CCD vs. CMOS 어느 것을 선택할 것인가

‘CCD와 CMOS 중 어떤 것이 더 좋은가’라는 질문을 받으면 난감할 수 밖에 없다. 왜냐하면, CCD와 CMOS 이미지 센서의 상대적인 장단점이 많기 때문이다. 따라서 이 논쟁은 많은 사람들이 어떤 확정적인 결론을 낼 때까지 계속될 것이다.
이 글은 비전 솔루션을 핵심으로 하여 제품 및 엔지니어링 컨설팅 및 기술지원 서비스를 제공하는 비전 솔루션 전문기업인 앤비젼이 제공하는 기술 자료이다.

CCD와 CMOS의 소개
CCD와 CMOS 이미지 센서의 원리만으로는 두 개의 이미징 센서 중 어떤 것이 더 나은지 확실하게 대답할 수 없다. 기술과 시장의 발전은 기술적인 가능성 뿐만 아니라 상업적인 가능성에도 영향을 미친다. 이미징 분야는 다양하고 요구 사항이 까다롭다. 어떤 분야에서는 CMOS를 사용하고, 어떤 분야에서는 CCD를 사용한다. CCD(Charge coupled device)와 CMOS(Complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서는 디지털 이미지를 캡처할 수 있는 각각 다른 기술이다. 다양한 분야에 이점을 제공하는 각각 고유한 장단점이 있다.

CCD와 CMOS 이미지 센서 유형 모두 빛을 전하로 변환하고 전자 신호로 처리한다. CCD 센서에서는 모든 픽셀의 전하가 제한된 수의 출력 노드를 통해 전송되어 전압으로 변환되고, 보관되고, 아날로그 신호로 변환되어 오프 칩으로 전송된다. 모든 픽셀이 빛을 캡처하는 데 사용되므로 이미지 품질의 핵심 요소인 출력 균일성이 높다.
CMOS 센서에서는 각 픽셀 자체적으로 전하-전압 변환 장치가 있어, 이 센서들은 종종 앰플라이어, 노이즈 보정 회로, 디지털 회로 등을 포함하여 칩 자체가 디지털 비트를 출력한다. 이러한 많은 기능은 설계의 복잡성을 증가시키고 빛을 캡처할 수 있는 영역을 줄인다. 각 픽셀이 자체 변환을 수행하여 균일성이 낮지만, 속도를 높일 수 있는 전체 대역폭을 많이 사용할 수 있다. 
CCD와 CMOS 이미지 센서 모두 1960년대 후반과 1970년대에 발명되었다(앤비젼의 협력사인 Teledyne DALSA의 설립자인 Savvas Chamberlain 박사는 이 기술 모두의 개발 선구자이다). 사용할 수 있는 제조 기술로 우수한 이미지를 제공하였기 때문에 CCD가 지배적으로 사용되었다. CMOS 이미지 센서는 같은 시간 동안 실리콘 웨이퍼 파운드리가 제공하는 것보다 더 균일해야 하고 더 적은 기능이 필요했다.

소비재 분야의 대량 이미지 센서 생산
세계에서 가장 많이 이미지 센서를 사용하는 휴대 전화 산업을 위해 CMOS 이미지 센서 개발자들은 작은 크기의 휴대 전화에 고집적화하고 적은 전력을 소비해야 하는 것에 노력을 집중했다. CMOS 이미지 센서를 개발하고 미세 조정하는 데에 엄청난 투자가 일어났고 제조 공정도 많이 발전했다. 이러한 투자의 결과로 픽셀 크기가 줄어들더라도 이미지 품질에 큰 개선이 있었다. 따라서 대량 소비재 영역과 Line scan 이미지 센서의 경우 상상할 수 있는 거의 모든 성능을 기반으로 CMOS 이미지 센서는 CCD 이미지 센서를 능가하고 있다.
머신 비전용 이미지 센서
머신 비전 분야에서는 CCD를 대체할 수 있는 휴대 전화 산업의 엄청난 투자로 인해 Area scan 이미지 센서와 Line scan 이미지 센서에 많은 변화가 있었다. 대부분의 머신 비전 Area scan 이미지 센서와 Line scan 이미지 센서는 CCD 기술을 사용해 왔다.

