머신비전 안방마님 이미지 센서

CCD와 CMOS로 대표 … 장단점 잘 살펴야

머신비전 분야에서 가장 중요한 것은 두말할 것 없이 카메라다. 카메라로 이미지를 촬영하는 것은 머신비전 시스템의 처리과정에서 없어서는 안 될 요소이기 때문이다. 카메라가 피사체, 즉 검사 대상을 촬영하면서 검사작업이 시작된다. 카메라가 작동하지 않으면 검사 공정이 이루어지지 않으며 다른 모든 장비는 제 역할을 잃고 만다. 말 그대로 ‘시작이자 끝’인 셈.

그렇다면 카메라에서 가장 중요한 부분은 무엇일까? 렌즈? 안타깝게도 아니다. 카메라 구성요소 중 가장 중요한 것은 ‘이미지 센서’이다. 이미지를 전기적 영상신호로 변화하는 이미지 센서는 카메라의 두뇌라고 할 수 있다.

사전에서는 이미지 센서를 “피사체의 정보를 검지(檢知)하여 전기적인 영상신호로 변환하는 장치 또는 전자부품”이라고 정의한다. 혹은 “영상 검지 디바이스”라며 “입체적인 피사체나 평면적인 피사체를 렌즈와 함께 사용하여 촬영한다.”고 설명한다. 정부에서 출간한 지식경제용어사전에는 조금 더 간단하게 “피사체의 정보를 감지하여 전기적인 영상 신호로 변환하는 장치 또는 전자부품으로 디지털카메라와 캠코더에 사용되는 핵심 부품”이라고 적었다.

즉 이미지 센서란, 이름 그대로 피사체의 모습(image)을 검지(sense)하여 전기적인 영상신호로 변환하는 장치를 말한다. 렌즈가 받아들인 영상을 컴퓨터나 기타 기계적 장치가 읽을 수 있는 언어로 바꾸는 장치이다. 이미지 센서가 무엇인지 감이 잡히지 않는다면, 근처에 있는 DSLR카메라의 렌즈를 분리해보자. 바디와 렌즈를 연결하는 부분 안쪽에 네모난 액정이 하나 보일 것이다. 그것이 바로 이미지 센서이다.

이미지 센서의 아버지

사전에 따르면 이미지 센서는 촬상관(撮像管)과 고체이미지 센서로 크게 나눌 수 있다.

촬상관

촬상관은 일종의 진공관이다. 이 진공관은 렌즈가 하는 것과 비슷한 일을 하는데, 촬영한 데이터를 한 차원 낮은 신호로 전환하는 역할을 한다. 렌즈가 3차원 이미지를 촬영해 2차원적 평면 데이터로 치환한다면, 촬상관은 렌즈가 변환한 2차원적 평면 데이터(광학상光學像이라고 한다)를 1차원 데이터로 치환한다.

이 작업에는 세 가지 단계가 있다. 우선 2차원적 평면 데이터를 화소 단위로 분해해 시계열로 죽 늘어놓는 과정을 거친다. 이후 각 화소의 명암을 전기신호로 변환한다. 그 다음, 이 전기신호를 미리 정해놓은 규칙에 따라 전자 빔으로 지우면서 주사하면 영상 신호로 변화하게 된다. 이를 종합해보면, 촬상관이란 피사체를 각부의 명암에 비례한 전기 신호로 변환하여 전송하는 특수한 전자관을 말한다.

촬상관에는 이미지 오시콘·플럼비콘·비디콘 등 다양한 종류가 있다. 이 중 이미지 오시콘과 플럼비콘은 스튜디오 혹은 야외 중계용 카메라에 자주 쓰이며, 비디콘은 주로 텔레비전이나 필름 송상용으로 쓰이고 있다.

고체이미지 센서

고체이미지 센서는 화상을 전하(電荷) 모양으로 변환하여 축적한 뒤, 이렇게 변환한 전하를 순차적으로 주사하는 기능을 갖고 있다.

