촬상소자, CCD와 CMOS

[그림 1] CCD와 CMOS

디지털 카메라에서 CCD와 CMOS는 과거 아날로그 카메라의 필름역할을 하는 촬상소자 입니다.

과거엔 렌즈를 통해 들어온 빛이 필름의 빛에 반응하는 화학적 반응을 이용해 상을 기록했다면,

현재 디지털 카메라는 들어온 빛의 세기와 색상을 디지털 신호로 바꾸어 상을 기록하게 됩니다.

그렇다면 이렇듯 디지털 카메라에서 쓰이는 CCD와 CMOS는 어떻게 빛을 디지털 신호로 바꾸고 무슨 차이가 있을까요?

먼저 두 센서 중 더 빨리 개발, 사용된 CCD를 살펴보겠습니다.

CCD는 Charge-Coupled Device의 약자로 '전하결합소자'라고 합니다.

개발 시기는 1969년으로, 조지 E. 스미스와 윌러드 보일이 공동 개발했다고 합니다.

'Charge-Coupled'라는 단어에서 알 수 있듯 여러 개의 축전기가 쌍으로 연결되어 있는 회로 구성을 가진다고 합니다.

CCD는 많은 광다이오들이 모여있는 형태의 센서인데, 보통 빛을 받아들여 무언가를 하는 모든 센서는 광다이오드라는 빛의 양 정도를 측정하는 검출기를 사용합니다.

[그림 2] 빛을 디지털 신호로 변환하는 광다이오드

광다이오드의 원리를 간단히 설명하자면, 광다이오드로 비춰지는 빛의 세기에 따라 전자량이 달라지는데, 전자량의 많고 적음이 곧 밝기를 뜻하게 되므로 이것을 디지털 신호로 재구성하여 이미지를 얻을 수 있게 됩니다.

그런데 CCD의 이러한 광다이오드를 이용한 방법은 빛의 명암 밖에 구분할 수 없으므로 따로 RGB 센서를 통해 빛의 색상을 구분하게 됩니다.

CMOS는 비교적 늦게 상용된 이미지 센서로 '시모스'라고 읽습니다.

CCD와 마찬가지로 광다이오드를 사용한 방식이지만, 제조 과정과 신호를 읽는 방법이 다릅니다.

1990년대에 상용화된 CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor)는 각 화소마다 신호 증폭기를 갖고 있는 방식으로 이 증폭기에 의해 빛의 명암과 색상처리를 함께 합니다.

일반적으로 CCD는 빛의 명암과 색상을 따로 처리하기 때문에 CMOS에 비해 색상으로 인해 발생하는 노이즈가 더 적습니다.

또한 CMOS의 경우 각 화소마다 배치된 증폭기들의 특성차에 의해 생기는 고정 노이즈 문제를 안고 있기도 합니다.

현재 이런 CMOS의 증폭기로 인한 노이즈는 기술의 발전으로 점차 감소하고 있는 추세입니다.

구조상으로 CCD에 비해 CMOS는 제작 공정이 다른 집적회로처럼 대량생산이 가능하기 때문에 CCD에 비해 단가가 낮은 장점이 있습니다.

또한 같은 크기의 경우 CCD가 소비 전력면에서 불리합니다.

이 때문에 촬상소자가 큰 디지털 카메라 가량 DSLR 같은 곳에는 CCD보다는 CMOS가 많이 쓰인다고 합니다.

반대로 CCD에 비해 많은 CMOS의 노이즈 문제 등으로 소형 디지털 카메라의 경우 CMOS의 낮은 단가에도 CCD가 사용된다고 합니다.

그러나 기술의 발달로 CMOS의 여러 단점들이 보완되고 있으며 제작단가가 낮고 소비 전력이 비교적 좋기 때문에 CMOS 이미지 센서로 대체되고 있습니다.

[출처]

[그림 1] http://www.topsurveillance.info/index.php/ccdvscmos.html

[그림 2] http://www.circuitdiagramworld.com/sensor_circuit_diagram/Light_Sensor_Circuit_15272.html