CMOS 이미지 기술의 눈부신 진화
CCD 기술과 대응한 위치까지 … ‘용호상박’ 게임은 지금부터
CMOS 이미지 기술을 설계하고 제조하는 분야에서 혁신적 개선이 일어나고 있다. 디자이너들이 기존에 장치를 구현할 때 생기는 문제점들을 극복하기 시작한 것. 지금까지 CMOS 기술은 여러 리미터들 사이의 효율을 최적화하는 장치로만 대두되어왔다. 하지만 CMOS 이미지 기술 설계 분야가 머신비전 애플리케이션을 위한 진정한 경쟁력으로 발돋움하고 있다. 개발자들은 CMOS 이미지 기술의 필요성을 깨닫고 상당한 시간과 비용을 투자해왔다. 그 결과 CMOS 이미지 기술은 꽤 많은 발전을 이룩했으며, 급기야는 머신비전 분야를 주름잡고 있던 CCD 기술과 경쟁할 수 있을 정도로 성장했다.
자료제공 | Teledyne DALSA
머신비전 응용프로그램을 구성하면서 그 프로그램에 가장 알맞은 카메라를 선택하고자 할 때, 머신비전 시스템은 이미지센서를 비롯한 카메라 각 구성요소들 사이의 섬세한 균형을 필요로 한다. 여기서 이미지센서를 구성할 때 반드시 생각해야 할 것이 CMOS와 CCD라는 큰 틀을 구분하는 것이다.
지난 10년 동안 CMOS 기술이 비약적으로 발전함에 따라 고속 검사를 위한 기본 토대를 마련했고, CCD가 무조건 우세하던 과거와는 달리 현재는 어느 이미지센서를 사용하는지가 중요해졌다.
CMOS의 눈부신 성장
세 가지 주요 특징을 통해 에어리어 이미지 장치의 두 요소, 즉 CCD와 CMOS 사이의 대립에 대해 정의할 수 있다.
첫 번째 특징은 이미지의 성능이다. CMOS 기술은 이미지 품질·최대 초당 프레임(fps)·해상도 등 다양한 부문에서의 성능이 눈에 띄게 향상되었으며, 그 때문에 CCD와 CMOS 중 어느 하나가 우세하다고 단정짓기 힘들다. 두 번째 특징은 각 카메라 혹은 이미지센서끼리 경쟁하는 탓에 선택이 매우 어려워졌다는 사실이다. 특히 윈도우 지원 및 전원 소비 같은 기능이 부가적으로 지원되면서 결정을 내리기가 더욱 복잡해졌다. 마지막 특징은 타당성으로, 비용·대체 효율성·신뢰성 등을 서로 비교하며 이미지 기술을 결정하게 된다.
과거 이미지 품질의 한계는 대개 CCD ILT(인터라인 전송 CCD라고도 한다) 이미지센서를 필요로 했지만, CMOS 센서가 등장함에 따라 더 나은 이미지 품질을 주도하게 되었고, 그 결과 원하는 이미지 품질을 훨씬 빠르게 얻을 수 있는 시스템을 선보이며 새로운 가능성을 열었다.
지금까지 이미지의 셔터 분야에서 독보적인 기술은 CCD ILT 기술이었다. 반면 첫 CMOS 세대 기술은 롤링 셔터 기술만을 믿고 시장에 뛰어들었고, 고속·저 전력·저비용이라는 장점마저 갖추었음에도 불구하고 대부분의 셔터 애플리케이션 시장에서 철저히 배제되었다.
하지만 기술이 발전해 CMOS 센서에도 글로벌 셔터 기술이 도입되었고, 글로벌 셔터는 롤링 셔터의 한계를 해결하며 CMOS 기술을 전파하는 선두주자가 되었다. 뿐만 아니라 최근 급격히 발전한 기술력은 신호 대비 잡음 비율(SNR)을 개선하며 노이즈를 현저히 줄이는 데 성공했다.
이를 통해 CMOS는 CCD ILT를 능가할 수 있는 발판을 마련했다. 이제 고속 머신비전 애플리케이션에서 CMOS는 CCD ILT의 기술력, 성능 그리고 가격을 압도하고 있다.
기술을 주도하는 CMOS
최근 CMOS 기술은 매우 높은 데이터 처리량을 통해 해상도와 속도 사이의 상충을 줄였다. 빠른 속도와 높은 대역폭을 자랑하는 아날로그-디지털 컨버터로 고속·고해상도 영상을 구현할 수 있게 되었다. 이를 통해 카메라링크 표준이 가지고 있는 데이터 전송 속도를 따라잡을 수 있게 되었으며, 나아가 새로운 고대역폭 표준인 카메라링크 HS를 확립하는 데 주요 원동력이 되었다.
개발자들은 글로벌 셔터 픽셀 등 다양한 픽셀 구조를 발전시켰다. 그 결과 과거 고속 응용프로그램에서 문제점으로 지적되었던 속도와 이미지 품질 사이의 간극을 좁히는 데 성공했다. 이 기술은 현재 고급 CMOS 이미지센서의 사실상 표준이다.
