Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.
비전문적 수다가 마침내 디지털 이미지 센서에 대해 다룰 차례까지 왔다. 아마도 허섭한 연작의 종착지가 가까워지고 있는 것일 게다. 지금 생각으로는 디지털카메라의 셔터 방식(전자 셔터를 포함하고 있어서 이는 이미지 센서의 구조와 함께 언급할 수밖에 없을 듯하다)을 다루고 나면 ‘카메라와 렌즈의 구조’라는 주제로 다루고 싶었던 굵직한 소재는 거의 다룬 셈 일게다. 사실 알고 있는 바 밑천이 바닥나서 더 다룰 수 없는 것이지만, 어쨌든 디지털 이미지 센서의 개괄적인 기술(최신 기술 동향이 아니라 상용화된 기술 중심으로)을 정리하고 여력이 된다면 흥미로운 내용으로 한걸음 더 들어가 보자.
사실, 디지털 이미지 센서의 구조나 원리를 어느 정도 깊이로 다뤄야하나 고민이었는데 빛을 아날로그 신호로 전환하고 다시 이를 디지털 신호로 변환하는 세세한 과정을 정리할 수도 있겠지만, 이런 기술적인 부분이 흥미로운 사람은 그리 많지 않을 듯하고 이를 자세히 다루자면 그 양이 어마어마할 것이 분명하다. 문과 수준의 이해력으로 이런 기술적인 수다로 잘 풀어낼 자신도 없어서 흥미 위주의 맛보기 정도로 다뤄보자. 부족한 부분은 다른 전문적인 글을 찾아서 보충하는 것이 좋겠다.
디지털 이미지 센서의 대명사격인 CCD와 CMOS에 대해서는 익히 잘 알려져 있다. 디지털 카메라 초기(2000년대 초반)에 정립된 구분 기준은 CCD가 대략적으로 화질에서는 앞서나 소비전력이 높고 제조 가격이 높다거나 CMOS가 노이즈와 픽셀 결함이 많으며 빛에 덜 민감하여 화질에서는 뒤지지만, 제조 비용이 상대적으로 낮다는 정도일 텐데, 사실 현시점에서 CCD와 CMOS에서 파생된 각각의 제품까지 다루면 이런 단순한 장단점 구분은 큰 의미가 없을지도 모른다. 반도체 공정 기술의 영향을 받는 CMOS의 집적률과 기술 발전이 눈부시고 그리고 CMOS에 장점에 기반한 지속적인 연구 개발의 결과로 거의 모든 면에서 CCD를 압도하는 수준이 되었으므로 이런 구분이나 정의는 현재의 시점에서는 큰 의미를 가지기 어렵다.(전자 셔터에서 대해 곧 다룰 예정이지만, 글로벌 셔터의 구현에서는 여전히 CCD 방식이 더 효과적이다)
2012년을 기점으로 CMOS 이미지 센서의 점유율 및 기술 발전의 약진이 눈부신데 최근에는 디지털 카메라와 스마트폰 카메라 모듈의 거의 대부분은 CMOS 이미지 센서가 적용되는 등의 기술 발전에 따른 수요 변화가 적극 반영된 것이 아닌가 싶다. 물론 CCD 또한 인터라인 트랜스퍼(Interline transfer) 방식으로 그 미비한 성능을 보완하며 계속 업그레이드되었고 다방면에 활용되고 있지만, 산업용 이미지 센서가 주용도로 일반 카메라나 카메라 모듈 등에 적용되는 경우는 매우 드물다. CMOS의 성능 향상을 위해 적용된 기술이 CCD에도 그대로 적용되어 CCD 제조 기술이 정체되어 있는 것은 아니지만, 반도체 제조 기술과 관련하여 기술 발전 속도가 빠르고 비용에서 유리한 CMOS가 앞으로도 한동안은 계속 우위에 있으리라 생각한다. 따라서 CMOS에 대해서 집중해서 다뤄보자.
