CMOS CCD 센서 차이 및 구조

최근에 스마트 폰 및 카메라 보급이 늘어남에 따라 작지만 성능은 좋은 이미지 센서들이 많이 나오고 있습니다. 머..센서를 따지면 CMOS 센서와 CCD 센서 두개가 있는데요. 이 CMOS CCD 센서의 차이점이라하면…음...빛의 형상을 받는 방식의 차이라고 볼 수 있습니다. 흔히 컴퓨터 시간에 배우는 DRAM과 SRAM의 차이라고나 할까요? 
 a. CCD Sensor란 무엇일까?
 여기서 말하는 CCD라는 단어는 무엇의 약자 일까요? 바로 Charged Couple Devices의 약자입니다. 말하면 광전변환소자라고 부를 수 있는데요. 필름 카메라 시절 디지털 영상으로 많이 찍던 센서가 CCD Sensor이기도 합니다.
 원리를 보면 위의 그림과 같은데 CCD 센서의 각 픽셀에 전하가 축적되어 전위차로 인해 전송 레지스터에 이동 됩니다. 그리고 아날로그를 증폭하여 값을 읽게 되는데요. 전하가 완전히 축적되고 난다음 순차적으로 A부터 Z까지 보내지기 때문에 완벽한 이미지[또는 전하량]을 전달합니다.  그래서 전하의 손실이나 변형이 적습니다. 그러나 데이터 레지스터가 전달될때까지 지연이 있기 때문에 다음 이미지를 전달하는데 속도가 느렸습니다. 그래서 CCD센서의 카메라에서 이 문제를 해결하고자 많은 노력을 하였지만 현재는 많이 개선된 CMOS Image Sensor에 뒤쳐지는게 사실이죠.머..요즘은 하이브리드시대라 CMOS CCD 센서를 같이 사용하는 기기도 있을지도 모르겠네요. 하하 :D
 참고로 위의 그림은 단순히 이해를 돕기위한거지, 딱히 저렇다고는 볼 수없습니다. FT[Frame Transfer Type], IT[Inter-Line Transfer Type], FIT[Frame-Inter-Line Transfer Type]등이 있는데 전체적인 흐름은 위에서 그린 내용과 흡사합니다. 그래서 그림으로 그려본거구요.
 CCD Sensor의 장점이라면 선명한 화질과 노이즈가 적고 사이즈도 작기 때문에 사용되었는데요. 하지만 장점이 있으면 단점이 있는법. 바로 전력소비가 높고 가격이 비싸다는 점이였지요. 그 중에 치명적이였던 단점이 처리속도가 느리다는 점입니다.
 하나 예를 들죠. 1024x768 픽셀의 이미지가 있다고 합시다. 이 빛에너지를 전하로 받아 동시간대에 보낸다고 하면, CMOS 같은 경우는 받고 바로 보내는데 반해 CCD는 완전히 축적되고 순차적으로 보내므로 처리속도가 많이 걸립니다. 거기서 생기는 문제는 시간입니다. 초당 30장[30FPS]의 이미지를 보낼려고하면 CCD 같은 경우는 데이터 레지스터를 받고 전송레지스터에서 받아 증폭되어 값을 읽고 보내야되기 때문에 보내는 시간 동안의 지연을 가지게 되고, 이는 큰 단점으로 알려지게됩니다. 그래서 대안책으로 사용된게 CMOS Image 센서죠.
 그럼 CCD는 어디에 많이 사용될까? 위에서 얘기했듯이 처음엔 영상용으로 많이 사용했습니다.  옛날 비디오 시절에 사용되었던 영상물 대부분이 CCD 센서로 찍은겁니다. 그때는 영상의 크기 및 처리 용량이 작았기 때문에 데이터를 전달하여 광테이프나 필름에 저장하는게 별 무리는 없었습니다. 하지만 고해상도 높은 프레임의 영상이 대두되자 CCD의 사용은 급격히 줄게 되었지요. 지금은 주로 사용하는게 가계 CCTV나 자동차 후방 카메라 등에 많이 사용됩니다. 이유라면 노이즈가 CMOS 센서보다 적고, CCTV나 후방 카메라는 전원 공급이 계속되기 때문에 CCD센서 전력소비가 많다는 단점을 보완 할 수 있죠. 또한 CMOS 보다 빛의 민감도가 높고, 사이즈가 작은것도 한 몫하겠지요. 의외로 저화질이지만 깨끗한 영상을 보신다면 그 카메라 센서는 CCD 센서일 확률이 높습니다. 
b. CMOS Sensor는?
