재혁, 전정훈 교수 연구팀은 깊이 해상도를 향상시키는 고속 포토다이오드 소자, 320 x 240 화소의 물리적 픽셀을 640 x 480 (VGA) 해상도로 출력하는 업스케일링 영상처리기, 움직임 왜곡을 감소시키는 동적 모듈레이션 회로, 그리고 극한 조도에 의한 왜곡 신호를 제거하는 외광 제거기 회로를 집적한 ToF 이미지센서 SoC를 개발하고, UNIST 및 국내 Fabless 기업인 ZeeAnn 과 협업하여 prototype 센서 반도체를 제작, 기존 ToF 센서들을 압도하는 성능을 내었다.

해당 논문은 2020년 2월, ISSCC의 Imagers and ToF Sensors 세션에서 발표될 예정이다. 해당 세션에 채택된 총 10편의 논문들은 Samsung, Sony, Toshiba, Panasonic과 같이 주로 세계 최고의 기업들에 의해 발표되며, 국내 대학으로서는 성균관대가 유일하다. 본 연구에서 개발된 ToF 이미지센서는 논문 발표뿐만 아니라 ISSCC 학회의 demonstration 세션에서 직접 그 동작 및 성능이 시연될 예정이다.

※논문: “A Dynamic Pseudo 4-Tap CMOS Time-of-Flight Image Sensor with Motion Artifact Suppression and Background Light Cancelling Over 120klux”, ISSCC, 2020. 

※저자: 김동욱 (1저자, 성균관대 전자전기컴퓨터공학과), 최재혁 (교신저자, 성균관대 반도체시스템공학과), 전정훈 (공동저자, 성균관대 반도체시스템공학과), Canxing Piao Park·안연수·조기환  (공동저자, 성균관대 전자전기컴퓨터공학과), 이승현·박다환·김성진 (공동저자, UNIST 전기 및 전자공학과), 신정순·송승민 (공동저자, ZeeAnn)