현재 디지털 이미지 센서의 매출과 수요에 가장 주요한 부분은 모바일 전자기기 즉, 스마트폰과 테블릿 등에 탑재되는 카메라 모듈의 디지털 이미지 센서이다. 디지털카메라의 경우 시장의 침체와 축소가 반영된 결과이기도 하다. 소비자가 직접 접하는 고성능의 이미지 센서라는 측면에서 기술력을 대표하는 디지털카메라의 상징성은 아직 유효하지만, 이미지 센서 제조업체의 직접적인 매출과 점유율에서는 모바일 기기용 카메라 모듈에 미치지 못한다.
최근 이미지 센서 제조사의 시장 점유율 비중은 매출 수량이나 매출 금액에 따라 조금 다르지만, 매출 기준 점유율에서 소니가 대략 50% 육박하는 성장세를 보여주고 있고, 삼성과 옴니비젼(Ominvision)이 매출이나 수량 기준에 따라 점유율 2~3위를 다투며 그 뒤를 따른다. 비교적 고가의 이미지 센서(디지털카메라용, 고급형 카메라 모듈 이미지 센서 등)를 생산하는 소니가 매출 기준 점유율이 높지만, 매출 수량을 기준으로 하면 저가의 옴니비젼 또한 여전히 높은 점유율을 보이기도 한다.
단편적인 몇몇 특징이나 기존의 평에 의존하다 보면 화질에서 고성능을 보여주는 고가 제품에 CMOS 이미지 센서가 사용되었거나 제조단가가 CMOS보다 높다는 CCD가 중국산 저가 캠코더에 이미지 센서로 사용되는 등 기존의 상식이나 정보와 부합되지 않아서 혼란만 가중시키는 면이 없지 않다. 하지만 이 또한 적용제품의 사양이나 성능 등을 이해할 수 있을 수준이다. 그리고 단순히 사양은 거의 비슷하더라도 픽셀 불량률이나 안정성 등에 따라 동일한 사양의 이미지 센서도 그 등급(품질)에 따라 큰 가격 차이 등이 있으므로 이런 점도 감안하는 것이 좋겠다.
▶ 수광률과 관련된 디지털 이미지 센서 기술
빛에 반응하는 대부분의 장치들이 그러하 듯이 수광률은 매우 중요하다. 이미지 센서에 수광률은 감도와 노이즈 발생 등 전반적인 성능/품질과 직결된다. 따라서 수광/집광률을 높이기 위한 기술이 핵심적일 수밖에 없다.
- 마이크로 렌즈 / Microlens arrays
마이크로렌즈 방식은 80년대에 등장하여 수광/집광률 향상을 위하여 대부분의 이미지 센서에 필수 불가결한 방식이 되었다. 이 단순해 보이는 방식이 이미지 센서의 성능 향상에 미친 영향은 지대하다고 생각한다. Microlens array를 활용하면 픽셀의 포토다이오드의 수광 면적에 크게 제한받지 않고 구변의 회로 부분(circuit section) 설계가 용이한 장점도 있다. 주변 회로 배선은 픽셀에서 얻은 데이터를 전송/처리하므로 이미지 센서의 판독 속도 등에 관여하여 성능과 밀접하게 연관된다. 마이크로 렌즈는 센서 수광 표면에 포토다이오드 면적이 제한적인 interline transfer CCD 뿐만 아니라 주변 회로와 배선으로 포토다이오드 수광 면적이 제한적인 CMOS 이미지 센서 등에도 폭넓게 활용된다. 광학 굴절에 기반한 Microlens arrays 원리는 매우 단순하므로 그림으로 쉽게 이해 가능하리라 생각한다.
마이크로 렌즈의 집광 효율 극대화를 위한 여러 디자인적/기술적 고려가 있으므로 보다 자세한 기술적 접근이 필요한 경우라면 추가 검색을 추천한다.
- 이면조사형 이미지 센서 방식 (Back-side illuminated image sensor)
최근 소니 미러리스 A7 RII 등에 적용하여 ‘이면조사’(back illuminated)라는 용어가 일반 아마추어 사진 애호가에게도 널리 알려졌지만, BI(또는 BSI) 센서로 불리는 이 기술의 최초(샘플)는 2007년 Omnivision technologies에 의해 등장하였고, 소니는 2009년 CMOS 기반 ‘Exmor R’로 상용 제품을 출시하였다. 이후 경쟁업체에서도 속속 BI 센서는 생산되었다. 초기의 BSI 센서는 모바일 기기를 위한 카메라 모듈의 이미지 센서 성능 향상에 기여하였고 대표적인 적용 기기로는 Apple iphone 4S 등이 있다.