머신 비전에서 CCD와 비교해 CMOS 이미지 센서가 가지는 성능적인 장점은 다음과 같이 간략하게 설명할 수 있다. 머신 비전 분야에서 핵심 성능은 바로 속도와 노이즈이다. CCD와 CMOS 이미지 센서는 신호 전하가 아날로그 신호로 최종적으로 디지털 신호로 변환하는 방법에 차이가 있다.
CMOS Area scan과 Line scan 이미지 센서의 경우 이 데이터 경로의 프런트 엔드는 대용량 병렬 방식이다. 이를 통해 각 앰플라이어는 적은 대역폭을 사용할 수 있다. 이미지 센서와 오프 칩 회로 간의 일반적으로 연결되는 데이터 경로의 병목 현상으로 인해 CMOS 데이터는 디지털 도메인에서 느려진다. 대조적으로, 고속 CCD는 고속 병렬 출력 채널이 많지만, 고속 CMOS 이미지 센서만큼 대규모 병렬이 아니다. 따라서 각각의 CCD 앰플라이어는 더 많은 대역폭을 사용할 수 있지만, 더 많은 노이즈가 발생한다. 이에 따라, 고속 CMOS 이미지 센서는 고속 CCD와 비교하면 더 적은 노이즈가 발생한다. 하지만 일반적인 상황 외적인 요소들이 있다.

근적외선(Near Infrared) 이미지 센서
근적외선(Near infrared, 700~1000nm)으로 촬영하려면 이미지 센서가 두꺼운 광자(Photon) 흡수 영역이 있어야 한다. 이것은 적외선 광자가 가시 영역 광자보다 더 깊게 흡수되기 때문이다.
대부분의 CMOS 이미지 센서 제조 공정은 가시 영역으로만 확인할 수 있는 대량 애플리케이션을 위해 조정된다. 이러한 이미지 센서들은 근적외선(NIR: Near infrared) 영역을 확인할 수 없다. 실제로, 이들은 NIR에서 사용할 수 없는 감도로 설계되었다. 두꺼운 epi 레이어가 높은 픽셀 바이어스 전압 또는 낮은 epi 도핑 레벨과 결합하지 않으면 이미지 센서의 성능을 저하하면서 적외선 감도를 향상할 수 있도록 기판을 두껍게 만들어야 한다. 전압 또는 epi 도핑을 변경하면 CMOS 아날로그와 디지털 회로의 동작에 영향을 미친다.

CCD는 미세한 공간적인 특성을 해결하는 능력을 유지하면서 두꺼운 epi 레이어로 제조할 수 있다. 일부 근적외선 CCD의 경우 epi는 100 미크론 두께로, 일반적인 CMOS 이미지 센서의 epi 두께는 5~10 미크론이다. CCD 픽셀 바이어스와 epi 농도는 epi 두께에 따라 수정해야 하지만, CCD 회로에서의 효과는 CMOS에서보다 더 관리하기 쉽다. 근적외선에서 감도가 매우 좋도록 특별히 설계된 CCD는 CMOS 이미지 센서보다 훨씬 감도가 좋다.

자외선 이미지 센서
자외선 광자(Photon)는 실리콘 표면에 매우 가깝게 흡수되므로 UV 이미지 센서를 UV 광자의 흡수를 방해하는 두꺼운 산화물 또는 질화물, 폴리 실리콘 등의 레이어가 없어야 한다. 따라서 현대 UV 이미지 센서들은 얇은 이면을 가지고, 실리콘 이미지 표면의 상단에 얇은 AR 코팅 레이어만 있다.

이면 박막화(Backside thinning)는 현재 휴대 전화의 이미지 센서에서 아주 흔하지만, UV 감도는 좋지 않다. 안정적으로 UV 감도를 얻으려면 CCD 또는 CMOS 이미지 센서와 상관없이 이미지 센서의 표면에 특수 처리를 해야 한다. 가시 영역의 이미징을 위해 개발된 많은 이면 박막화 이미지 센서들은 장시간 UV에 노출되면 자외선을 흡수하고 변색될 수 있는 두꺼운 산화물 레이어가 있다. 일부 이면 박막화 이미지 센서들은 너무 깊이 실리콘 epi 내로 침투하는 이미징 표면이 있어, UV 광자를 생성하는 전자(Election)를 많이 만들어 재결합할 수 없다.
UV 반응과 이면 박막화는 모든 Line scan 이미지 센서에서 달성할 수 있지만, 일부 Area scan 이미지 센서에서는 달성할 수 없다. 글로벌 셔터(Global shutter) 기능이 없는 Area scan CCD 이미지 센서만 이면 박막화를 수행할 수 있다. 이 경우 CMOS Area scan 이미지 센서가 더 낫다. 롤링 셔터(Rolling shutter)을 사용하는 Area scan CMOS 이미지 센서는 이면 박막화를 수행할 수 있다. 기존의 CMOS Global shutter Area scan 이미지 센서는 박막화할 때 차폐해야 하는 스토리지 노드가 픽셀마다 있다. 이면 박막화된 Area scan 이미지 센서에서는 이미지 센서의 필 팩터(Fill factor)를 저하하지 않고 입사 조명에서 픽셀 일부를 차폐할 수 없다. 여기서 필 팩터는 전체 픽셀 영역 대비 감광 영역의 비율이다. 감광 스토리지 노드가 없는 CMOS Global shutter Area scan 이미지 센서가 있지만, 이 센서는 노이즈가 많고 낮은 Full well Capacity를 가질 수밖에 없고 롤링 셔터만 사용할 수 있다.

