Notice - 얄팍한 상식 수준에서 다루는 비전문적이고 깊이 없는 포스팅이므로 숨겨져 있을 오류와 논리적 비약, 수다쟁이의 헛된 망상에 주의가 필요하다.
4년 전 즈음, ND 필터에 대한 개괄적인 내용을 다루는 포스팅을 올린 적이 있다. 그때 다루지 못했던 세부적인 또는 지엽적인 부분에 대해서 더 자세히 다루고, 몇 해 전엔 공개된 정보가 거의 없어서 다루지 못했던 전자식 가변 ND 필터에 대해서도 새로 취합한 정보와 어설픈 개인적인 생각을 덧붙여 다뤄보자. 이 포스팅은 단순한 궁금증과 의식의 흐름에 따라 제멋대로 쓰인 글이라 두서가 없다. 의식의 흐름을 대충 따라가며 정리하면, "사진용 광학식 ND 필터의 원리", "다른 방식은 없는가?(반사형 ND 필터)", "각각의 장단점?", "새로운 ND 기술? (전자식 가변 ND 필터)", "전자식 가변 ND 필터의 원리와 장/단점은?", "전자식 가변 ND 필터가 기존 광학식 ND 필터 기술을 대체할 수 있을까?" 등등의 순이다.
간혹, "글이 길다", "요약해 달라"는 댓글이 달리는데, 이 블로그의 글들은 아는 것을 자랑삼아 늘어놓거나, 누구를 가르치거나 지식을 전달하려는 의도가 아니다. 더구나 이 수다쟁이는 카메라나 사진과 관련해서 취미로 즐길 뿐, 전문 지식은 전혀 갖추지 못했다. 개인적인 궁금증을 웹 등에서 취합한 공개된 정보를 통해 (비전문가적 입장에서) 대략적인 흐름 정도를 얕게 이해하려 노력하는 무지한 자의 게으른 취미 활동에 불과하다. 궁금증 해소의 해답을 찾는 어지러운 여정에서 알게 된 소소한 정보의 나열에 가깝고 따라서, 몇 마디로 핵심을 정리하거나 요약할 수 있는 수준에 이르지 못해 그 요구에 응하기 어렵다. 새로운 정보에 쉽게 다가설 수 있도록 열린 사고를 가지고 있기를 바라서 지금 도출한 어설픈 결론이 옳을 것이라는 확신도 없다. 단순히 이를 외워서 어디 써먹을 생각도 없고, ("외워서 써먹을 생각 하지 말라" 뇌과학자 박문호 박사의 말처럼) 특정 정보나 사실을 맹신해서 자신의 생각이 전적으로 옳다는 아집에 사로잡히지 않기를 바란다. 해답은 딱 정해진 하나만 있다고 믿지 않으며, 과학이나 합리로 포장하여 스스로 속이는 것을 경계하기 때문이다. 무엇보다 자신 스스로가 '뭐가 맞는지고 틀렸는지 잘 모르기 때문'이며, 이런 어지럽게 나열된 정보들 속에서 자신만의 견해를 찾기를 바란다. 이런 이유로 이 블로그는 개인적인 호기심을 따라 두서없는 생각을 나열하는 수준에 그칠 수밖에 없고, 궁금한 것에 대해 대략적인 이해나 감을 잡을 수 있는 정도로 다루려 한다. 나열한 잡다한 정보가 옳고 그름은 항상 의심하기를 바라고, 차후에 쉽게 잊혀서 장래의 새로운 정보를 이해하는 데 작은 디딤돌과 낮은 문턱의 역할이면 충분하다. 두서없음에 너무 길고 산만해서 읽기 곤란하다면 그냥 무시하고 뒤로 가기를 누르는 것도 좋겠다.
ND 필터와 교차 편광 필터 원리의 가변 ND 필터의 개괄적인 내용에 대해서는 이전 작성된 아래 포스팅의 링크로 대신하자.
