형광 기반 애플리케이션에서 활용되는 최신 CMOS센서

가장 큰 센서 제조업체인 Sony가 CCD 센서를 단종시키고 이미 웨이퍼 생산을 중단했기 때문에 기존 장비 또는 프로젝트에 CCD 카메라를 탑재해온 시스템 제조업체들은 이를 대체할 수 있는 적합한 카메라를 찾아야 한다는 압박을 느끼고 있을 것이다.
이에 따라 Basler가 제공한 이 백서를 통해 카메라 내부에 설치되는 센서와 관련해 적합한 카메라를 선택할 때 발생하는 다양한 가능성, 그리고 관련된 기술적 연관성에 대한 전반적인 이해를 제공하고자 한다.
과학, 의료 또는 임상 진단 애플리케이션에는 주로 형광 기반 방식이 사용된다. 이 글에서는 서로 다른 예를 통해 이들 옵션의 다양성을 보여 주고, 최신 고성능 비 냉각 카메라의 CMOS 센서가 이러한 애플리케이션들 중 상당수에 적합한 선택이 될 수 있음을 설명한다.

CCD와 CMOS 기술에 대한 이해
CCD 센서는 감광 셀이 빛에 노출될 때 생성되는 전하의 처리 방식에 있어 CMOS 센서와 차이가 있는데, 후자의 경우 각각의 픽셀에 전기 생성을 위한 자체 회로가 있고 모든 픽셀을 동시에 읽을 수 있다.
이와 대조적으로 CCD 센서에서는 픽셀에 포집된 전자가 먼저 전기장 생성을 통해 이동한 뒤 중앙 A/D 컨버터가 판독한다. 이로 인해 상대적으로 읽는 시간이 길어지고 소비 전력은 많아지며 발열이 심하고 초점 번짐(blooming) 및 스미어링(smearing)과 같은 효과에 민감하다. 더욱이, CCD 기술로 고해상도를 구현하려면 멀티 탭 센서(multi-tap sensors)와 같은 추가 기술이 필수적이다.

CCD를 대체할 만큼 성장한 CMOS 기술
CCD 기술을 바탕으로 한 센서들은 높은 해상도와 감도가 필요한 현미경 검사에 널리 사용되는 표준으로, 특히 저조도 환경에서 많이 사용되어 왔다.
하지만, 몇 년 전부터 훨씬 저렴하면서도 판독 시간은 더 짧은 새로운 기술이 자리 잡기 시작했다. 오랫동안 CMOS 기술의 품질은 CCD 기술에 비해 뒤쳐져 있어 주로 스마트폰과 같은 소비자 제품용으로 사용이 제한되어 있었다. 최근 들어 sCMOS(scientific CMOS) 센서가 과학 애플리케이션용으로 부각되기 시작했다. 얼마 지나지 않아 효율 면에서 CCD 센서를 완전히 대체하는 훨씬 발전된 형태의 CMOS 센서가 개발되었으며, 이미 신호/잡음비, 양자 효율 및 다크 노이즈와 같은 주요 기술 사양 측면에서는 sCMOS 센서가 CCD 센서를 앞질렀다고 해도 과언이 아니다.
또한 2015년, 세계 최대 CCD 센서 제조업체인 Sony사가 이 기술을 바탕으로 한 모든 센서를 단종시킴에 따라 많은 시스템 제조업체들이 이제 향후 어떤 카메라를 채택해야 할 것인지 선택해야 하는 긴박한 입장에 놓여 있다.

CCD와 CMOS 카메라 비교 및 카메라 노이즈 특성
올바른 카메라를 선택하고 특정 애플리케이션 분야에 해당 카메라가 적합한지 판단하는 데 있어 센서는 핵심 변수 중 하나이다.
다음 표 1은 널리 쓰이는 CCD 및 CMOS 센서가 탑재된 몇 가지 카메라의 이미지 품질과 관련된 사양을 보여 준다. 이 사양은 유럽 머신 비전 협회가 정한 표준 사양에 따라 수집된 EMVA 1288 데이터로서 사용자들이 공급자에 관계없이 다양한 카메라의 성능 데이터를 투명하게 비교할 수 있도록 하는 자료이다. 비교를 위해 선정된 ICX625는 중급 품질의 CCD 센서이며 ICX285는 널리 사용되는 고품질 센서로서 과학 애플리케이션용 카메라에도 사용된다.
표 1 비교 자료에서 1-2MP 및 5MP로 구분된 두 가지 해상도의 CMOS 카메라는 양자 효율, 일시적 다크 노이즈, 동적 응답, 신호대잡음비(SNR), 새츄레이션커패시티, 그리고 프레임 속도에서 더 우수한 성능 데이터를 보여 준다.
그림 2는 픽셀 크기가 같은 두 가지 센서의 한 가지 특성을 보기 쉽게 비교한 자료이다. 이를 위해 그림에서는 두 가지 5MP 카메라용 센서에 들어오는 광량에 따라 신호대잡음비(SNR)가 어떻게 바뀌는지 나타내는 도표를 보여준다. 신호대잡음비(SNR)는 신호가 노이즈에 비해 얼마나 높은지 보여준다. 이 수치가 높을수록 카메라가 들어오는 빛을 전기 신호로 보다 정밀하게 변환할 수 있다는 것을 의미한다. 노란색 선은 완벽한 카메라(자체적으로 발생하는 노이즈가 없고 양자 효율이 100%인 카메라)에서 얻을 수 있는 신호대잡음비를 의미하며, 이는 물리적으로 구현 가능한 최적의 값을 뜻한다.