TDI(Time Delay and Integration) 이미지 센서
Area scan 이미지 센서와 Line scan 이미지 센서 외에도, 다른 중요한 유형의 이미지 센서가 있다. Line scan 카메라와 비슷하지만 수백 개의 라인으로 이미지를 촬영하는 TDI(Time delay and integration) 이미지 센서는 일반적으로 머신 비전, 원격 탐사 등의 분야에서 많이 사용된다. 각 라인을 통해 개체 이미지가 지나가고 각 라인은 개체의 스냅샷을 촬영한다. 신호가 매우 약한 경우 강력한 신호를 생성하기 위해 개체를 여러 번 촬영하여 합치므로 TDI가 가장 유용하다.
현재, CCD와 CMOS TDI는 서로 다른 방법으로 여러 스냅샷을 합친다. CCD는 신호 전하를 결합하고, CMOS TDI는 전압 신호를 결합한다. CCD에서의 결합 동작은 노이즈가 없지만, CMOS에서는 노이즈가 생긴다. CMOS TDI 이미지 센서에 특정수의 라인보다 더 많은 라인이 있으면 이미지를 결합하는 작업에서 노이즈가 발생하여 현대 CCD TDI 이미지 센서보다 최첨단 CMOS TDI 이미지 센서조차 더 적은 노이즈를 가질 수 없다.
앞으로 CMOS TDI 이미지 센서는 전하를 합치는 CCD와 같은 픽셀을 가짐으로써 CCD TDI를 모방할 것이다. 이것을 전하 도메인 CMOS TDI(Charge domain CMOS TDI)라고 부른다. 전하 도메인 CMOS TDI는 기술적으로 가능하지만, 완벽하게 개발되고 세세하게 조정하기 위해서는 상당한 개발 투자가 필요하다. CMOS Area scan 이미지 센서와 Line scan 이미지 센서와 달리 시장에서는 전하 도메인 CMOS TDI 기술을 선호하지 않고, 휴대 전화 산업에서는 TDI 또는 전하 축적이 필요하지 않다. 따라서 CMOS TDI는 휴대 전화 산업에 편승하여 개발되지는 않을 것이다.

전자(Electon) 곱셈

EMCCD(Electron multiplication CCD)는 곱셈 과정에서 추가적인 노이즈를 제한하는 방식으로 신호 전하 패킷을 곱하는 구조의 CCD이다. 이 결과, 신호대잡음비(Signal-to-noise ratio)가 높다. 이미지 노이즈 층 바로 위에서 신호를 간신히 잡을 수 있는 분야에서 EMCCD는 이전에 식별할 수 없었던 신호를 감지할 수 있다.
CMOS보다 EMCCD는 고속으로 이미지를 촬영하지 않아도 될 때 가장 유리하다. 고속으로 동작하면 CCD에서는 Read noise가 증가한다. 따라서 EMCCD에서 SNR을 개선하더라도 CMSS와 CMOS 이미지 센서 간의 차이는 크지 않다. 특히, 적은 Read noise를 가지도록 특수 설계된 과학용 CMOS 이미지 센서의 경우 더 그렇다. 고속 EMCCD 이미지 센서는 기존 이미지 센서보다 훨씬 더 많은 전력을 소모한다.
적은 노이즈만 가지는 CMOS 이미지 센서는 NIR, UV, TDI 기술과 같은 CCD의 장점을 얻을 수 없다. 이에 따라, 신호가 많이 약해질 수 있으므로 EMCCD가 달성할 수 있는 Read noise 수준과 비교하는 경우에도 EMCCD 솔루션은 여전히 전반적으로 더 나을 수 있다.