▶ 흡수형과 반사형 중성 밀도 필터에 대하여
중성 밀도 필터에는 여러 가지 명칭이 있는데, ND 필터, 그레이 필터, OD 필터 또는 광학 밀도 필터 등으로 불린다. 중성 밀도 필터는 가시광선 파장 전 범위에서 일정/균일한 색상 중성 투과율을 가져야 한다. 현재, 사진/영상용으로 카메라 렌즈 전면에 장착하는 ND 필터는 대부분 "흡수형-Absorptive-"이다. 유리는 비정질 고체로 정의된다. (비결정질성으로 인해 액체인지 고체인지 논란이 있고, 과냉각 액체라고 보는 견해도 있다) 유리는 투명한 성질을 가지는데 이는 유리를 통과하는 빛이 산란하거나 흡수되지 않기 때문이다. 즉, 유리의 독특한 분자구조로 인해 가시광선과 적외선이 그대로 통과하는 성질을 가지고 있다. 하지만, 자외선을 포함한 높은 파장의 빛은 상당 부분이 흡수되므로 모든 빛이 통과하는 것은 아니다. 이런 투명한 성질의 순수한 유리에 가시광선 파장의 빛을 흡수하는 성질의 조광 물질(일종의 불순물)을 섞어서 '흡수형 중성 밀도 유리'를 만들 수 있다. 여기서 중성-Nuetral-은 빛이 필터 유리를 통과하는 과정에서 가시광선 전 파장의 빛이 (파장과 무관하게) 균질하게 흡수되는 것을 의미한다. 흡수 불순물의 밀도에 따라 빛의 투과율(감광의 정도)이 조절된다.
흡수형 중성 밀도 필터가 사진용에 더 선호되는 이유는 반사형에 비해 표면 반사가 적어 플레어 발생 억제에 유리하고, 따라서 여러 장을 겹쳐 사용하는 것에 적합하다. 그리고 빛의 입사 각도에 따른 투과율 변화가 거의 없으며, 상대적으로 저렴하다는 장점 때문이다. 흡수형 중성 필터 밀도와 투과율은 선택한 ND 필터 재료의 두께를 설정하여 조정된다. 실제 투과율은 필터 재료의 테스트 측정에 의해 결정되며, 그런 다음 계산된 목표 두께로 연마하여 제작된다고 한다.
반사형 -Reflective- 또는 반사형과 흡수형이 결합된 금속 중성 밀도 필터는 주로 금속 코팅 필터로 유리 또는 용융 실리카 기판에 얇은 인코넬-inconel- 코팅으로 제작한다. 코팅 소재는 니켈, 크롬, 코발트, 철 등 다양한 원소를 포함한다. 금속성 ND 필터의 장점은 흡수형에 비해 더 중립/중성적(입사광의 파장 범위에서 중성/균일)이며, 열에 더 강해서 고출력 레이저 빛 감광의 용도로 사용 가능하다. 단점으로는 흡수형에 비해 가격이 비싸고, 상대적으로 코팅면이 긁힘에 취약하며(코팅면의 흠집은 감광 성능에 직접적인 하자 원인이 된다), 반사면이 항상 전면을 향하도록 사용해야 하며, 반사식으로 인해 여러 장을 겹쳐서 사용하기는 곤란하고 광학계 내부나 이미지 센서 사이에 위치하는 내장형 방식도 적용하기 어렵다.
일상에서 흔하게 볼 수 있는 반사형 밀도 필터 활용 제품으로는 미러 선글라스가 있다. 선글라스 렌즈 표면의 금속 코팅을 통해 입사하는 빛의 대부분을 반사하여 전면이 거울처럼 보이고, 일부만 투과하여 눈의 망막에 이르므로 눈부심을 줄여준다. 그리고 일상에 사용되는 유리 거울 또한 유리 안쪽면에 은이나 알루미늄 박막을 덧붙여서 제작된다.(80% 이상의 반사율을 가져야 한다) 즉, 은이나 알루미늄 금속 박막면과 그 위에 덧칠한 (박막 보호 및 빛 투과 차단용) 도료를 바른 것이 일반적인 유리 거울이다. 즉, 유리 거울은 반사형 금속 코팅 nd 필터의 반사된 빛과 비슷하다. (거울 또한 SLR/DSLR 카메라의 미러나 반사 망원 렌즈, 우주 천제 망원경 등에 자주 등장하는 광학 소재이므로 추후 광학 거울에 대한 포스팅도 재밌겠다)
상용 제품화된 사진/영상 카메라용 ND 필터는 (앞에서 나열한 흡수형과 반사형의 장/단점에 견주어 보면) 흡수형 ND 방식이 취급하기에 더 적합하다. 그럼에도 불구하고, 흡수형 중성 밀도 필터는 균질/균일한 감광 성능을 위해 일정 이상의 필터 유리 두께가 필요해서(심지어 두꺼울수록 더 유리한 측면이 있다), 결과적으로 광학 성능을 우선하다 보면 "두껍고 무거운 광학 유리의 필터"를 우선하게 되고, 다양한 밝기 조건에서 활용하기 위해서는 고정 밀도에 따라 연속된 단계의 필터를 다수 구비해야 하는 점은 불만이다.