이 고체이미지 센서에 대한 설명을 얼핏 보면 촬상관과 같은 것처럼 보인다. 하지만 고체이미지 센서는 광도전형 촬상관을 대신하는 촬영 디바이스로 널리 알려졌다. 바꾸어 말하자면 기존에 널리 쓰이던 촬상관을 대체할 수단으로 등장했다는 이야기다. 세계대전 이후 각 나라에서는 전자제품을 빠른 속도로 양산할 수 있는 체제를 도입했다. 하지만 기존 촬상관은 수명이 짧아 소형화와 양산화 과정에 적합하지 않았다. 이에 작은 크기의 제품 생산에 알맞고 양산이 가능한 고체 이미지 센서가 도입되었다. 고체이미지 센서는 반도체소자의 제조기술을 이용하여 집적회로화된 광전변환소자이다.

고체이미지 센서에는 팩시밀리나 복사기에 사용되는 라인 이미지 센서(일차원 이미지 센서)와 텔레비전 카메라나 디지털 카메라에 사용되는 어레이 이미지 센서(이차원 이미지 센서)가 있다. 우리가 카메라에서 말하는 고체이미지 센서는 주로 어레이 이미지 센서를 칭한다. 어레이 이미지 센서는 광다이오드를 이차원적으로 배열하는 방식을 통해 이미지를 획득한다. 한 번에 화면 전체의 이미지를 획득할 수 있어 비디오와 같은 동영상용으로 쓰인다.

CCD vs CMOS

고체이미지 센서에도 종류가 있다. 광다이오드가 발생한 전하를 출력하는 전송 기능에 따라 종류가 나뉜다. 전하 결합 소자(CCD)와 시모스 소자(CMOS)로 분류할 수 있다. 이들은 각각 사용된 기술을 본떠 CCD 이미지 센서와 CMOS 이미지 센서로 불린다. 우리가 말하는 CCD 센서니 CMOS 센서니 하는 것들 역시 이것들을 지칭하는 것이다.

CCD

CCD(charge coupled device)는 메모리 소자의 일종이다. 여러 콘덴서와 스위치가 연결된 모습을 하고 있다. 이 콘덴서와 스위치들이 전하를 축적해 차례로 전송하는 기능을 갖고 있다.

CCD의 시초에 대해서는 정확하게 알려지지 않았으나 1970년 벨 연구소에서 처음으로 개발되었다는 것이 중론이다. 당시 첫 CCD는 흑백이었다. 이후 1975년에 코닥 엔지니어 스티브 세손(Steve J. Sasson)이 이 흑백 100×100 픽셀의 초기형 CCD를 장착한 시제품 카메라를 개발하였다. 이후 CCD 소자를 이용한 카메라가 우후죽순 퍼져나갔다.

CCD칩은 광다이오드들이 집적되어있는 칩이다. 각각의 광다이오드에 빛이 비추어지면 빛의 알갱이, 즉 광자의 양에 따라 각기 다른 전자가 생긴다. 빛의 알갱이 양에 따라 전자가 생성되었으므로 이 전자의 양이 곧 빛의 밝기를 뜻하게 된다. 따라서 이 정보를 재구성하면 화면을 이루는 이미지 정보를 생성할 수 있다. 이 광다이오드에 생성된 전자량을 전달하는 데에는 몇 가지 방법이 있다. 크게 ▲Interline Transfer ▲Frame Transfer ▲Frame-Interline Transfer ▲Fullframe 등이 그것이다.

CCD는 콘덴서와 스위치의 연결로 이루어져 전하를 축적하여 차례로 전송하는 기능을 갖고 있다. 주로 비디오카메라 영상판에 쓰인다. 기존의 비디오카메라에서 광신호를 전기신호로 변환하는 부분은 텔레비전 브라운관과 반대로 작용한다. 때문에 촬상관을 대신하는 고체촬상소자가 개발됐다. CCD는 그 심장부에 사용되고 있다.