 윗글을 읽다보면 어느정도 유추가 가능하실텐데요. 사실 CMOS는 반도체를 지칭하는 단어랍니다. 반도체라고 해서 어려운 단어는 아닙니다. 전기가 통할 수도 안통할 수도 있는 물체를 보고 반도체라 합니다. 학교에선 단순히 도체 부도체의 중간이라고 말하겠죠. 
 CMOS는 반도체나 논리회로 배우시는 분이면 아는 내용일겁니다. Complementary metal–oxide–semiconductor라고 하는데 복합 금속-산화-반도체 라고 합니다. 이 단어도 생소하실텐데 간단하게 말하면 (+) 또는 (-)를 금속에 가하면 길이 열리고 길이 막히고 해서 스위치를 만들어 주는거라고 볼 수 있습니다. 음..컴퓨터로 보면 0과 1같은거죠. 앞에 Complementary라고 붙었는데요. 이는 N MOSFET과 P MOSFET이 있어서 그런데 전문적인 내용이라 생략하고 간단히 CCD는 아날로그면 CMOS는 디지털 방식을 사용한다고 생각하시면 됩니다.
  CMOS Image Sensor를 사용하게 된 이유라면 바로 싼 가격과 전력소모가 적다는점, 그리고 CCD보다 높은 처리속도에 있죠. 음..처음 개발 된 당시에는 잔상이 남거나 노이즈가 커서 많이 사용하진 않았습니다. 그러다 캐O의 독자적인 개발로 인해 노이즈가 상당히 개선되었습니다. 또한 당시 고화질, 고프레임레이트를 생성하는 기능이 대두되었기 때문에 속도 및 단가 측면에서 이득이 있는게 CMOS Image Sensor였습니다. 그래서 카메라를 봐도 DSLR중에 CCD 센서가 있는건 옛날 기기이며 화소가 낮고 CMOS 센서는 최근에 만들어진 기기에 많이 들어가 있습니다. 머..캠코더 및 영상 촬영기기는 CMOS CCD가 아직도 사용되고 있긴합니다. 찍는것도 여러 조건이 있으니까요. 하하:D
 CMOS Image Sensor 동작원리를 필자가 대충 그려 봤는데요. CMOS 같은 경우는 각 셀마다 저장된 전하가 디지털로 값이 저장되어 위의 그림처럼 거의 동시에 빠져나갑니다. 그리고 버퍼에 저장되어 데이터가 나가게 되죠. CCD 같은경우 전송 레지스터가 있어 전하가 채워지면 그것을 받은다음 순차적으로 보내는 반면 CMOS는 각 셀마다 또는 라인마다 데이터를 받아 바로 전달되기떄문에 CCD보다는 빠르게 받을 수 있습니다. 
