초보자를 위한 사진 강좌(9)/디지털 카메라의 CCD와 CMOS에 대해

디지털 카메라의 CCD와 CMOS에 대해

초보자를 위한 사진 강좌(9)

CCD와 CMOS CCD(Chage Coupled Devices: 전하 결합 소자)는 미국의 벨 연구소가 개발한 반도체 소자로 종래의 트랜지스터 소자와 달리 신호를 축적 기억하고 전송하는 두 가지 기능을 동시에 갖추고 있으며, 필름 카메라의 필름에 해당하는 기능을 하는 디지털 카메라의 핵심 부품으로 흔히 ‘이미지 센서’ 또는 ‘영상 소자’라고도 합니다. (CCD의 모양) CCD는 렌즈를 통해 들어온 빛(영상)을 인식해 디지털 신호로 바꾸어 일시적인 기억 장치인 버퍼 메모리로 전달하고, 디지털 카메라는 별도의 메모리 카드를 사용해 최종적으로 화상을 저장하는 것입니다. CCD는 크기가 크고, 세밀하게 배치돼 있는 화소(픽셀 Pixel)의 수가 많을수록, 높은 해상도와 선명한 색 표현을 할 수 있습니다. CCD와 필름의 다른 점은 필름은 직접 화상을 기록하는 데 반해, CCD는 일시적으로 기억하는 반도체일 뿐 완전한 화상의 저장은 메모리 카드에서 한다는 것입니다. 디지털 카메라에서는 이처럼 CCD 센서를 채용한 제품 외에도 CMOS(complementary metal–oxide–semiconductor: 상보성 금속 산화막 반도체)를 채용한 제품이 있습니다. (CMOS의 모양) CMOS는 CCD처럼 이미지 센서인데 CCD에 비해 화질이 떨어지고 크기가 크고 복잡하지만 가격이 싸다는 점에서  저가의 PC 카메라에 사용됐습니다. 그러나 CMOS는 CCD보다 발열이 더 적고, 전력을 적게 먹고, 회로의 크기가 작고, 라인별로 전송하기 때문에 훨씬 더 앞선 센서인데 문제는 노이즈 발생이 CCD보다 높다는 점이었습니다. 최근에는 CMOS의 이런 단점을 보완한 제조 기술의 향상으로 보급형뿐만 아니라 전문가용 DSLR에도 많이 장착하는 추세입니다. 좀 더 부연 설명하면 CCD와 CMOS의 이미지 센서는 빛을 감지하는 소자의 배열 방식이 달라 제조 방식에 차이가 있지만 기능은 유사합니다. CCD의 경우는 화상을 구성하는 화소가 받은 빛을 전하로 바꾼 후 회로를 통해 변조기로 전달하고, 마지막 단에서 전압으로 변환을 합니다. 이와는 달리 CMOS는 전하를 전기 신호로 바꾸는 변조기가 모든 화소에 각각 들어 있어 신호를 읽어 내는 속도가 빠르며 시스템을 작게 만들 수 있습니다. CCD와 CMOS의 차이를 도표로 정리해 보면  다음과 같습니다.(<한국사진> 2010.3월호.Vol.356. p.44 인용) CCD 와 CMOS 구분 CCD(전하결합소자) CMOS(상보성 금속산화물 반도체) 구조 ㆍ광전변환 반도체와 전하결합소자로 구성 ㆍ광전변환 반도체와 CMOS 스위칭 소자로 구성 원리 ㆍ빛에너지로 발생된 전하를 축적 후 변조기로 전송하여 전기신호로 변환 ㆍ빛에너지로 발생된 전하를 전압으로 바꾸는 변조기를 화소마다 각각 배치하여 전기신호로 변환 장점 ㆍ감도가 좋고 화질이 우수 ㆍ노이즈가 적다 ㆍDynamic range가 넓음 ㆍ저조도(low light condition)특성이 우수 ㆍ회로의 고집적화로 대량생산이 용이 ㆍ주변 IC와 one-chip화 가능 ㆍ저소비전력(CCD의 1/5-1/10) ㆍ영상 처리 속도가 빠르다. 단점 ㆍ주변회로 복잡성과 추가 전원부 설계 필요 ㆍ주변 IC와 one-chip화 곤란 ㆍ전력 소모가 크다 ㆍ영상처리 속도가 다소 느림 ㆍ낮은 감도, 노이즈가 많다 ㆍFill factor가 작다 ㆍDynamic range가 좁다 (Amplifier, Active Pixel Sensor등을 배치하여 개선) ㆍ고화질, 고품질 지향 디지털 입력기기 ㆍ지속적인 기술향상으로 DSLR에 사용 활용 ㆍ고화질, 고품질 지향 디지털 입력기기 ㆍ지속적인 기술향상으로 DSLR에 사용   총 화소수와 유효 화소수 내가 가지고 있는 카메라는 00만 화소의 카메라라고 이야기합니다. 