CCD와 CMOS 센서의 이해

저도 천체사진을 시작하고 알게된 사실이지만, 이미지 센서에는 크게 CCD와 CMOS 센서가 존재한다고 합니다. 우리는 항상 카메라의 이미지 센서를 CCD라고 하지만 사실 두가지는 다른 것입니다. 
두 가지 차이의 핵심은 전자공학적 문제(CCD는 NMOS, PMOS를 쓰고 CMOS는 CMOS를 쓴다)이지만 우리가 그것까지 알 필요는 없을 것 같습니다. 그냥 CCD는 1969년에 만들어진 오래된 방식이고 CMOS는 80년대 중반에 만들어진 최근 방식이라는 정도만 아시면 될 것 같습니다. 

천체사진에서 CCD와 CMOS 중에 어느것이 더 좋은지에 대한 논쟁은 아주아주아주아주 오래 되었다고 합니다. 흔히 사진 하시는 분들의 표현을 빌리자면 '질감이 다르다'고 하더군요. 전 그런것 까지는 잘 모르겠고요 아직까지도 CCD는 건재하다는 것 정도입니다. 다만 최근 CCD 센서를 만들어 오던 On-Semi와 Sony에서 CCD생산라인 폐쇄를 발표했다는 것입니다. 기사들을 검색해보면 생산라인 폐쇄가 결정되어도 2026년까지는 시장에 풀린 재고 때문에 사용 및 수리가 가능하다고 합니다. 

다음부터의 설명은 Maxim DL 판매사에서 작성한 설명을 가능한한 번역해 보았습니다. 

CCD가 되었든 CMOS가 되었든 이미지 센서가 하는 일은 동일합니다. 빛(광자)이 센서에 닿으면 그것을 전기적 신호로 변환해 전송하는 역할입니다. 흔히 이 과정을 비 오늘날 나란히 밖에 내어놓은 물통으로 설명하는데요, 비(광자)가 각각의 물통(센서 픽셀)에 얼마나 모이는지에 따라 그 광자의 양을 전기적 신호로 바꾸어 영상으로 만들어 내는 것이 이미지 센서입니다. 


두 종류의 센서 모두 다 근본적인 기능 자체는 동일하지만 큰 차이가 있습니다. 
CCD 센서는 픽셀에 들어온 신호를 넘길때 옆으로 옆으로 전달해서 옮긴 후 마지막 부분에 위치한 트랜지스터에서 전기적 신호로 바꿉니다. 이에반해 CMOS 센서는 모든 픽셀에 트랜지스터가 달려 있어 각각의 픽셀이 바로 전기적 신호로 바꿔 전달됩니다. 

왼쪽이 CCD 오른쪽이 CMOS
CMOS는 한꺼번에 쿠콰쾅~ 읽어 들입니다


이 과정상의 문제로 인해 크게 두 가지 문제가 발생하게 됩니다. 일단 CCD의 경우 광자의 양을 읽어 전기적 신호로 변환하는 트랜지스터(Analog / Digital Converter, ADC라고 합니다)가 한쪽 측면에만 소규모로 존재하기 때문에 센서의 데이타를 읽어들이는 속도가 매우 느립니다. 이런 지연은 센서의 크기가 커지면 커질수록 증가할 수밖에 없는 구조입니다. 반면에 CMOS는 모든 픽셀에 ADC가 달려있기 때문에 CCD에 비해 엄청난 속도(약 100배)로 데이타를 전달할 수 있습니다.
결국 이것때문에 CCD카메라는 USB 2.0제품이 많습니다. 3.0으로 해봐야 어차피 느려서 빨라지지도 않는데다 굳이 칩 값만 더 드니까요. ㅡㅡ; 