저조도 환경에서는 더 많은 변수들이 이미지 품질에 영향을 준다. 여기에는 기본적으로 양자 효율, 픽셀 크기 및 다크커런트(dark current)가 포함된다. 다크커런트(dark current)의 영향은 특히 노출 시간이 길어질 때 증가하는데, 다크커런트(dark current)는 센서에서 누출 전류와 같은 원인에 의해 발생한다. 또한 센서 온도에 의해서도 좌우되기도 한다. 노출 시간과 온도가 증가할수록 다크커런트(dark current)에 의해 발생하는 노이즈가 강해진다.
다크커런트(dark current)에 의해 발생하는 노이즈를 비교하기 위해 4㎳의 노출 시간으로 CCD 센서 ICX625, ICX285 및 CMOS 센서 IMX250을 이용하여 이미지를 촬영해보았다. 그림 4의 비교에서와 같이 2×2 비닝(binning)을 이용해 IMX250과 ICX285의 서로 다른 픽셀 크기를 대략적으로 정렬하였다. 이미지에서 보이는 IMX250의 노이즈는 상대적으로 낮은 편이며 이는 비닝(binning)을 적용하지 않았을 때도 마찬가지이다. CMOS 센서로 촬영한 이미지에서는 ICX285에 비해 핫 픽셀이 더 많이 보이지만 CCD 센서보다 네 배나 높은 해상도를 갖고 있다. 핫 픽셀(Hot pixel)은 들어오는 빛에 불균형한 강한 반응으로 더 밝게 보이는 픽셀들을 의미한다. 동일한 해상도와 픽셀 크기를 갖고 있는 ICX625와 IMX250의 비교에서는 노이즈 특성 차이가 더욱 뚜렷해지며 이에 따라 CMOS 센서가 보다 우수한 이미지를 보여준다.

액티브 냉각 및 패시브 냉각
센서 온도는 다크커런트(dark current)에 상당한 영향을 준다. 특히, 긴 노출 시간과 저조도 환경에서는 신호대잡음비 악화로 인해 이미지 품질에 부정적인 영향을 끼칠 확률이 높다.
노출 시간이 길어지면 핫 픽셀 개수도 증가할 수 있다. 따라서 일부 카메라 제조업체들은 자체 품질 관리를 통해 이러한 핫 픽셀을 미리 보정한다.

카메라는 센서에서 발생하는 열이 외부로 쉽게 방출할 수 있도록 제작돼야 한다. 또한 주변 온도가 너무 높지 않도록 해야 한다. 아울러, 카메라 냉각에는 패시브 또는 액티브 냉각 방식을 선택할 수 있다. 패시브 냉각에서는 카메라에 방열판이 부착된다. 액티브 냉각은(여러 가지 옵션 중) 열전 펠티어 냉각(thermoelectrical Peltier cooling) 방식을 이용해 구현할 수 있다. 이 방식을 이용하면 센서 온도를 실내 온도보다 낮은 20℃까지도 낮출 수 있다. 천문학에 사용되는 고도로 전문화된 카메라는 심지어 -90℃ 미만으로 냉각해 다크커런트(dark current)를 최소화함으로써 노출 시간을 수 분에서 심지어 몇 시간까지 늘릴 수도 있다.
액티브 냉각 기술을 적용할 경우 결로에 의해 발생하는 문제를 막기 위한 더 많은 노력이 필요해 일반적으로 생산 단가와 카메라 가격에 많은 영향을 준다. 애플리케이션의 다양성으로 인해 실제로 센서 냉각이 필요한 애플리케이션의 조건을 간결하게 정리하는 것은 불가능하다.
하지만 많은 애플리케이션에서 1초 또는 이보다 긴 노출 시간에서도(실내 온도 23℃일 경우) 고품질 최신 CMOS 센서에서 발생하는 다크커런트(dark current)로 인한 노이즈는 그리 부정적인 영향을 유발하지 않는다.
형광 이미징은 냉각된 카메라로만 가능하다는 믿음이 널리 퍼져 있었지만 고품질 형광 이미지를 액티브 냉각 방식을 적용하지 않은 카메라로도 촬영이 가능해졌다. 따라서 액티브 냉각 기술이 적용된 보다 비싼 카메라 사용이 필수가 아니게 되었다. 이를 위해 비 액티브 냉각 방식 카메라로 촬영한 이미지와 액티브 냉각방식의 카메라(과학 분야에서 흔히 사용되는 고품질 CCD 카메라)로 촬영한 이미지를 비교해 보았다. 테스트에는 현미경 및 이미징 시스템에서 낮은 광량과 조도로 인해 요구 사항이 까다로운 triple-marked substrate을 사용했다.
마커는 GFP, mScarlet 및 DAPI이다. 수백 배의 대물렌즈 배율(Axio Imager. M2, Plan-Apochromat 100x/1.40 Oil M27)로 여기에 보이는 것은 감염된 적혈구의 특정 기생충 조영물이다(대략적인 지름은 7㎛).
전반적으로 CMOS 카메라(Sony IMX249 탑재 Basler ace)는 비교 대상 카메라와 비슷한 이미지 품질을 갖고 있으며, 때로는 노출 시간이 더 짧을 때도 마찬가지이다. 양쪽 카메라로 같은 이미지 부분을 연속 촬영했으며 페이딩 효과로 인해 CMOS 카메라에 유리하게 이미지가 변경되지 않도록 비교 대상 카메라로 먼저 촬영했다.