이때 00만 화소의 카메라라고 하는 것은 총 화소수를 말하며 이는 CCD 전체에 있는 화소(픽셀 Pixel)의 총합을 말합니다. CCD의 화소 중에는 실제 영상신호를 기록하는 데 이용되지 않고, 영상신호를 전달하거나 다른 촬영정보의 처리 등을 위해 사용되는 화소가 있습니다. 총 화소수는 이런 화소까지 포함하는 CCD 전체의 화소수를 말하는 것입니다. 유효 화소수는 렌즈를 통해 촬영했을 때 실제 영상 신호만을 받아들이는 화소수를 말합니다. 다시 말해 유효 화소수는 총 화소수에서 영상신호를 전달하거나 다른 촬영정보의 처리 등을 위해 사용되는 화소를 제외한 화소수라고 할 수 있습니다. CCD의 가장자리 부분은 영상신호를 감지하는 대신 영상신호를 전달하거나 다른 촬영정보의 처리 용도로 사용되기 때문에 총 화소수와 유효 화소수에 차이가 생기는 것입니다. 그러므로 총 화소수보다는 유효 화소수가 화상의 크기에 영향을 미친다고 할 수 있습니다. 예를 들면 어떤 카메라의 가로 픽셀×세로픽셀=825만3000 정도라고 할 때, 이는 총 화소수를 말하며, 유효 화소수는 약 800만 화소 정도이므로 800만 화소 카메라라고 흔히들 말합니다. CCD의 크기와 초점거리 CCD의 크기는 다른 조건이 동일하다면 클수록 좋습니다. 필름의 면적이 클수록 좋은 사진을 얻을 수 있는 것처럼 CCD의 화소 당 표면적이 클수록 빛을 인식하는 표면적이 넓어지기 때문에 그만큼 정확한 색상 정보를 받을 수 있는 것입니다. 또한 CCD의 크기가 클수록, 실 초점거리가 길어져 피사체에 초점을 맞추어, 피사체를 또렷하게 하고 배경은 흐릿하게 처리하는 아웃포커싱 효과가 뛰어납니다. (CCD의 크기 비교) 불량 화소 디지털 카메라를 구입할 때는 CCD의 데드 픽셀, 핫 픽셀 등을 체크해보고 문제가 있는 경우 교환을 하거나 AS를 받는 것이 바람직합니다. CCD 불량 화소는 데드 픽셀, 핫 픽셀 두 가지를 합친 것을 말하기도 하고 ,데드 픽셀만을 불량 화소라고 부르고 핫 픽셀은 노이즈라고 부르기도 합니다. 데드 픽셀(Dead pixel) 데드 픽셀은 촬영 시 조리개 열림 정도, 셔터 속도 등과 상관없이 항상 CCD의 특정 지점에서 흰색의 점으로 나타나며, CCD의 수 백만개 화소들 중에서 특정 부분의 몇 개 화소가 색상 인식을 못해 어떤 색도 나타내지를 못하는 것입니다. CCD 작업공정상 자연적으로 발생되는 오류로, 제 기능이 정지된 것인데, 데드 픽셀은 사진에 직접적으로 영향을 주며, 3개 이상의 데드픽셀이 있는 경우는 CCD 자체를 교환하도록 해야 합니다. (화면상 데드픽셀의 형태) 핫 픽셀(Hot Pixel) 수백만개 픽셀이 매우 작은 기판에 모여 있는 CCD에, 전기적인 간섭으로 인해 발생하는 잡신호를 “핫 픽셀"이라고 하며 색상이 있는 점으로 나타납니다. CCD는 열에 아주 민감한 부품으로 기온이 높거나, 셔터 속도를 길게 설정해 노출이 길어진 경우, ISO를 높여서 CCD 감도를 높인 경우, 카메라의 장시간 사용 등의 과열된 상태에서 CCD 핫 픽셀이 많이 나타납니다. 기계적으로 고장난 것이 아니므로 결함이라 볼 수 없으며, 최근의 디지털 카메라에는 대부분 노이즈 감소( Noise Reduction) 기능이 있어 웬만한 핫 픽셀 노이즈는 나타나지 않습니다. 그렇지만 핫 픽셀이 나타남으로써 이미지에 영향을 주는 경우라면 AS를 통해 핫 픽셀을 수시로 제거해 주는 것이 좋습니다. (화면상 핫 픽셀이 나타난 형태)

안영주 / 2010-04-09 오후 12:07:20