이면조사형 센서는 2009년 소니의 핸디캠 등에 적용되어 출시되었다. 그리고 모바일 기기의 카메라 모듈 등 작은 이미지 센서에 적용되었다. 재미있는 사실은 디지털 미러리스 카메라에 BI 센서가 최초 적용은 소니가 아니라 삼성이었는데 APS-C 규격의 BI 이미지 센서를 2014년 NX1 디지털 미러리스 카메라에 적용하였다. 2015년 SONY 또한 35mm full frame BI 이미지 센서를 A7 RII와 이후 후속 제품에 적용하고 있다. 따라서 홍보 문구에는 "세계 최초 이면 조사형 풀프레임 센서 탑재"라고 조금 길어진 어구를 사용할 수밖에 없었다. 이 업계에서는 '세계 최초'를 너무 내세우고 싶어하는 경향이 있지 싶다. 그리고 엄밀하게 '이면조사형 센서'의 장점은 작은 이미지 센서일수록 매우 효과적이었고 특히 이런 생각은 초기에 강해서 비교적 큰 이미지 센서를 적용하는 디지털카메라에는 적용되지 않았다. 이에 대해서는 아래에서 다시 다루자.
BSI 센서 이전의 기존 이미지 센서는 "front illuminated sensor/표면 조사형 센서"라고 불리는데 구분을 위한 명칭에 불과하다. 그렇다면 왜 처음부터 이면조사 방식으로 제조되지 않았던 걸까. 이유는 사람의 망막 구조와 비슷한 구조의 재현이라는 측면과 일반적인 반도체 제조 공정의 방식이 그대로 이미지 센서 제조 방식에도 적용된 결과라고 할 수 있다.(일반 반도체 제조 공정과 동일한 CMOS 제조 공정은 CMOS의 장점으로 CMOS 경쟁력의 가장 주요 요인 중 하나다)
이면조사형 센서의 구조는 기존의 Front illuminated sensor의 포토다이오드 수광부 주변을 감싸는 형태의 회로 부분(Circuit section)을 포토다이오드 뒷면에 위치하도록 설계/제조된다. 픽셀 포토다이오드 수광 면적의 확보에 유리할 뿐만 아니라. 회로 부분의 배선을 두께 등의 제한에서도 자유롭다. 따라서 수광률 향상을 통한 이미지 센서의 감도 성능 개선과 회로/배선의 전송 능력(판독-readout- 속도)의 향상이 가능하다.
이전의 이미지 센서와 이면조사형 CMOS와 성능 차이는 어느 정도일까? 사실, 이면조사형 센서의 수광률 향상은 작은 이미지 센서에서 효과적이다. 카메라 모듈에 사용되는 1/2.4 인치 수준의 작은 이미지 센서에서는 약 30%에 달하는 수광률 향상이라 정보도 있지만,(실제 적용된 제품에서는 감도 2배라고 홍보하지만, 이는 다른 부분의 개선도 포함되었으므로 순수하게 이면조사형으로 개선된 효과라고만 하기는 어렵고 조금 과장된 듯하다) 큰 이미지 센서가 적용되는 카메라용 이미지 센서 규격 즉, 35mm 풀프레임 또는 APS-C 규격에서는 확연히 드러날 만큼의 수광률 또는 기타 성능의 상승을 보여주었다고 보기는 어렵다. 이면조사형 이미지 센서 이전에도 수광률을 향상하기 위한 다양한 시도와 기술이 적용되었고, 일부 단순화시켜 효과를 설명하는 홍보용 이미지처럼 이면조사형과 Front Illuminated 센서에서 큰 차이를 보이는 것은 아니며 소폭의 수광률 개선을 보이지 싶다. 이면조사형 이외에도 포토다이오드에 조사되는 빛 즉, 수광률 향상을 위하여 센서 표면의 마이크로 렌즈를 통과한 빛이 소실 없이 포토다이오드에 도달하도록 하는 통로를 확보하는 Light-guide 방식 등도 있다. 따라서 APS-C나 35mm 풀프레임 크기의 센서에서는 수광률의 향상보다는 포토다이오드 후면으로 회로배선 설계 공간을 확보하여 데이터의 전송속도(판독 속도) 향상이 더 눈에 띈다. 이런 회로 부분의 이점은 CMOS 센서에서 특히 연사 속도 또는 동영상의 성능(높은 FPS)과 관련된다. 이에 대해서는 아래 stacked CMOS에서 자세히 언급해 보자.