촬상관은 CCD를 구성하는 미세한 콘덴서 하나하나에 광센서를 접속시켜 한 개의 판자 위에 여러 개를 배열한 것이다. 빛이 들어오면 센서가 전하로 변환하여 콘덴서에 충전된다. 그것을 차례로 전송하여 호출하면 텔레비전의 주사선이 된다. 이와 같이 센서와 콘덴서를 하나로 한 것을 화소라고 부른다. 보통 민간용 비디오카메라의 화소수는 25만~40만개 정도이며 이것이 약 10mm의 실리콘 기판 위에 나열되어 있다.

촬상판식 카메라는 촬상관식에 비해 해상도가 낮으며, 불꽃 등 콘트라스트(contrast)가 강한 것은 촬영하기 까다롭다는 결점이 있다. 하지만 다른 한편 정밀해서 인화·잔상이 생기지 않는다는 장점을 갖고 있다.

CMOS

사전에 따르면 CMOS는 1990년대 이후로 실용화되기 시작하였다. 미세 가공 기술이 뒷받침하게 되자 제작 및 양산이 가능하게 된 것. 하지만 CMOS 이미지 센서는 훨씬 이전인 1960년대부터 고안되던 방식으로 알려져 있다. CMOS가 1990년대에 도입되었다고 해서 곧바로 기술이 보편화된 것은 아니다. 2000년대 후반에 들어서야 이미지 센서 기술이 발달하고 이에 따라 CMOS 센서 제작기술 역시 성장했다.

현재는 CMOS 센서에 BSI(Back Side Illumination)공정기술과 3D 스태킹 센서 제작 공정기술이 대두되는 추세이다. 이 중 웨이퍼 스태킹 기술을 통한 3D CIS(CMOS image sensor) 제작 공정은 한 웨이퍼에 픽셀의 광 집적 부분과 구동회로 부분을 동시에 공정 진행하는 것과 달리, 광 집적 부분과 구동회로 부분을 각기 다른 웨이퍼에 진행하는 특징이 있다.

공정이 어느 정도 진행되면 두 웨이퍼를 각각 서로 연결한 후 후속 공정을 진행하는 방식이다. 즉, 한 웨이퍼는 빛을 모으기만 하며 다른 한 웨이퍼에서는 앞 웨이퍼가 전달한 신호를 받아 이를 출력 신호로 보내는 구동 회로 부분만을 담당한다. 이 CMOS는 저소비전력이라는 장점이 있다. 기존 제품인 CCD 센서 대비 약 10분의 1정도밖에 전력을 소비하지 않는다. 3.3V 단일 전원 연결은 물론 주변 회로와 일체화도 할 수 있다. 그러다보니 아무래도 CCD와 비교될 수밖에 없다.

CCD와 CMOS, 어떤 게 좋나

CCD 센서와 CMOS 센서를 비교하는 것은 오래 전부터 반복되는 논쟁 요소이다. 하지만 최근에는 CCD와 CMOS를 제작하는 기술이 발전한데다 이미지 센서 자체 기술도 늘어나 기존의 비교가 무의미해지고 있다.

우선 가격 면에서는 CMOS가 CCD를 앞선다. CMOS 이미지 센서는 범용 반도체 제조 장치를 이용하여 제조가 가능하다. 따라서 CCD 센서에 비해 상대적으로 대량으로, 그리고 낮은 가격으로 제작할 수 있다. 고전압 아날로그 회로인 CCD 이미지 센서보다 가격이 저렴한 것은 당연하다. 뿐만 아니라 CMOS 센서는 CCD 센서에 비해 소자 크기가 작기 때문에 소비전력이 대폭 낮다. 이러한 이유로 저가 디지털카메라나 디지털 비디오카메라 그리고 느린 프레임의 텔레비전 카메라 등에 주로 쓰인다. 특히 2000년대 초반에 활발히 생산된 비디오 채팅에 사용되는 웹 카메라(흔히들 ‘캠’이라고 부르던)의 대부분이 CMOS 센서를 탑재하고 있다.

