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1. 집적회로
Complementary Metal–Oxide Semiconductor상보적(형) 금속산화막(물) 반도체.
집적회로의 한 종류. PC, 스마트폰, 디지털 카메라 등 일상적으로 사용되는 대부분의 전자기기의 집적회로에 널리 채용되고 있다. MOSFET 소자로서 Drain/Source 단자가 p+ 로 도핑된 PMOS와 Drain/Source 단자가 n+로 도핑된 NMOS를 상보적 대칭으로 사용하는 공정을 의미한다. 따라서 PMOS 또는 NMOS 한 종류의 MOSFET만 사용될 경우 CMOS라 하지 않는다. 주로 마이크로프로세서나 SRAM, 이미지 센서 등의 집적회로를 구성하는 데 이용된다. BJT 소자를 이용한 공정보다 가격이 싸고 저전력 회로 구현이 가능해서 집적회로 공정에서 가장 널리 쓰이는 기술이 되었다.
보통 디지털 논리회로에서 반도체 소자의 작동 전압을 CMOS 레벨(3.3V), 혹은 TTL 레벨(5V)로 구분한다. 이것은 과거에 소자의 특성에 따라 정한 작동 전압들이 지금까지 전통적인 용어로써 이어져 내려온 것이다. 물론 실제로는 CMOS 소자들이 무조건 3.3V에서만 작동하는 것도 아니고 TTL 소자들도 5V를 칼같이 맞춰야만 하는 것은 아니다. 작동전압은 소자의 작동조건에 따라서 변동될 수 있으며 제조사가 제공하는 각 소자의 특성을 고려하여 최종적으로는 회로설계자가 결정한다.
2. PC에서의 CMOS
PC에서 말하는 CMOS의 어원 또한 집적회로에서 따 온 것이다. 컴퓨터를 끄더라도 시스템 시간이나 각종 부팅 정보, 하드웨어 설정처럼 항시 유지를 해야 하는 정보들이 많다. 펌웨어 같은 내부 S/W는 ROM이라는 비휘발성 메모리에 저장하면 되지만 지금[1]과 달리 컴퓨터 초창기 ROM은 말 그대로 읽기 전용이었고 그 후에 나온 ROM도 자외선을 장시간 쬐거나 별도의 롬라이터가 있어야 읽고 쓸 수 있었다.그래서 전원이 차단되더라도 메인보드에 내장된 ROM과 함께 읽고 쓸 수 있는 별도의 작은 CMOS 메모리를 함께 넣었고 일부 정보들을 백업하고 여기에 건전지로 상시 전압을 걸어주어 데이터가 손실되지 않게 한다. 현재 사용되는 이런 메인보드 건전지는 CR2032 규격을 사용하며 약 3V 정도로 CMOS 레벨보다 약간 작은 전압이 뜬다. 이 건전지는 흔히 수은 전지라고 하지만 실제로는 리튬 전지가 사용된다.
현재 시점에는 플래시메모리나 EEPROM처럼 작고 저렴한 비휘발성 메모리가 널리고 널렸지만 예나 지금이나 메인보드에는 건전지로 백업되는 CMOS SRAM이 탑재된다. 이렇게 하는 이유는 CMOS 데이터가 하드웨어와 너무 밀접하기 때문에 CMOS 데이터에 문제가 생겼을 경우 매우 높은 확률로 부팅조차 할 수 없게 되기 때문이다. 이 때 데이터가 비휘발성 메모리에 있으면 사용자가 임의로 초기화 시키기가 힘들기 때문에 건전지만 빼주면 바로 완전 리셋이 가능한 SRAM을 이용하는 쪽이 좀 더 안전성이 있다. 또한 컴퓨터를 종료했더라도 시스템 시간은 계속 흐르게 해야 하기 때문에 초저전력으로 RTC 동작을 쉽게 만들 수 있는 CMOS SRAM이 소비전력 측면에서 더 우수하다. 이 데이터는 건전지를 빼고 시간이 지나면 모두 삭제되며, 이 경우 보통 메인보드는 별도의 ROM으로부터 다시 초기값들을 읽거나 바이오스 프로그램에 내장된 기본값으로 CMOS 데이터를 복구한다. 전지를 뺐더라도 CMOS에 있던 데이터가 바로 날아가진 않으며 약 1분 정도의 시간이 필요하다.
현 시점에는 UEFI가 본격적으로 보급됨에 따라 UEFI 펌웨어를 담는 공간으로 플래시메모리가 사용되기 시작했다. 그리고 보통 UEFI에서 수행한 각종 세팅도 이 플래시메모리 공간에 저장하므로 CMOS SRAM 또한 사라졌으며, 실제로 배터리가 없더라도 이제는 컴퓨터를 켜는데 별 문제가 없다. 그러나 지금도 RTC 기능을 구현하기 위해서 백업 전원이 필요하기 때문에 여전히 메인보드에 건전지가 달려있으며 그래서 건전지를 빼더라도 물리적으로는 시간 데이터만 초기화 된다. 건전지를 뺐을 때 UEFI 세팅이 초기화 되는 이유는 펌웨어가 건전지가 분리되었었음을 감지하거나 초기화 요구조건을 확인하고 초기화를 시켜주기 때문이다.