사진 촬영을 위한 카메라 편광(PL/CPL) 필터나 가변 (Varioable) ND 필터 등에 활용되는 편광 소자는 최근 다양한 소재 개발에 힘입어 성능과 가격 경쟁력에서 진일보했다고 생각한다. 새로운 편광 소재 개발의 촉매는 LCD 디스플레이 장치 속에 편광 필터가 핵심 요소로 사용되면서 각종 관련 연구와 소재 개발이 활발해졌고, 동일한 편광 필터 소자를 활용해서 사진용 가변 nd 필터 또한 성능이 향상되고 다양한 제품 출시가 가능했다고 생각한다. 반면에 흡수형 ND 필터 기술은 (멀티 코팅 기술을 제외하고는) 수십 년 큰 변화 없이 정체되어 보인다. 이런 토대에서 새로운 '전자식 가변 ND 필터(Electronic variable ND filter)' 방식에 관심이 가지 않을 수 없다. 이는 아래에서 다시 자세히 다루자.
▶ ND 필터와 적외선 오염의 영향 / IR cut ND filter
ND filter 즉, 중성 밀도 필터는 앞에서 수차례 언급했듯이 광학 성능과 관련해서 가시광선 전 파장에서 균등한 감광 성능이 필수적이다. 하지만, 때때로 가시광선 파장에서 균일한 감광 성능만으로 부족한 경우도 있다. 근적외선의 감광이 잘 이루어지지 않아서 촬영된 화상에 영향을 미치는 경우다. (근적외선의 영향으로 일명 색감이 틀어지거나, 암부에서 붉으스름한 보라색(마젠타) 색조를 보이거나, 단풍 사진 등에서 실제보다 더 밝게 촬영되는 등등의 경우가 발생한다.) 사람의 시각 능력은 근적외선을 거의 볼 수 없지만, 필름이나 이미지 센서는 가시광선에 근접한 적외선이 밀도가 높은 ND 필터 사용 조건에서 촬영 이미지에 유의미한 영향을 끼칠 수 있다. (앞서 언급한 바와 같이 순수한 유리는 가시광선과 적외선을 대부분 통과하는 특성을 가진다)
위 그래프는 대표적인 광학 유리 제조사 SCHOTT의 흡수형 중성 밀도 필터 소재(아마도 B270 glass가 사용된 ND 필터)의 두께 1mm 기준으로 빛의 파장별(x축) 투과율(y축)을 보여준다. 가시광선 파장은 400nm에서 700nm에 해당하는 파장이고, 대체로 해당 파장 범위에서 균질한 감광을 보인다. 하지만, 700~800nm 파장의 근적외선의 투과율이 가시광선 투과율에 비해 높고, 밀도가 가장 높은 필터(그래프 상 청록색 NG 3)에서는 두배 이상의 투과율을 보인다. 상대적으로 고 밀도의 ND 소재에서 근 적외선 파장의 빛 흡수가 상대적으로 적은 특성을 확인할 수 있다. (첨언하자면 위 그래프에 나타난 Schott ND 유리의 가시광선과 적외선 차단 성능의 균질성은 우수한 편이고 SCHOTT은 가장 유명하고 대표적인 유리 제조사다. 이런 실측 성능 자료를 웹상에 쉽게 찾을 수 있다는 자체로 품질에 꽤 큰 자신감을 표하는 것으로 보인다)
아래 인용한 문구는 IR ND 필터 판매사(NISI)에서 설명하고 있는 내용인데, (조금 과장된 면이 있고, 구글 번역기의 번역과 산수 결과 값이 좀 이상해 보이지만, 무슨 말을 하는 것인지 이해하는 데는 큰 문제가 없어 보이니 그냥 참고만 하자) ND 필터에서 IR cut의 기능과 효과를 대충 이해하는데 도움이 될듯해서 인용했다. ND 1000 (-10 stop)의 아주 극단적인 밀도를 예를 들고 있다는 점을 참고하자. 첨언하자면, 일반적으로 많이 사용하는 ND 8 (-3 stop, 투과율 12.5%) 정도에서는 IR cut 효과가 크게 체감되지 않을 것이고, ND 64 (-6 stop, 투과율 1.563%) 이상의 고밀도 ND 필터에서는 IR cut ND 효과에 대해 고려해 봄직하다.