야노경제연구소에 의하면 카메라 기능을 가진 휴대전화가 보급된 결과 지난 2004년에는 CMOS 이미지 센서의 출하량이 CCD 이미지 센서의 출하량을 뛰어넘었다고 분석했다. 하지만 현재는 DSLR 및 전문가용 카메라를 기준으로 CMOS센서와 CCD센서가 거의 균일하게 양분되어있는 추세이다.

CMOS 센서가 개발되던 초기에는 CCD 센서보다 화질이 많이 떨어져서 저가 제품에만 사용되었다. CCD 센서 가격이 높아 CCD 제품을 저가 카메라에 활용하려는 시도가 드물고, 이에 저가 카메라 시장을 우선적으로 공략한 것. 하지만 최근 들어 CMOS 역시 제작기술이 발달하면서 ▲큰 크기로 제작할 수 있고 ▲제조비용이 크게 낮아졌으며 ▲화질이 대폭 향상되었다. 발전을 거듭한 CMOS 센서의 화질은 기존 CCD 센서와 비교했을 때 크게 뒤지지 않을 정도로 높다.

이와 같은 여건들로 인해 최근에는 DSLR카메라처럼 높은 화질을 요하는 제품에도 많이 도입되었으며, 카메라 제작회사들도 CCD 센서에서 CMOS 센서로 전환하는 움직임을 보였다. 대표적인 예로 캐논은 CMOS 센서 기술을 자체 개발할 정도로 CMOS에 애착을 드러내기도 한다.

CMOS 센서라고 해서 만능인 것은 물론 아니다. 낮은 조도에서는 소자가 쉽게 불안정해지는 것이 큰 단점이다. 또한 증폭기의 특성 차이에 의한 고정 패턴 노이즈가 생긴다. 그 때문에 촬영한 결과물에 노이즈가 많이 발생한다. 최근에는 이러한 문제점을 개선하기 위해 여러 개량 수단을 만들었고 그 결과 신호 대 잡음비가 현격히 향상되었다. 그러나 시장에서는 아무리 기술이 많이 발전하였다고 해도 CCD 센서의 기술을 완벽히 추월하지는 못한 것으로 판단하고 있다.

여기에 전하화를 동시에 실시할 수 없다는 구조적인 문제가 있다. 이로 인해 고속으로 움직이는 물체를 촬영했을 때 진행 방향 쪽으로 상이 흔들린다는 단점이 생긴다. 이것은 여러 CMOS를 블록으로 만들어 극복할 수 있다. 다만 이러한 기술을 사용하면 가격이 낮다는 CMOS의 장점이 상쇄된다. 이 때문에 소형 디지털 카메라에는 CMOS가 사용되는 경우가  아직까지 드물다.

박빙 승부, 승자는?

CCD와 CMOS기술은 현재 카메라의 이미지 센서 기술을 대표하는 양대 산맥이다. 지금까지는 우수한 영상 획득을 자랑하는 CCD를 가격과 확장력으로 승부를 거는 CMOS가 쫓는 형국이었다. 하지만 지금은 양쪽 모두의 기술이 발달하여 말 그대로 ‘박빙’이다. 이 판도를 뒤집을 변수는 몇 가지가 있다. CCD기술이 낮은 가격과 양산 체제를 갖추어 카메라 시장에 효과적으로 보급하거나, 아니면 CMOS기술이 더욱 발달하여 CCD를 압도할 만한 영상 획득 능력을 갖춘다면 승부는 판가름날 것이다.

카메라 제조사들은 각자 입맛에 맞는 이미지 센서를 고집하며 시장 확보를 위해 노력하고 있다. 업계에서는 CCD와 CMOS를 내세운 각 회사들이 점점 더 첨예한 기술력으로 고객 확보를 위한 승부수를 던질 것으로 예상한다. CCD와 CMOS 사이 경쟁은 이제부터 시작이다.

글 | 윤진근 기자(pen@automotivemnt.com)