CMOS 기술은 현재 고정 광다이오드 기술(Pinned Photodiode Technology, PPD)이나 최적화된 주입 기술 등을 사용해 암전류와 핫 픽셀, 그리고 노이즈와 이미지 지연을 줄이는 단계까지 왔다. 이는 픽셀의 신호 대비 잡음비를 상당 부분 개선했음을 의미한다. 낮은 잡음을 갖춘 새 이미지 센서는 적은 조명으로 빠른 프레임 속도를 달성하며, 더 낡고 느리며 노이즈가 많은 디자인을 가지고도 현재와 같은 신호 대비 잡음 비율을 얻을 수 있다.
새 CMOS 이미지 기술의 혜택은 CMOS 이미지 센서에만 국한되지 않는다. CMOS 카메라 설계 기술이 발전하면서 이미지 성능 면에서 새로운 가능성을 제시하고 있는 것.
예를 들어 카메라 내장형 실시간 처리 기술은 픽셀에 반응하는 불균일 보정 등의 작업을 할 수 있는 기술로, 비전형적 센서를 포함하는 것이 특징이다.
카메라의 내장형 처리 기술은 비전시스템을 단순화하기도 하는데, 이는 전통적으로 프레임그래버에서 수행하던 실시간 플랫필드 보정과 같은 작업을 대신한다.
카메라 설정 단계에서 윈도 기능과 카메라의 길이 비율을 변경할 수 있는 기술은 CMOS 이미지센서가 사용자에게 추가적 기능을 제공하는 좋은 예다.
CMOS 센서 발전의 난제들
CMOS 픽셀 구조 설계에서 CMOS 이미지센서의 성능을 정의하는 몇 가지 요소들이 있다. 이들 중 일부는 굉장히 핵심적이고 기본적이며, 반대로 물리적 상충을 비롯한 몇몇 요인은 실리콘 혹은 장치의 실현 면에서 비전형적이다.
과거 CMOS 기술 개발에 있어 주요 과제 중 하나는 영상의 아티팩트(원래의 영상이 아닌 얼룩이나 흠집 등 오점이 있는 부분, 편집자 주)를 제거하는 것이었다. 극한의 상황이나 특정 응용프로그램 혹은 조명 등에서 CMOS 이미지센서를 사용할 때 나타나는 아티팩트에 주의해야 한다. 이런 디자인적인 난관에 봉착할 경우 이미지 아티팩트가 센서의 조합을 무용지물로 만들 수 있기 때문이다.
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충전율(Fill Factor)
픽셀에 주어진 트랜지스터 수와 이것의 충전율 사이에는 역관계가 성립한다. 충전율은 픽셀의 감광지역을 백분율로 나타낸 값으로, 센서의 감도와 이미지의 S/N(Shipping Note, 신호 대비 잡음 비율을 다르게 나타낸 말. 편집자 주)에 직접적 영향을 미친다.
반면, 픽셀에 더 많은 트랜지스터를 추가하면 글로벌 셔터 및 상호연관 이중 샘플링(CDS)와 같은 기능을 활용할 수 있어 이미지 향상에 도움이 된다.
조명 수용 각도
대부분의 CMOS 이미지센서는 픽셀 당 트랜지스터가 증가하는 것을 최소화하기 위해 마이크로렌즈를 사용하고 있다. 마이크로렌즈는 트랜지스터가 증가함에 따라 손실된 픽셀을 일부 보상하는 역할을 한다.
하지만 마이크로렌즈는 픽셀의 조명 수용 각도를 줄이는 주범이기도 하다. 마이크로렌즈를 사용하면 트랜지스터의 숫자와 이미지 품질이라는 서로 상반되는 관계를 부각시키게 된다.
픽셀 충전 용량(Qsat)과 최대 노출 레벨
픽셀 안에 트랜지스터가 늘어나면서 생기는 또다른 문제점은 픽셀 충전 용량이 감소한다는 것이다. 또한 픽셀 크기가 줄어든다는 것은(같은 크기의 센서로 더 큰 해상도 이미지를 얻고자 할 때)전하 충전을 위한 공간이 줄어드는 것을 의미한다. 이로 인해 결과적으로 더 낮은 픽셀 충전 용량을 갖게 된다.
픽셀 용량이 감소하면 일부 응용프로그램에서의 적합성에 직접적으로 영향을 미친다. 예를 들어 여러 응용프로그램에서 카메라는 이미지의 회색 그림자와 밝은 영역을 구분해야 한다. 이런 응용프로그램에서는 절대적 노이즈 플로어가 아닌 샷 노이즈가 결정적 역할을 한다.
샷 노이즈의 한계 척도에서 신호 대비 잡음 비율은 캡처된 광자 신호의 제곱근으로 작용하며, 따라서 샷 노이즈는 제한된 애플리케이션에서 높은 픽셀 저장용량을 요구한다. 높은 픽셀 저장용량은 이미지 장치의 크기를 최소화하며 여러 비전형적 이미지(예를 들어 ‘blooming’ 현상이나 ‘parasitic’현상 같은 아티팩트)에 영향을 미친다.