일부 ND 필터는 적외선을 잘 차단하지 못합니다. 이로 인해 이미지가 강한 색조, 색조 변화 및 이미지 부드러움이 나타날 수 있습니다. 카메라가 일반적으로 적외선의 1%와 가시광선의 100%를 기록한다고 가정해 보겠습니다. 이는 가시광선과 IR의 비율이 100:1이므로 이미지에 대한 IR의 효과는 눈에 띄지 않을 수 있습니다. 이제 10 스톱 ND 필터를 추가했지만 이 필터는 4 스톱의 IR 광선만 차단한다고 가정해 보겠습니다. 이제 적외선의 0.000625%와 가시광선의 0.0009765625%를 기록하고 있습니다. 가시광선과 IR의 비율은 약 3:2입니다. 이미지에 대한 IR의 효과는 매우 눈에 띄게 나타납니다.
▶ 전자식 가변 ND 필터 시스템 / Electronic variable ND filter system
근래 ND 필터와 관련하여 개인적인 흥미와 관심의 대상은 전자식 가변 ND 필터를 첫 손에 꼽겠다. 10년 전 즈음 소니에서 콤팩트 디지털카메라(DSC-TX300V - 전자식 ND, 가변이 아니라 고정식)에 처음 전자식 ND를 적용되었을 때는 그리 큰 주목을 끌지는 못했지만, 이후 소형 디지털 캠코더(PXW-X180), 그리고 FS5, FS5 II, FS7 II, FX9, FX6, 소형 캠코더 PXW-Z190/Z280에 적용되며 기존 여러장의 연속된 고정 밀도 필터 방식의 기계식 가변 내장 필터 방식을 대체하며 주목받았다.
소니 카메라와 캠코더에 적용된 전자식 가변 ND 필터의 원리에 대해 자세히 공개된 정보가 없어서 단정하기는 어렵지만, 몇몇 자료를 통해 작동 원리를 유추해 볼 수는 있다. FS5 출시와 관련해서 2016년 2월의 개발자 인터뷰에서 몇몇 작동 원리에 관한 내용을 간추려 보면, "일반적인 기존 액정 디스플레이와는 상당히 다른 방식이며, 구체적으로는 액정에 조광 물질을 섞은 것에 액정 분자의 움직임을 유발해서 조광의 정도를 컨트롤할 수 있는 방식(일부 요약 및 의역)"이라고 밝힌 바 있다.
(인터뷰 출처 - https://videosalon.jp/report/fs5_nd/)
먼저, 액정(Liquid crystal)은 고체와 액체 사이의 물질적 특징을 가진 물질의 상태를 칭한다. 디스플레이 장치에 활용되어서 '액정'이라하면 액정 디스플레이를 연상하게 된다.
일반적인 액정-특히 LCD-Liquid Crystal Display- 장치의 액정-을 참고해 보자. 아래 링크에서 매우 상세히 설명하고 있으므로 이를 참고하자.