전지의 수명이 다 하면 깜박이 현상으로 시스템의 시간이 1970년 1월 1일이나 메인보드 제조년도로 초기화와 동시에 기존 오버클럭 등의 각종 설정도 같이 초기화 된다든가 하는 증상을 보이는게 대표적이다. 일부 제조사의 경우 드문 현상으로 컴퓨터의 전원버튼을 눌러도 부팅이 불가능한 현상도 발생하기도 하며 전지 수명이 임박했거나 끝났을때 F1 등의 일부키 경고를 남기는 경우도 있다. 그러니 CMOS가 자꾸 지워지면 건전지를 갈아 주자. 메인보드마다 정확한 위치는 다르며, 매뉴얼에 보면 위치가 나와 있다.
3. 이미지 센서
보통 디지털 카메라, 스마트폰에서의 CMOS라면 이것을 말한다. CMOS 집적회로를 이용하여 이미지 센서를 만든 것.2000년대 초반까지만 해도 CMOS는 CCD에 비해 화질에서 굉장히 불리하였다. 그리하여 휴대폰 카메라 센서나 CCTV 센서 등으로 사용되는 것이 일반적이었지만, 상대적으로 저렴한 생산비용, 원가절감 등 때문에 계속 투자가 이뤄진 결과 기술의 발전으로 극복되었다. 특히 대형화에 유리한 점 때문에 2010년 이후 거의 대부분의 DSLR은 CMOS를 채용하고 있으며, 이면조사 센서 등도 CMOS를 기반으로 만들어지고 있다. 설계 구조상 CCD에 비해 전력 소모가 적다는 것이 가장 큰 차이이며, 불량화소 문제나 센서부 고장 등의 문제에서도 CCD에 비해 나은 기술이 되었다. 그리고 가격이 상대적으로 저렴하다. 태생적으로 CCD에 비하면 노이즈가 많은 편이지만, 발열이 적어 장시간 노출의 핫픽셀에는 되려 더 나은 결과를 보여 주기도 한다.
천문관측에서는 최근까지도 노이즈가 적다는 이유로 CCD를 보편적으로 사용하고 있지만, 최근 들어 비교적 저렴한데다 짧은 노출을 주기 쉽고 영상 데이터를 읽는 속도가 빠르며[2] 자외선과 적외선 영역에서의 양자효율(감도)이 좀 더 낫다는 이유로 CMOS를 천문관측에 활용하려는 움직임이 이루어지고 있다.
그리고 CCD는 구조 상 무조건 글로벌 셔터인 것과는 반대로 CMOS는 한동안 거의 무조건 롤링 셔터였던 탓에, 특히 영상 촬영 분야에서는 젤로 현상에 민감한 촬영자는 기피하는 경우가 있었다. 최근에는 글로벌 셔터인 CMOS도 개발되었다.
덤으로, CMOS 이미지 센서는 괜찮은 난수 생성기 혹은 방사선 측정기가 될 수 있다. 일단 중요한 건 카메라 렌즈에서 끼이는 노이즈는 꽤나 적다는 것. 그래서 보통 이런 노이즈를 잡기 위해서 카메라 렌즈를 가려놓아야 한다. 사진은 시간당 10 시버트를 방출하는 세슘 137 선원 앞에 스마트폰으로 촬영한 것.
2014년에이를 이용한 CRAYFIS 프로젝트가 발족되기도 했다. 300 엑사 전자볼트짜리 OMG 입자를 카메라의 CMOS로 검출해 내는데, OMG 입자의 경우 가리지 않아도 엄청난 에너지로 인해서 스마트폰의 CMOS에 노이즈를 주는데 이 노이즈를 검출해내어 데이터를 서버로 보내는 것. 하지만 마지막 업데이트가 2016년으로 사실상 종료됐다.
초고감도 센서중 하나인 sCMOS 도 있다. 이는 야간투시경과 비슷한 성능을 발휘한다.
3.1. 관련 시장
이미지 센서 시장은 2015년 100억 달러에서 2020년 150억 달러로 확대될 전망이라고 한다. 기사 2010년대 중반부터 스마트폰 시장의 급성장으로 절반 이상의 이미지 센서가 스마트폰에 사용되었고 자율주행차· 사물인터넷 등의 확대로 수요처가 다변화되고 시장규모 또한 빠르게 커질것으로 추정된다고.2016년 매출 기준 기업별 점유율은 소니(45.8%), 삼성전자(19.4%), 옴니비전(13.7%), 온세미컨덕터(6.3%), 갤럭시코어(3.7%) 순이었으며, 2018년 점유율은 소니(49.2%), 삼성전자(19.8%), 옴니비전(11.2%) , 온세미(5.8%), SK하이닉스(2.5%), ST마이크로(2.3%). 2020년 점유율은 소니(40%), 삼성전자(22%), 옴니비전(11%), ST마이크로(6%), 온세미(4%), 갤럭시코어(3%), SK하이닉스(2%), 스마트센스(2%), 파나소닉(2%), 캐논(1%). # #