촬상소자(撮像素子, CCD, CMOS) 2
보급형 디지털카메라 촬상소자의 주류는 CCD이지만 최근 주목되는 DSLR 카메라에 주로 사용되는 촬상소자로 CMOS가 있다. CMOS는 CCD에는 없는 특징을 많이 가지고 있는 촬상소자로 디지털카메라, 폰카메라 등에 이용이 점점 증가하고 있다.
▲ 황선구 / 서울예술대학 사진과 교수, 디지털이미지 컬럼니스트
1) CMOS의 원리
CCD는 촬상소자로 사용되는 경우가 많지만 CMOS는 촬상소자 이외에도 광범위하게 활용된다. CMOS는 반도체 방식을 표현하는 단어이기도 하다. 반도체 중에는 MOS(Metal Oxide Semiconductor)라는 방식이 있다. 이것을 금속 변화모반도체라고 한다. 이는 반도체 중에 움직이는 자유전자가 튀어 나온 후 정공의 전하를 운반하는 방식의 반도체이다. 이 전하 운반에 자유전자와 정공 쌍방을 이용해 동작 속도를 고속화 시킨 것을 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)라고 부른다. CMOS는 일반적으로 (시모스)라고 부르기도 하고 상보형 금속 변화 모반도체라고도 한다. 즉 CMOS는 반도체의 방식 중 하나로써 촬상소자 이외에도 다양하게 사용된다. 따라서 본래 디지털카메라에 수용된 촬상소자는 CMOS 이미지센서라고 부르고 CMOS 메모리 또는 CMOS 오토포커스센서 등을 구별할 필요가 있지만, 디지털카메라에서 사용되는 CMOS는 특별한 경우를 제외하고는 CMOS 이미지센서를 표현한다.
2) CMOS의 구조
CMOS와 CCD의 큰 차이점 중에 하나는 읽어내는 방법이 다른 것이다. CCD는 각 화소에 빛이 조사돼 발생한 전하를 그대로 CCD의 전송기능을 이용해 증폭기에 불러 그곳에서 처음 신호로 취급돼 증폭돼 진다. 그러나 CMOS방식은 각 화소에 전하를 축척한 후 화소 자체에 신호로써 취급돼 증폭되어 그것을 나타낸다. 이때 CCD처럼 저장고방식으로 신호를 전송하는 것이 아니고 화소 자체에 회로를 연결해 개별적으로 신호를 만든다. 이것이 가능한 것은 CMOS의 구조와 동작이 CCD와 다른 구조를 갖고 있기 때문이다. CCD는 반도체의 종류 중 하나이지만 그 제조 프로세스는 반도체 제조방법과는 다른 특별한 것이다. 그러나 CMOS 방식은 통상의 LSI와 같은 제조 프로세스로 만들어진다. 따라서 CCD는 회로를 투입하는데 곤란한 반면 CMOS는 몇 개의 층 구조에 따라 회로와 이미지센서를 같은 칩(Chip)에 투입이 가능해 진다. 그러나 CMOS는 하나의 화소에 증폭기를 포함해 각각의 기능을 투입하지 않으면 안된다. 때문에 고성능으로 작은 사이즈의 CMOS를 만드는 것은 매우 어렵다. CMOS는 CCD의 약점 중 하나를 해소한다. 그것은 스미어 현상의 해결이다. CCD는 전하 발생이 포화량을 초과 한 경우 수직 전송용 CCD에 따라 다른 화소에 축척된 전하에 영향을 받지만 CMOS는 각 화소의 신호가 변화되므로 다른 화소의 전하에 영양을 받지 않는다. 따라서 CMOS에는 스미어 발생이 거의 없다. 또한 CCD와 비교해 작은 소비 전력으로 기동할 수 있는 큰 메리트가 있다.
3) 총화소수(總畵素數)와 유효화소수(有效畵素數)
촬상소자는 화소 전부를 다 사용해 데이터를 만드는 것이 아니다. 그것은 디지털카메라에 들어있는 촬상소자 전체에 빛이 조사(照射)되게 디지털카메라를 설계하는 것이 어렵기 때문이다. 최종적으로 화상데이터로 출력될 때 유효하게 반영되는 화소수를 유효화소수라고 한다. 반대로 촬상소자의 화소 총수를 총화소수라고 한다. 유효화소수는 촬상소자 자체의 유효화소수와 디지털카메라에 설치돼 있는 유효화소수가 있다. 촬상소자는 노이즈 원인인 암전류(暗電流) 제거를 위해 빛을 조사하지 않는 영역을 설계한다. 이것을 옵티컬 블랙(Optical Black)이라고 한다. 차광된 전하가 발생하면 그것이 암전류가 된다. 신호레벨치로부터 옵티컬 블랙의 전하레벨을 당기면 노이즈만큼 제거되기 때문이다.그래서 촬상소자 자체의 유효화소수는 총화소수로부터 이 옵티컬블랙을 뺀 수치가 된다. 디지털카메라는 실제 정지화상 데이터로써 사용할 수 있는 화소는 더 작은 범위가 된다. 이것을 이미지 에리아(image area)라고 한다. 이 이미지 에리아를 디지털카메라의 유효화소수로써 이용하기 때문이다. 그러나 이미지 에리아 주변에 있는 화상 처리에 필요한 정보를 얻기 위해 화소를 포함해 유효화소수로써 카운트하기도 한다. 이 이미지 에리아 주변의 에리아를 링픽셀(Ring Pixels)이라고 한다. 대부분의 디지털카메라의 카달로그 표시는 촬영성능을 표시하는 경우 유효화소수를 첫 번째로 표시하고, 총화소수를 표시 할 경우는 법적으로 유효화소수를 따로 표시해야 한다. 현재 발매되고 있는 디지털카메라는 실제의 화상데이터를 만들때 사용되는 화소수가 유효화소수로써 스펙상에 표시되도록 돼있다.
글 : 황선구 / 서울예술대학 사진과 교수, 디지털이미지 컬럼니스트
diart@dreamwiz.com