최소 노출 시간과 해상도 그리고 전원
최소 노출 시간은 영상장치의 실제 최대 속도를 정의한다. 최적화되지 않은 센서가 적은 노출 시간동안 촬영했을 때 아티팩트를 발생할 수 있다. 이는 일반 노출 시간과 같은 방식으로 영상을 촬영하기 때문이다.
CMOS 센서 설계에서 최소 노출 시간은 센서로 신호가 전파되는 속도에 의해 결정된다. 전압 안정화는 차선의 시그널 라우팅 구조(suboptimal signal routing schemes)에 의해 손상될 확률이 있다. 이 문제는 센서 해상도가 높아질수록 더 눈에 띄게 된다.
한편, 영상 획득을 용이하게 하기 위해 센서의 반응속도를 높여 정말 짧은 노출 시간을 만들면 더 높은 노출로 이어져 아티팩트라는 결과를 만들어내며 소비전력 또한 높아진다.
가장 적은 노이즈 달성하기
픽셀에 있어 가장 적은 노이즈를 만드는 것은 빛이 부족한 응용프로그램에 중요하다. 복잡한 픽셀 회로망과 단수 증가라는 요소는 센서의 노이즈 플로어에 부정적 영향을 미칠 수 있다.
상관된 이중 샘플링(Correlated Double Sampling, CDS. CMOS 장치를 통해 CCD ILT와 동등하거나 혹은 더 나은 노이즈를 달성하기 위해서는 이 기능이 반드시 필요하다)와 같은 필수 기술 등은 픽셀 양식에서 추가 메모리가 있어야 한다. 이 추가 기능은 광을 수집하고 신호를 저장하기 위해 픽셀에 작은 공간을 차지한다. 따라서 광 효율과 최대 신호 처리 용량을 제한한다.
CMOS 글로벌 셔터 픽셀의 CDS를 최대한 구현하기 위한 몇몇 연구가 한창이다. 일반적으로 ‘Charge Domain’ 기술이 ‘Voltage Domain’ 기술보다 뛰어나다고 알려졌다. 하지만 전자(Charge Domain)는 셔터의 누설에 더욱 예민하다.
셔터의 누출
CMOS 픽셀을 판독할 때, 픽셀의 빛에 민감한 부분에서 신호가 발생한다. 시스템은 다음 신호를 변환하고 데이터를 전송하기 위해 이 신호를 기억 영역으로 이동시킨다. 이 때 기억 영역에서 이미지 영역의 픽셀을 완벽히 격리하지 못할 가능성이 있다. 이에 기억 장치 노드가 불필요한 신호를 수집하고, 그 결과 ‘parasitic’ 아티팩트를 저장할 수 있다.
이럴 때는 신호를 즉시 전압 및 표본으로 바꿈으로써 전압의 유출을 줄일 수 있다. ‘Voltage Domain’ 글로벌 셔터라는 이름으로도 유명한 이 기술은 별도 콘덴서를 필요로 한다.
하지만 이 기술이 만능인 것만은 아니다. 이 기술은 노이즈 레벨을 증가시키고 차지 도메인 CDS와 관련해 이전에 언급했던 거의 모든 방식으로 퍼포먼스 패러미터에 부정적 영향을 준다는 단점이 있다.
‘Voltage Domain’ 글로벌 셔터 구조에 대한 대안적 접근 방식은 ‘Charge Domain’ 구조다. 이 구조는 차폐 지역에서 이미지 이동이 이루어진다. 이 구조는 픽셀의 복잡성을 크게 줄일 수 있다는 장점이 있다. 하지만 픽셀 안에 있는 구성 요소들이 최적화 이행을 해야 한다는 점이 난제로 작용한다.
글로벌 셔터와 다른 퍼포먼스 패러미터 사이에 더 나은 교환 설계를 실현하기 위해 CMOS 제조공정에 대해 정통해야 하며, 제조공정에서의 다양한 시도가 필요하다. 이 방법을 통해 픽셀에 들어가는 고품질 요소들의 개수를 줄이면서 동시에 좀 더 복잡한 픽셀 회로를 만드는 것과 같은 결과를 낳을 수 있다.
갈무리
CMOS 이미지 장치를 설계하는 과정에 여러 경쟁 요인(competing factors)이 산재해있다. 대부분 요소들이 실질적인 설계의 구현에 있어 비전형적 요소로 작용하는 것과 대조적으로, 몇몇 trade-offs는 핵심적이며 장치의 물리적인 운용과도 관련이 있다. 좋은 CMOS 이미지 장치의 설계는 최적의 디자인을 위해 이러한 요소들을 모두 고려해야 한다. CMOS 기술은 시간이 지나며 영상장치 성능을 지속적으로 향상시켜나갈 것이다.
오늘날의 사용자들은 고해상도·고속 이미지 장치들이 가져다주는 이점을 모두 누릴 수 있으며, 몇몇 이미지 장치들은 응용프로그램의 요구사항을 초과하는 품질을 제공한다.
CMOS 기술은 앞으로 현재의 이미지 장치 조합을 벗어나 아무런 제약 없이 새로운 모습으로 우리를 맞이할 것이다.