 그러나 단점도 있는법, 단점이라고 하면 앰프로 증폭된 신호가 균일하지 않다는점입니다. CCD 같은경우는 아날로그 신호를 각각의 픽셀에서 받아 전달 레지스터를 거쳐 증폭엠프에서 증폭하기 때문에 신호 및 오차가 적은데, CMOS 같은경우는 픽셀 옆에는 엠프가 있는데 여러 이물질이나 환경요인으로 인해 증폭오차가 생길수 밖에 없습니다. 이는 물리적인 요인이며, 실제 CMOS Image Sensor를 개발할때 초기화 상태에서 검은색 천이나 가림막으로 센서를 가리게 되면 0이 나와야 이상적인데 군데군데 무작위로 22,33,31,32 이렇게 일정하지 않는값이 나오는 경우가 있습니다. 그래서 이미지 센서의 셋팅란보면 OFFSET이라고 픽셀의 값을 설정하는 기능이 대부분 있습니다. 또한 기본공정에서 확인하고 값을 미리 넣는경우도 있습니다. 전문적인 내용이라 여기까지 하겠습니다.;;


 [1][1][1][1][프로펠러 형상][1][1][1]
[2][2][2][2][2][프로펠러형상][2][2]
[3][3][3][3][3][3][프로펠러형상][1]
[4][4][4][4][4][4][4][프로펠러형상]

 또한 단점으로 보여지는게 바로 왜곡인데요, CMOS Image Sensor는셔터 종류에 따라 다르긴 하지만 롤링셔터를 사용합니다. 위에서 아래로 가려지는 방식이죠. 순차적으로 위에서 아래로 내려가는 방식인 경우 움직임이 크면 결과물이 휘어 보이거나 왜곡이 발생합니다. 이유라면 여러가지 있지만 가령 예를 들면 이렇습니다. 선풍기 프로펠러가 도는걸 CMOS 센서로 영상을 본다고 칩시다. 1번라인에서 [프로펠러 형상]의 셀이 있다면 다음에 2번라인의 데이터를 받기전에는 이미 프로펠러가 움직인 상태입니다. 그럼 정지되어 있지 않고, 오른쪽으로 약간 이동됩니다. 이게 계속되면 프로펠러가 빨리 돌아가면 곡선 모양으로 나오지요. 
 한편 CCD같은경우는 왜 안생기나? 그건 바로 글로벌 셔터에 있습니다. 글로벌 셔터는 On/OFF로 전원을 켜고 끄는 방식을 사용해 한번에 노출했다가 다시 끈다음 다시 켜고 이런 방식을 사용합니다. 그래서 하나의 움직임 형상을 동시간데에 잡히기 때문에 상의 흐트러짐이 없습니다. 
 사실 왜곡이 발생한다는 단점은 셔터 방식으로 인한 단점이지 CMOS Image Sensor의 단점으로 볼 수는 없습니다. 다만 연관이 있겠지요. CMOS Image Senseor가 왜 롤릴셔터를 사용했냐? 그건 저도 정확하진 않지만 제 생각에는 각 픽셀마다 전원을 On/OFF시키려면 회로가 들어가야되는데 [셀][앰프][ON/OFF회로(??)]가 들어가면 부피가 늘어나고 이는 공정수가 늘어나는것과 같습니다. 이로 인해 단가가 상승할거고 굳이 왜해야하냐? 앞에 가림막[셔터]을 위에서 아래로 가리면되지않나? 이런 의견이 있었으리라 봅니다. 즉, 단가 절약때문에 글로벌 셔터를 사용안했을 거라 필자는 생각합니다. 그래서 상대적으로 CCD 센서 가격이 비싼 것일지도 모르겠네요. 
 최근에는 하이엔드 카메라등에 CMOS Image Sensor이면서 글로벌 셔터를 사용하는 기기가 생겨나고 있습니다. 이는 CMOS Image Sensor에 대한 연구가 활발하기 때문이며, 반도체의 크기가 점점 작아지기 때문이기도 하겠죠. CMOS 왜곡 관련 영상은 유투브에 많이 있으니 참고하시면 됩니다. cmos distortion이라고 치면 관련 자료를 찾을 수 있을겁니다.
c. CMOS CCD 센서 그럼 어떤게 좋은건가?
 흠….어느게 좋냐고 물어보면 답할 수 있는 부분이 아닙니다. 비유하자면 SRAM이 좋아요? 아니면 DRAM이 좋아요? 또는 유선청소기가 좋아요? 아님 무선청소기가 좋아요? 이런 얘기입니다. CMOS CCD 센서는 각각의 차이가 있으며, 현재는 CMOS Image Sensor가 우위를 점하고 있지만 또..모르죠. 단점인 전력소모를 획기적으로 줄여서 노이즈가 적다는 장점을 내새운 CCD 센서가 나올지도 모를일이구요. 즉, 종류가 다를 뿐이지 어느게 좋다고는 할 수 없다는 얘기입니다. CCD센서는 CCD센서의 장점이 있어 영상 촬영용이나 CCTV에 사용되는거고, CMOS Image Sensor는 센서의 장점이 있기 때문에 DSLR이나 미러리스 카메라에 사용되는거구요. 

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