스타게이저 라운지에 올라온 앰프 글로우
이쯤되면 수리 보내야 하는 수준입니다


하지만 이런 ADC의 위치 차이로 인해 두번째 문제가 발생하게 됩니다. 바로 앰프 글로우(Aplifier Glow 또는 Amp Glow)입니다. 앰프 글로우는 ADC가 작동할 때 발생하는 열 = 적외선이 ADC인근에 위치한 센서에 영향을 미쳐 빛이 존재하지도 않는데도 마치 빛이 존재하는 것처럼 영상에 나타나는 것을 말합니다. 이러한 앰프 글로우는 ADC의 수가 증가하면 할수록 더 심해지게 되기때문에 CCD는 상대적으로 작은 앰프 글로우를 가지게 됩니다. 하지만 CMOS는 큰 앰프 글로우를 가질 수밖에 없지요. 
최근 기술의 발달로 인해 이 앰프 글로우도 많이 감소를 했다고는 하지만 CMOS의 태생적인 한계라 0%로 감소하진 않았습니다. 
이것 외에도... Maxim의 설명에는 나와있지 않지만 일반적으로 CCD가 CMOS에 비해 더 큰 FWC (Full Well Capacity - 한마디로 말해 물통이 크다)를 가집니다. 다르게 말하자면 더 넓은 범위의 색을 제공할 수 있다는 말이지요. 


자, 그럼 Maxim DL 사이트에 나와있는 CCD와 CMOS의 차이에 대한 표를 보여드리겠습니다.
엄청나게 비싸지며 단점을 해소한 제품들의 설명은 뺐습니다 (예 : EMCCD, sCMOS)

 CCD CMOS  
 가용성 점점 못 구함점점 흔해짐 CMOS 승!
 가격
센서가 커지면 
매우 비싸짐 
 센서가 커지면
비슷하게 비싸짐
 그래도 CMOS가 
조금 쌈
 감도(QE)60~95%  75~95%CMOS 승!
 전송속도 느림빠름 CMOS 승!
 리드 노이즈전자 5~10개 전자 1~3개 CMOS 승!
 냉각 용이성쉽게 냉각이 됨  냉각이 잘 안됨 CCD승!
 전자식 & 기계식 셔터 도움이 됨도움이 됨  차이 없음
 픽셀 크기 3~25mcm 2~5mcm
 CCD는 
장초점에 유리
CMOS는 
단초점에 유리
 FWC 4만~20만3만~6만  CCD 승!
 ADC비트16비트  보통 12비트 CCD 승!
 비닝아날로그로 쉽게 처리 전자식 처리 - 노이즈 증가  CCD 승!
 앰프 글로우쉽게 줄일 수 있음 쉽게 못 줄임  CCD 승!
 고정패턴 노이즈쉽게 제거가능  잘 제거가 안됨 CCD 승!
 캘리브레이션 난이도이미 충분히 확립됨 아주 복잡함  CCD 승!


음... 이렇게 보면 CCD가 CMOS에 비해 월등히 나아 보입니다.
그렇다면 어째서 시장은 CCD를 포기하고 CMOS를 미는 것일까요? 그건 '과학적 목적'이 아닌 일반적인 상황 - 동영상 촬영이라든가 낮 시간의 짧은 노출 - 에서 CMOS가 값싸고 유리하기 때문입니다. 그리고, 모든 기술이 그렇듯이 사람들의 관심이 집중되고 투자가 증가하면 문제점이 개선되며 더 좋은 제품이 나오는 것이 사실이지요. 개인적인 생각이지만 CMOS가 향후 천체관측 분야의 센서도 모두 점령하지 않을까 생각합니다. 

천체사진의 센서에 대해서도 우리가 흔히 아는 법칙이 적용됩니다. "비싼게 좋다" 법칙 말이지요. 전... 지금까지 한 번도 CCD 센서를 사용해 본 적은 없지만 CCD가 좋아보입니다. 
그래도 전 일반인이니 CMOS를 쓸까 합니다. ㅎ 

참고 : 이해를 돕기 위해 일부 용어를 비틀어서 표현했습니다.



댓글