형광 애플리케이션에서의 카메라 구성

활용 가능한 형광 애플리케이션
형광은 물리적 현상이지만 확고한 기술은 아니다. 생명 과학에서 분석, 정량적 파악 또는 시각화를 위해 이용 가능한 수단은 사실상 무수히 많다. 형광 물질은 단백질(종종 항체), 핵산 또는 미세입자와 같은 다양한 운반체와 결합할 수 있다. 하지만 세포의 생물학적 기능 및 대사 과정을 검사하기 위해 유전자 기술 마커로 유기체에 결합할 수도 있다. 다음 예시에서는 형광 기술의 다양한 애플리케이션 옵션들을 보여준다.
체외 진단기기(In Vitro Diagnostics, IVD): 예를 들어 자가 면역 또는 감염성 질병의 진단에 사용할 수 있는데, 간접 면역 형광 현미경 검사로 불리는 기술을 이용해 환자 혈액 속의 자가면역항체를 감지할 수 있다. 수동 현미경 검사 이외에 이미 진단실 의사들에게는 환자의 혈청으로 배양한 세포의 형광 패턴을 바탕으로 얻은 결과를 소프트웨어로 평가해 제시하는 자동화된 시스템도 있다. 다른 시스템이 다시 환자 혈청을 분석해 말라리아 병원균이 있는지 3분 안에 알아내기도 한다. 분석은 형광 신호까지 고려한 비전 기반 알고리즘을 통해 수행된다.
현장검사(PoC) 시스템의 중요성이 커지고 있습니다. 무엇보다 이런 시스템을 이용하면 간단하고 저비용의 애플리케이션으로 경제 및 인프라 기반이 낙후된 지역에서도 보다 나은 의료 혜택을 제공할 수 있다. Lab-on-a-chip (LOC) 기술은 복잡한 실험 장비 없이도 소형 칩에서 환자의 샘플을 처리할 수 있기 때문이다. 하지만 카메라가 단순히 이미지 기반 분석을 위한 이미지만 생성하는 것은 아니다. 많은 시스템에서 카메라는 바코드나 매트릭스 코드 판독부터 혈장교환 장비 내부에서의 세포 분리 공정 제어에 이르기까지 문서 작성 또는 모니터링을 위한 중요한 정보도 처리한다.

요약
이미지 품질과 관련된 모든 사양을 고려해보면 첨단 기술이면서도 저렴한 CMOS 센서가 CCD 센서보다 훨씬 우수한 경우가 많다는 것은 명확하다.
이러한 점들은 생명 과학 또는 의료/진단 애플리케이션 등 다양한 분야에서 비용 압박을 느끼고 있는 제조업체가 센서나 카메라를 선택하고 통합할 때 중요하게 여겨야할 시사점이다. 카메라 쪽에서의 결정적인 파라미터들이 갖고 있는 관계는 복잡하며 특히 저조도 환경에서는 더욱 그러하다. 추가로 적용 가능한 애플리케이션의 수는 제한이 없기 때문에, 시스템의 대상 애플리케이션에 대한 정보가 자세할수록 필요한 성능 데이터를 만족시키고 비용 대비 효율적으로 통합할 수 있는 카메라의 선택이 쉬워질 것이다.                   

자료제공 : Basler