위에 언급한 소니 FS5 전자식 가변 ND 필터 개발자가 디스플레이 액정과는 "상당히 다른 방식"이라고 언급한 이유는 아마도 LCD 방식은 액정 전면과 후면에 수직 교차 위치하는 편광 필터와 가운데 액정 내부의 소자에 전기장의 변화에 따른 배열 변동으로 선택적으로 빛을 투과 - 부연 설명하면 위 그림 A와 같이 액정 내부의 소자가 불규칙하게 배열된 상태에서는 빛이 통과하지만, 전기적 신호로 액정. 내부 소자의 배열을 빛의 진동 방향으로 정렬하면 빛이 차단되는 방식- 하는 방식과 다르다는 의미로 생각된다. 즉, 소니의 전자식 가변 ND 필터는 편광을 이용하는 일반적인 액정 방식이 아니라, 내부에 특정 성질의 조광 소자(흡수성 감광물질)에 전기적 신호(전류 양의 조절?)에 따라 조광 소자의 밀도를 조절하여 투과하는 빛의 양을 조절하는 방식이라 추측한다. 어떤 조광 물질인지 밀도를 어떻게 조절하는지 등의 메커니즘에 대해서는 공개된 정보를 찾기 어려웠다. 이미지 자료 등을 통해 추정해보면, 전기 신호가 공급되지 않거나 낮을 때에는 밀도가 높은 상태를 보이고, 전류 공급량을 늘릴수록 낮아져서 투명해지는 특성으로 보인다.
소니의 전자식 가변 ND 필터의 적용 이후 이와 유사한 방식의 제품 개발 소식을 공개하거나 제품을 출시한 경우도 있었는데, 현재 기준, 제품으로 출시된 것은 Z cam eND 필터(EF와 PL 마운트용 어댑터에 장착하는 방식으로 미화 399달러 정도로 출시)가 유일하다. 아래 언급한 전자식 가변 ND filter는 캠코더 내장 또는 카메라 렌즈와 카메라 본체를 연결하는 어댑터에 위치하는 방식을 취한다. 이 방식은 카메라의 자동 노출과 기능적으로 완전히 연동할 수 없는 한계가 분명한 단점을 가지고 있다.
Aputure DEC vari-ND 어댑터 (현재는 제품 개발/출시가 중단된 것으로 보인다)
https://www.newsshooter.com/2017/04/03/aputure-dec-vari-nd-review/
Titamax TE-ND 전자식 Vari ND 필터 어댑터
https://www.cined.com/tiltamax-te-nd-electronic-vari-nd-filter-pl-mount-adapter-for-red/
Z cam END filter (2020년 제품 출시)
카메라 내장형 전자식 가변 ND 필터 시스템에 대해서 한걸음 더 들어가 보자. 위의 확장 어댑터형 전자식 가변 ND 필터 방식에 비해 카메라의 설계/제작에서 자동 노출 기능과 연동하여 전자식 가변 ND 필터의 기능을 효과적으로 활용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 소니가 적용한 전자식 가변 ND 필터 시스템의 세부 스펙을 간단히 살펴보자. 기존의 1/4, 1/16, 1/64 단계별 감광이 가능하던 캠코더 내장 기계식 ND 필터와 비교해서 FS5와 소형 캠코더에 내장된 전자식 가변 ND 필터는 1/4~1/128 감광이 가능했으며, 내부 공간을 더 적게 차지해서 캠코더의 소형화에 유리하고, 더 넓고 범위에서 세밀한 단계(1/3 stop 단계)의 감광 조절이 가능하다. 광학 성능에서도 기존 기계식에 거의 준하는 수준이라고 발표했고, 각종 리뷰에서도 검증된 성능이다. 무엇보다 카메라의 자동 노출과 연동하여 밝기의 변화가 많은 촬영 조건에서도 자연스럽고 부드러운 노출 조정이 가능해서 자동 노출의 활용도를 향상한 점을 장점으로 들 수 있겠다.
렌즈 전면에 장착하는 일반식 광학 필터 방식과 비교하면, 렌즈 전면에 필터 장착을 위한 어댑터나 매트 박스 등의 추가 액세서리를 사용하지 않아도 되고, 회전식 가변 ND 필터에서 나타나는 불편(화질 저하나 교차 편광 'X' 효과 등)을 줄일 수 있으며, 고정식 ND 필터의 감광 조절을 위해 교체하는 번거로움을 피할 수 있겠다.
"그렇다면 위의 장점을 내세워 전자식 가변 ND 필터는 기존의 광학식 ND 필터를 대체할 수 있을까?"