이면조사형 센서의 단점은 없을까?
장점만 존재하는 기술은 이 바닥에서 찾기 어렵다. 얻는 것이 있으면 잃는 것이 있고, 장점의 이면엔 단점도 존재한다. 그리고 이런 단점을 보완하기 위한 기술이 또 다시 등장하고, 점진적이고 지속적인 성능 향상과 더불어 새로운 기술과 신제품은 언제나 우리의 지갑을 노린다.
BSI 센서의 대표적 단점은 컬러 필터를 통과한 빛의 상호 간섭 문제다. 포토 다이오드의 수광면을 컬러 필트 바로 아래로 근접시켜 수광률 향상을 도모했지만, 기존 격벽 역할의 구조물이 사라져서 옆 픽셀의 다른 컬러 필터를 통과한 빛이 유입되어 색 응답성(각 픽셀 간 균일한 색 응답성)이 낮아지는 문제가 발생한다. 이를 개선한 대표적 기술로는 2~3위 매출 규모의 이미지 센서 제조사인 삼성에서 출시한 각각의 컬러 필터와 포토다이오드 간에 격벽 구조를 갖는 ISOCELL 등이 있다.
한걸음 더 들어가 보면, 디지털 카메라에서 표면 조사형과 비교해서 이면조사형 이미지 센서의 또 다른 장점은 수광률의 향상/ 데이터 전송 속도 향상뿐만 아니라 이미지 센서 면(포토다이오드)으로 입사하는 광선에 대해 이미지 센서의 각도 응답성이 대폭 향상하였다는 점이다. 이는 미러리스 카메라만의 장점을 극대화할 수 있는 장점이 된다. (기존 DSLR 등은 미러박스의 공간 확보를 위해 장착 렌즈는 이미지 센서와 일정 거리가 확보되어 센서에 입사하는 빛은 대부분 이미지 센서 수광면과 수직에 가까웠다) 즉, 미러리스 구조로 인해 이미지 센서에 근접한 렌즈 설계가 가능하고, 이면조사형 이미지 센서는 이런 근접한 렌즈 후옥(사출부)에서 비스듬하게 조사되는 빛에 대해 향상된 응답성이 갖추어졌으므로 앞으로 개발되는 렌즈들은 이미지 센서에 매우 근접하여 렌즈 설계의 자유도와 이를 통한 광학성능을 개선하는데 매우 효과적인 방식이다. 카메라 제조사와 광학 제조사가 기존 제품의 판?을 갈아엎어서 (기존 교환식 DSLR용 렌즈를 도태시키고 새로운 광학 설계의 신수요를 창출하기 위한) 시발점의 (소비자의 주머니를 노리는) 수요 창출의 그림이 그려지고 있지 않을까 예상해 본다.
Back-side illumination을 이면조사라는 용어는 소니가 주로 사용하였는데, ‘후면조사’ 또는 ‘배면조사’라는 용어 또한 함께 쓰인다. 이면조사는 한자로 ‘裏面’으로 표기하며 ‘속 면’이라는 의미로 아마도 내부에 조사하는 방식이라는 의미 정도로 생각된다. 용어를 통해 한번에 그 기술이 연상되는 정도가 아니라서 해당 기술을 적절하게 설명하는 적절한 용어인지는 조금 아리송하다. 우리말로 순화하면 '속 비침' 정도가 될까. 어색하기는 마찬가지다.
