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촬상소자(撮像素子, CCD, CMOS)1 06-02-24 18:46   
작성자 : 관리자 TEXT SIZE : + -

촬상소자(撮像素子, CCD, CMOS) 1

1) 촬상소자의 구조
촬상소자의 최대 목적은 빛을 전기신호로 전환하는 것이다. 이것을 광전변환(光電變換)이라고 한다. 광전변환을 하기 위해서는 광전효과(光電效果)라는 현상을 이용한다. 광전효과를 쉽게 말하면, 특정물체에 빛이 조사(照射)돼 전자(電子) 등이 활발하게 움직이게 하는 현상이다. 촬상소자는 이 광전효과를 얻기 위해 포토다이오드(Photo diode)라 불리는 부품을 사용한다. 포토다이오드는 빛의 강도에 대응하는 전하를 전류로 만드는 부품이다. 통상 빛의 강약 변화를 감지하기 때문에 센서(Sensor)로 불리우기도 한다. 렌즈를 사용해 만들어진 상을 가로 세로 각각을 아주 작게 분할하는 것을 생각해 보면, 아주 작게 분할하면 할수록 그 분할 된 하나의 영역 중의 화상은 단순하게 된다. 그래서 아주 작게 만들 경우 하나의 영역에서는 하나의 색을 표한할 수 있게 된다. 극단적으로 작은 면적의 최소 단위를 화소(畵素, Pixel)라고 한다. 이 화소 수는 많으면 많을수록 원화상의 가까운 상태를 표시할 수 있게 된다. 반대로 화소 수를 작게 만들면 모자이크로 변화 된다. 디지털카메라의 카탈로그에 600만 화소, 830만 화소 등으로 표시된 것을 볼 수 있는데, 이것은 상을 600만, 830만으로 분할해 데이터로 만드는 표시이다. 그러나 포토다이오드는 분할된 하나의 영역에 조사된 빛에 대해서만 전하를 발생한다. 즉 포토다이오드는 화소수 만큼 필요 하게 된다. 상을 600만으로 분할해 데이터를 만들 경우 포토다이오드는 6백만 개가 필요하다. 때문에 디지털카메라에 사용 되는 촬상소자의 포토다이오드는 수 마이크로미터(㎛) 사방 사이즈만큼 작은 크기이다. 1㎛는 1백만 분의 1m이다. 즉 1㎜의 1천분의 1이기 때문에 엄청나게 작은 크기이다. 무수히 많은 포토다이오드에 발생한 전하는 신호로 취급돼 진다. 그러나 수 마이크로미터(㎛) 사방 사이즈의 면적으로부터 얻은 전하는 에너지로써 너무 미약하기 때문에 증폭장치를 통해 큰 에너지로 변화해 화상 처리의 부품이 인식 될 수 있을 만큼 큰 전기신호로 만들어 진다. 광전효과에 따라 분할 된 각자의 영역에 최적에 전하를 발생한다. 그 전하의 양에 따른 신호에 그것을 취급하는 증폭 된 신호를 만들 때까지 촬상소자가 역할을 담당한다. 그러나 이 신호를 만드는 방법은 간단하지 않다. 예를 들어 수백만 개의 포토다이오드에 배선을 연결해 회로를 구성하려면 고도의 생산기술이 필요하다. 그래서 각 촬상소자를 만드는 메이커에서는 각자의 방법을 연구해 같은 화소수라도 성능에서 차이가 난다.

2) CCD의 원리
촬상소자에는 CCD, CMOS 등의 여러 종류가 있다. 현재, 디지털카메라에서 가장 많이 사용하는 것 중 하나는 CCD라는 촬상소자이다. CCD는 Charge Coupled Devices의 약자로 전하결합소자(電荷結合素子)라고 한다. CCD는 빛을 전기신호로 변환하기까지 빛을 전하로 변환해 축적, 전하를 전송, 전하를 전기 신호로 변환의 순서로 이루어진다.

(1) 빛을 전하로 변환해 축적
이것은 광전효과를 이용한다. 광전효과는 촬상면에 조사 된 빛의 세기에 따라 발생한 전하의 양이 다르게 된다. 즉 강한 빛을 받은 전하는 많이 발생하고 약한 빛을 받은 전하는 적게 발생한다. 따라서 이 전하를 출력할 때 까지 잡아두는 것이 가능하다. 이 성질을 이용하면 전하를 출력으로 취급할 때 600만, 830만으로 나눠진 각각의 화소 간에 명암을 구별할 수 있게 된다.

(2) 전하를 전송
광전효과에 따라 발생, 축적된 전하는 신호로써 만들어질 필요가 있다. 방식으로써 가장 간단한 것은 모든 포토다이오드로 부터 직접 만들어진 방식이다. 그러나 모든 포토다이오드에 배선을 연결한 회로구조를 CCD에 만드는 것은 곤란하다. 그래서 CCD는 전하를 전송해 정보를 만든다. 전하의 전송은 CCD에 가장 큰 특징이다.