카메라 내장된 전자식 가변 ND 필터 시스템은 소형 캠코더나, 다큐멘터리 촬영용의 카메라에서 (더구나 카메라의 자동 노출-조리개 또는 감도와 연동-과 기능적으로 결합한다면) 매우 효과적이고 카메라를 더 작고 간편하게 만들 수 있는 유용한 방식이고, ND 필터 기능에 국한하면 일응 대체 가능하고 편의성이 대폭 향상되어 진일보한 것이라 생각한다. 하지만, 다양한 시각적 효과를 위해 다수의 필터를 활용하는 일반 사진용 카메라나 전문 시네마 카메라에서 ND 필터만 전자식 가변 ND로 교체하는 것이 얼마나 더 효율적인지에 대해 강한 의구심이 들고, 광학적 성능(특히 균일한 감광 성능)에서도 아직은 신뢰성 검증에 시간이 더 필요해 보인다. 일례로 소니의 가장 고성능 시네마 캠코더인 Venice에서는 여전히 기계식 내장 ND 필터 방식(Venice 2 features -servo-controlled 8-step Mechanical ND filter system)을 채택하고 있다는 사실은 제조사 소니 내부에서도 아직 전자식 가변 ND 필터 성능에 대한 신뢰가 부족하다는 측면으로 해석된다.
단, 이 전자식 가변 ND filter의 장점은 캠코더의 내장 기계식 ND 필터 방식과 비교이다. 아래 파나비젼의 전자식 가변 ND 필터는 기존 렌즈 전면에 장착하는 필터 규격인데, 기존 필터 방식의 매트 박스 등에 활용 가능한 방식이다.
https://fstoppers.com/gear/how-new-nd-filter-panavision-special-its-electronic-377161
내장된 배터리를 통해 전원이 공급되는 전자식 가변 ND 필터로 보인다.(외부에서 전원 공급도 가능) 공개된 정보가 부족해서 원리 등을 자세히 확인할 수는 없지만, 카메라 내장형 전자식 가변 ND 필터와는 다른 기술(아마도 '전기 변색 유리'와 유사한 방식)로 보인다. 전기 변색 유리(Electrochromic glass)는 두층의 유리 사이에 산화 환원 물질과 전해질 그리고 투명 전극을 연결하고 전기적 신호에 따라 감광을 조절하는 방식이 아닐까 추측된다. Electrochromic glass 또한 최근 활발히 연구 개발되는 분야이고 실제 상용 제품에 적용되고 있다. (일례로 투명에서 불투명으로 투명도가 조절되거나, 일광과 기온 조건에 따라 햇빛의 투과율을 조절하는 창/ 유리 제품, 냉장고 전면 색을 바꿀 수 있는 냉장고 등) 반도체 제조 상 페이퍼 가공 기술을 유리 표면 가공 기술에 응용한 새로운 기술 등 웹 상에 흥미로운 기술 정보가 꽤 많으므로 더 많은 정보는 검색을 통해 해결하자.
미세한 단계의 감광 조절이 가능해서 변화가 많은 조명 조건에 대응할 수 있는 점과, 기존 필터 방식에서 활용할 수 있다는 점은 장점으로 보인다. 한편 의구심이 드는 점은 꽤 넓은 내장형 전자식 가변 ND 필터가 35mm 풀프레임 이미지에 유용한 크기로 상대적으로 작았지만, 사진의 파나비젼 전자식 가변 ND 필터는 긴 면이 150mm에 육박하는 크기로 보이고, 이런 넓은 면에서 균일한 감광 성능을 보여줄 것인지 의심되고, 단지 전자식으로 감광 조절이 가능하다는 점 이외의 기존 ND 필터 방식과 비교해서 어떤 장점이 있나 잘 떠오르지 않는다. 카메라 내장 ND 필터의 경우 카메라의 자동 노출과 연동해서 그 활용도를 높일 수 있지만, 카메라 노출 시스템과 연동 기능이 상대적으로 약한 어댑터에 장착되는 전자식 가변 ND나 파나비젼 전자 가변 ND 필터처럼 렌즈 전면에 장착되는 방식이 과연 기존의 ND 필터들과 비교해서 어떤 효용이 있는지 의문이다. 더구나 파나비젼 전자식 가변 ND 필터의 경우 그 크기를 감안하면, 가격은 매우 고가의 제품이 될 것으로 보이고, 가격 대비 성능(가성비)에는 큰 기대를 하지 않는 것이 좋을 듯하다.