BSI 센서의 장점은 향상된 수광률로 저조도 촬영 조건에서도 보다 고화질로 촬영할 수 있는 점과 이미지 센서의 넓은 각도 응답성에 기반하여 카메라 렌즈의 광학 설계에 있어 유연성이 증가되었으며, 판독 성능의 향상으로 인한 화질 개선이 가능했다. 단점은 각 픽셀간의 균일한 색 응답 성능의 저하와 초기 제조 상의 수율문제와 제조 단가의 증가 등이 있었으나 이는 또 다른 보완 기술과 제조 공정 안정화와 대량 제조 등으로 해결되는 문제라고 생각한다.
이면조사형 기술을 혁신적인 기술로 과대해석하는 경우가 종종 있는데, 제품 출시 즈음의 제조사의 판촉 홍보는 언제나 과장되기 마련이다. 적절한 검증된 수치가 제공되지 않는 미사여구(美辭麗句)의 홍보 정보는 그대로 모두 그대로 받아들이기에는 무리다. 이런 눈 가리고 아웅 식의 과장된 홍보에 속지 말자. 언제나 신기술은 새로이 등장하고, 이런 소소한 개선을 항상 신제품 홍보의 굵고 큰 폰트로 눈길을 끈다.
▶ 적층-회로부분 개선을 통한- 이미지 센서 / Stacked CMOS
(현재 기준에서) 초고화소를 실현하기 위한 이미지 센서의 집적률 향상은 주로 모바일 기기의 카메라 모듈에 사용되는 이미지 센서에서 눈에 띈다. 초기의 고화소 이미지 센서 개발의 가장 주요 과제는 픽셀의 소형화(단순히 픽셀 하나하나의 크기를 줄여서 고해상력을 실현하는 설계)에 있었겠지만, 최근에는 수광 면적의 확보를 통한 화질 개선과 집적률 향상, 그리고 데이터 전송/처리 속도 증진을 동시에 추구하는 것으로 보인다. 가장 주목할만한 기술은 회로 부분(Circuit section)을 픽셀 후면으로 적층(Stacked) 설계하여 이미지 센서의 표면에 픽셀 부분으로만 구성하여 수광 면적 확보를 통한 성능 향상을 향상과 동시에 데이터 전송/처리 성능 향상을 위해 후면 회로 부분(Circuit section)의 공간 확보 또한 눈여겨볼 필요가 있다. 이를 ‘Stacked CMOS’라고 칭하기도 하지만 이면조사형의 이면이라고 할 수 있겠다.
소니에서는 Stacked CMOS를 적용시켜 2012년 EXmor RS로 이를 제품화 하였는데, 이전의 Exmor R 센서와 비교하면 데이터 전송(판독 속도) 속도 향상에 기인한 업그레이드된 성능을 확인할 수 있겠다.
▶ D램 적층형 센서
데이터 전송/처리 속도 문제는 고해상력/고화소화로 전송/처리해야하는 데이터의 양이 폭증하였고, 작은 이미지 센서 주변 공간에 회로 부분을 집적하는 어려움과 관련된다. 따라서 회로의 배선 공간 확보를 위해 이면조사형에서는 픽셀 후면으로 회로 부분 공간을 확보하기도 하고, 충분한 배선 두께를 통해 전송/판독 속도의 향상을 도모할 수 있다. 전송 효율이 높은 소재(구리 등)로 회로 배선의 소재를 업그레이드하거나, D램을 통한 전송/처리 성능 향상을 도모하는 방향으로 발전하고 있다.
실제, 이면조사형 센서의 장점은 수광률 향상은 작은 이미지 센서에서 개선이나 성능 향상이 두드러지고 큰 이미지 센서에서는 그리 큰 개선이라고 하기 어렵다. 그 보다는 주변 회로 공간 확보에서 오는 판독 속도의 향상이 더 알찬데, 이는 이미지 센서의 고화소화/고해상력과 무관치 않고 동영상 촬영과 카메라의 최대 연사 성능과 관련하여 전자 셔터의 판독 속도가 중요성이 증가하였기 때문이다. 이에 대해서는 다른 포스팅에서 전자 셔터 등에서 다루어 보자.