비용 고려사항

지금까지, 우리는 CCD와 CMOS 이미지 센서 사이의 성능 차이에 초점을 맞추었다. 이것은 비즈니스 의사 결정은 성능 장단점만으로 한다고 가정하는 순진한 관점이다. 많은 비즈니스 의사 결정권자에게 중요한 것은 바로 가치 또는 비용과 대비한 성능이다.
비용과 관련한 부분은 복잡할 수 있으므로 몇몇 중요한 점에 초점을 맞춘다.
첫째, 활용성이 핵심이다. 앞에서 설명한 OS 이미지 센서 또는 CCD 이미지 센서와 상관없이 완벽하게 커스텀으로 제작되는 이미지 센서보다 시장에 이미 출시된 이미지 센서들의 비용이 훨씬 적다. 사소한 변경을 제외한 커스텀이 필요한 경우 커스텀 CMOS 이미지 센서를 개발하는 것보다 커스텀 CCD를 개발하는 것이 일반적으로 더 저렴하다. CMOS 이미지 센서는 깊은 서브미크론 마스크를 사용하므로 CMOS 이미지 센서의 개발은 일반적으로 더 큰 비용이 소요된다. 또한, CMOS 이미지 센서에는 훨씬 많은 회로가 있다. 결과적으로, 커스텀 CMOS 이미지 센서가 분명히 더 나은 성능을 내는 분야에서조차 가치 제안은 커스텀 CCD를 선호할 수 있다.
둘째, 수량 문제이다. 새로운 CMOS 이미지 센서를 개발하는 비용이 더 많이 들지만, 대량으로 사용해야 하는 분야에서의 CMOS 이미지 센서 개발은 더 적은 단가를 가진다. 대량으로 카메라를 사용해야 하는 경우에는 낮은 단가가 낮은 개발 비용보다 더 중요할 수 있다.
셋째, 안정적인 공급 확보가 중요하다. 이미지 센서를 사용할 수 있도록 만드는 다른 부품들이 단종되면 큰 비용이 발생한다. 더 나은 가치 제안에도 불구하고 장기적으로 CCD 및 CMOS 이미지 센서를 생산할 수 있는 회사를 선택하는 것이 현명할 수 있다.

CCD vs. CMOS의 선택
사용 용도에 따라 올바른 이미지 센서를 선택하는 것이 간단했던 적은 없었다. 다양한 분야에서 사용하려면 다양한 요구 사항을 충족해야 한다. 이러한 요구 사항은 성능과 가격에 영향을 미치는 제약 조건을 부과한다. 이러한 복잡성으로 인해 모든 분야에서 CMOS 또는 CCD를 선택하는 것이 옳은지를 판명할 수 없다.
대부분의 가시 영역 이미징 분야에서는 CMOS Area scan 및 Line scan 이미지 센서가 CCD를 능가한다. 고속으로 빛이 적은 분야에서 사용할 수 있는 TDI CCD 이미지 센서는 CMOS TDI 이미지 센서를 능가한다.
NIR 영역으로 이미지를 만들어야 하는 경우에는 Area scan 및 Line scan 이미징 분야 모두에서 CCD가 더 나은 선택일 수 있다. UV 영역을 촬영해야 하는 경우 글로벌 셔터(global shutter)의 요구 사항인 이면 박막화 이후 표면 처리가 중요하다. 매우 적은 노이즈에 대한 필요성은 새로운 제약 사항을 도입해 CMOS가 CCD보다 높은 판독 속도에서 능가한다. CCD와 CMOS와의 가성비 비교는 활용성, 필요 수량, 공급 안정성 등에 따라 달라진다.

앤비젼에 대해

(주)앤비젼은 비전 솔루션 전문기업(Vision Solution Partner)으로 머신 비전 및 네트워크 비디오 분야에 핵심 제품 및 솔루션, 엔지니어링 컨설팅, 기술지원 서비스 등을 제공한다.
앤비젼 머신 비전 사업부는 Teledyne DALSA, Matrox Imaging, Xenics, Schneider kreuznach, Carl Zeiss, Qioptiq, Edmund Optics, Volpi AG, CEI, Coherent, Optotune AG, effilux 등 각 분야 최고의 기업들과 협력을 통해 머신 비전 시스템의 핵심 제품인 산업용 카메라, 스마트 카메라, 프레임 그래버, 렌즈, 조명, 개발 프로그램을 공급하고 있다.

자료제공 | 앤비젼(www.envision.co.kr)

Xtium-CL MX4 프레임 그래버 출시
펌웨어 변경만으로 현장에서 보드 구성 변경 가능

앤비젼은 최신 Xtium 제품군인 Xtium-CL MX4 프레임 그래버를 공급했다. Sapera LT SDK로 지원되는 MicrosoftⓇ WindowsⓇ 64/32bit 플랫폼용 Xtium-CL MX4 장치 드라이버 1.01.00.0051 버전은 앤비젼 홈페이지에서 다운로드할 수 있다.
Xtium-CL MX4 프레임 그래버는 같은 하드웨어로 2x Camera Link Base(PoCL) 또는 1x Camera Link Medium, Full, 80bit (PoCL) 구성 모두를 지원하는 첫 번째 프레임 그래버이다. 보드의 펌웨어만 변경하여 현장에서 보드 구성을 변경할 수 있다.
또한, Xtium-CL MX4 프레임 그래버는 시장 대부분의 Camera Link 카메라를 지원하기 위해 분할 평행 탭을 지원한다.

주요 특징

PCIe x4 Gen2 플랫폼용 Camera Link 프레임 그래버

2x Camera Link Base, 1x Camera Link Medium, Full,  80 bit 카메라 지원

Microsoft Windows 7, Windows 8.1 64/32 bit, WoW64에서  Sapera LT 및 CamExpert 완벽 지원