(3) 전하를 전기 신호로 변환
포토다이오드로부터 전하가 만들어지면 이 전하를 전기신호로 변환한다. 이 변환은 캐퍼시터(Capacitor)라는 부품을 사용한다. 전송되어진 전하는 캐퍼시터에 전송돼 축척된다. 이 캐퍼시터에 축척된 전압은 전하의 양에 배열돼 변화한다. 즉 전하의 양은 전압에 강약이 돼 전기신호로 변환된다. 이 부품은 전하신호를 전기신호로 증폭되어 증폭기(Amp)라고도 불리운다.

3) CCD의 약점
CCD는 다앙한 촬상소자 중에 남아 있는 우수한 이미지 센서이다. 그러나 CCD는 약점도 있다. CCD는 이 약점을 보안하기 위해 개량되어 지고 있다. 대표적인 것이 스미어 현상이다.

4) 스미어(Smear)
CCD는 수십만부터 수천만 영역에 화소로 나눠진다. 그 영역에 빛이 닿으면 전하를 발생해 전송한다. 이 영역은 수직방향 전하를 전송한다. 이 부분을 수직 전송용 CCD라고 부른다. 그래서 이 영역은 별도로 수평방향에 전송하도록 준비돼 있다. 이것을 수평전송용 CCD라고 한다. 광전효과에 따라 발생, 축척된 전하는 수직 전송용 CCD를 가로 방향에 전송된다. 이때 어떤 영역에 강한 빛(과도한)이 조사될 경우를 가정해 보면, 그럴 경우 감당할 수 없는 큰 전하는 밖으로 흘러나온다. 넘쳐난 전하는 다음에 수직방향에 전송된 전하분에 추가되어진다. 이때 다음 저장고에 들어있던 전하와 넘쳐난 전하를 흡수하지 않으면 다음 저장고에 전하가 넘치게 된다. 전하의 양에 따라 빛의 밝기를 판단하기 때문에 넘쳐날 만큼에 전하가 있는 상태는 사진으로는 강한 흰색으로(탄 것과 같은) 표현된다. 그 결과 화상은 강한 빛이 조사되지 않도록 세로 방향에 흰색이 날아간 부분이 나타나는 현상이 생기며 이것을 ‘스미어’라고 한다.스미어는 태양, 강한 라이트 등의 광원, 금속, 유리에 따른 강한 반사 등 높은 휘도를 가진 피사체가 화면 중심에 있을 경우 발생하기 쉽다. 그러나 이러한 상황은 디지털카메라의 촬영 상황을 생각하면 피할 수 없는 것이다. 그래서 가능한 스미어를 발생하지 않도록 하는 것이 CCD를 개량하는 이유 중 하나이다.

5) 암전류(暗電流)
CCD의 품질을 비교하는 것 중에 다이나믹렌지가 있다. 이것은 그 CCD가 취급할 수 있는 가장 큰 신호와 가장 작은 신호에 비율로써 dB(decibel, 데시벨)이라는 단위로 표현된다. 최대 신호와 최소 신호에 차이가 크면 클수록 식별 가능한 색에 계조가 많아지기 때문에 보다 자연스런 색이 표현된다. 따라서 다이나믹렌지가 큰 CCD가 품질이 좋다. 가장 큰 신호는 스미어가 발생하기 전의 포화 신호량이 되지만 가장 작은 신호는 0이 되지는 않는다. CCD는 빛을 완전히 차단된 상태라도 CCD를 대기 할 수 있도록 하는 등으로 발생하는 열로 전하가 발생하기 때문이며, 이것을 ‘암전류’라고 한다. 암전류에 따른 CCD로 발생한 신호로써는 불필요하다. 이것처럼 불필요한 신호는 ‘노이즈’라고 한다. 노이즈보다도 작은 레벨의 신호를 노이즈에 포함된 필요한 신호인가를 노이즈가 판단할 수 없다. 따라서 가장 작은 신호는 노이즈보다도 큰 신호로 남아 있을 필요가 있다. CCD 암전류에 따라 노이즈를 암전류 숏노이즈(Shot Noise)라고 한다. CCD의 노이즈는 암전류 숏노이즈만 있는 것이 아니지만 가장 큰 노이즈의 하나이다. 다이나믹렌지를 가능한 가장 크게 하기 위해 암전류는 큰 장애가 된다. 암전류를 가능한 작게 만드는 것도 CCD를 개량 하는 이유 중의 하나이다.


글 : 황선구 / 서울예술대학 사진과 교수, 디지털이미지 컬럼니스트
diart@dreamwiz.com

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