<카메라와 렌즈의 구조 32> 디지털 이미지 센서의 구조 II - 전자 셔터(글로벌 셔터와 롤링 셔터, 그리고 전자 선막 셔터 기능) / Degital image sensor II - Electronic shutter (Glob
Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다. 디지털 이미지 센서의 구조에서 빼놓을 수 없는 부분이..
surplusperson.tistory.com
정리하자면, 이면조사형 센서의 장점은 단순히 수광률 향상 보다는 점층 구조 설계와 회로 부분의 충분한 공간 확보로 인한 이미지 센서 전체의 성능 향상이라는 점에서 이해하는 것이 타당하다.
최근 소니의 최신형 이미지 센서에는 D램을 이미지 센서 후면에 적층형태로 설계하고 있는데, 이를 통해 이미지 센서의 판독/readout 성능 향상 또한 눈여겨 볼만 하다. (D램이 이미지 센서와 결합한 형태가 되었으므로 이미지 센서에서 한 번쯤 언급해야 하지 않을까 싶었다. D램은 카메라 이미지 판독 및 전송/처리 등의 속도 향상을 위해 이전부터 계속 사용되었지만, 최근 소니에서는 이를 이미지 센서 후면에 적층하여 효율-배선 공간 절약 및 데이터 전송 효율 개선-을 도모한 설계가 아닐까 싶다)
최근 이미지 센서의 고화소화가 눈부시다. 35mm 풀프레임 규격 기준으로 약 5000만 화소, 또는 APS-C 규격 기준으로 약 3000만 화소를 상회하는 수준의 해상력을 보여준다. 하지만, 채 1인치도 되지 않는 이미지 센서 크기로 1900만 화소 이상의 해상력을 실현하고 있고 반도체 미세공정의 기술이 발전 속도에 따라 1인치 이상의 센서를 사용하는 디지털 카메라의 고해상력은 앞으로 대폭 개선될 여지가 높다. 현재 이미지 센서의 고해상력 구현 수준은 이미 제품화된 수준을 한참 상회하고 있으며, 1억 화소 수준의 흑백 이미지 센서 개발 소식도 속속 전해진다.
현재 최고급 카메라 시장의 이미지 센서의 해상력은 이미지 센서의 기술적 문제 보다 고화소 / 고용량의 이미지 데이터를 원활하게 처리하기 위한 프로세싱 과정의 하드웨어적인 성능(한편으로는 효율적인 처리라는 측면에서 소프트웨어 측면도 있다)과 전송 저장의 속도 문제에 있다고 생각하다. 그리고 후속에서 다룰 전자 셔터와 관련된 픽셀의 판독 속도와도 직결된다. 이에 대해서는 다음 수다의 주제로 다뤄보자.
1억 화소 수준의 '흑백 이미지 센서'가 먼저 개발되는 것 또한 처리하여야 하는 데이터의 용량과 관련있기 때문이다.(컬러 이미지 센서의 경우 RGB의 색정보가 추가되므로 데이터의 용량이 훨씬 많아진다) 높은 연산과 데이터 처리와 전송/저장 기술이 적절한 가격 대비 성능으로 제품화된다면 이를 카메라에 적용하여 현재 화소 수준을 훨씬 상회하는 고해상력/고화소의 카메라(이미지 센서) 상용화는 당연한 수순이 될 것이다.
디지털 이미지 센서와 관련해서 다룰 주제가 아직 몇 남았는데, 디지털 이미지 센서의 전자 셔터와 관련한 글로벌 셔터와 롤링 셔터 방식 그리고 영상 기능과 관련한 FPS와 슈퍼 슬로우 모션 기능 등의 기술적인 부분에 대해서도 언급해야 하지 싶다. 이에 대해서는 다음 수다에서 다뤄보자.
최근 디지털 카메라의 이미지 센서 기술은 소니에 의해 주도되고 있는 경향이 강하고 DSLR 또는 디지털 미러러스 카메라용 이미지 센서 대부분이 소니 제품을 채용하는 실정이라서 소니와 관련된 브랜드 또는 기술 명칭이 자주 등장하였다. 본의 아니게 소니 홍보를 한 꼴이 되어 못마땅하다. 소니와 아무런 관련이 없고 직접 제품을 구매해서 쓰는 사용자일 뿐이다.
