CMOS 센서란 무엇이며, 어떻게 작동하나요?

요즘에는 좋은 카메라 스마트폰을 구하기 쉽고, 소비자들은 선택의 폭이 넓습니다. 하지만 항상 그랬던 것은 아닙니다. 스마트폰 카메라는 꾸준히 발전해 왔으며, 이 분야에서의 발전은 CMOS 센서 기술의 발전에 의해 보완되고 선행되었습니다. 사양 시트에서 CMOS 센서에 대해 읽어보셨을 텐데, 이게 무슨 뜻일까요? CMOS 센서란 무엇이며, 어떻게 작동하는 걸까요? 이 글에서 자세히 알아보겠습니다.

CMOS 센서란 무엇인가요?

CMOS는 상보형 금속 산화 반도체(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)의 약자입니다. CMOS 센서는 받아들인 빛을 전기 신호로 변환하여 이미지를 생성할 수 있는 이미지 센서입니다.

CMOS 센서는 어떻게 작동하나요?

매우 단순화된 용어로 설명하자면, CMOS 센서의 기본은 실리콘 웨이퍼로 만들어진 "잠재적 우물" 그룹입니다. 각 개별 잠재적 우물은 빛을 받아 우물 내의 광자에 반응하고 결과적으로 전자를 방출할 수 있는 "픽셀"입니다. 이러한 전자는 우물에 얼마나 많은 빛이 들어왔는지를 전자적으로 나타내므로 장치의 두뇌가 빛을 측정할 수 있는 방법을 제공합니다.

 

하지만 단순히 빛이 존재하는 것만으로는 색상을 측정할 수 없습니다. 이를 해결하기 위해 베이스 위에 컬러 필터가 배치됩니다. 이 필터는 특정한 빛의 색만 통과시키고 다른 색은 차단합니다.

 

이것은 또 다른 문제를 야기합니다. 이미지는 여러 가지 색상으로 이루어져 있으며, 한 가지 색상에 대한 데이터만 수집하면 전체 그림이 아닌 일부만 드러나게 됩니다.

 

CMOS 센서는 인접한 픽셀에 사용되는 컬러 필터를 교대로 사용한 다음 디모자이싱이라는 프로세스를 통해 인근 우물의 데이터를 집계함으로써 이를 해결합니다. 따라서 각 픽셀은 한 가지 색상 데이터만 캡처하며, 이웃한 픽셀과 결합하면 이미지의 색상에 대한 좋은 근사값을 얻을 수 있습니다.

 

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CMOS 센서는 기술적으로 어떻게 작동하나요?

CMOS 센서는 기본적으로 많은 광민감 포켓, 즉 픽셀을 가진 실리콘 칩입니다. 빛이 픽셀에 들어오면 실리콘 소재는 광자로부터 에너지를 흡수합니다. 소재가 충분한 에너지를 흡수하면 내부에 존재하는 전자가 결합에서 벗어나려고 시도하면서 전기 전하를 발생시킵니다. 이러한 효과를 광전 효과라고 합니다. 이 단계에서 CMOS 센서는 빛을 전압으로 변환했습니다.

 

단일 픽셀은 자신이 받아들인 빛의 양만 측정할 수 있습니다. 따라서 누적적으로 픽셀이 받아들인 빛의 밝고 어두운 다양한 영역을 결정하기 위해서는 인접한 픽셀들로 가득 찬 평면이 필요합니다.

 

따라서 카메라 센서가 1MP라고 언급할 때, 이는 센서에 1,000 x 1,000 픽셀(이 분포는 다를 수 있음)로 분산된 1백만 개의 픽셀이 있다는 것을 의미합니다.

 

CMOS 센서에서는 전압 측정이 픽셀 단위로 이루어집니다. 따라서 각 픽셀은 개별적으로 보유한 전하를 읽어올 수 있습니다. 이는 전압을 행 단위로 순차적으로 읽어오는 기존 이미지 센서와 다릅니다. 그런 다음 측정된 전압은 ADC(아날로그-디지털 변환기)를 통과하여 전압을 디지털 표현으로 변환합니다.

 

간략한 설명에서 언급했듯이, 이 전압은 측정된 것은 단순히 빛의 존재일 뿐이며, 전압에는 들어온 빛의 색상에 대한 정보가 포함되어 있지 않으므로 이미지를 적절하게 표현할 수 없습니다. 이미지 센서는 픽셀 위에 컬러 필터를 사용하여 픽셀 내부에 단일 색상만 도달하도록 함으로써 이를 해결합니다.

 

인접한 픽셀은 일반적으로 베이어 필터 모자이크로 알려진 RGBG 배열(Red-Green-Blue-Green)의 교대로 컬러 필터를 사용합니다. 이 순서는 인간의 눈이 녹색 빛에 민감하고 이 배열에서 녹색의 양이 적색 또는 청색의 두 배이기 때문에 사용됩니다.

 

따라서 각 픽셀은 적색, 녹색 또는 청색 빛 중 하나가 들어 왔는지 기록합니다. 이 컬러 필터 배열을 통해 우리는 세 가지 색상의 레이어를 얻게 됩니다. 누락된 두 가지 색상에 대한 정보는 디모자이싱이라는 보간 프로세스를 통해 인접한 픽셀에서 가져옵니다.

 

이를 통해 스마트폰 OEM이 최종 사용자에게 보여주기 전에 알고리즘과 기타 조작을 적용할 수 있는 기본 이미지를 얻을 수 있습니다.

 

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CMOS vs CCD 센서

CCD는 전하 결합 소자(Charge Coupled Device)의 약자로, CMOS 센서가 대부분 대체한 구형 센서 기술입니다.

 

CCD와 CMOS 센서의 주요 차이점은 CMOS 센서가 픽셀 단위로 전압 데이터를 측정할 수 있는 반면, CCD 센서는 픽셀 배열(픽셀 행)에 대해 이를 측정한다는 점입니다. 이 두 센서 간의 근본적인 차이점이 서로 다른 사용 사례를 만듭니다.

 

CCD 센서는 저소음 이미지를 생성할 수 있지만 전력 소모가 훨씬 많습니다. 또한 생산 비용이 비싸고 전하를 행 단위로 읽어와야 하기 때문에 작동 속도가 느립니다.

 

반면 CMOS 센서는 더 많은 노이즈에 취약합니다. 그럼에도 불구하고 상대적으로 저렴하게 표준 실리콘 생산 라인에서 생산할 수 있으며, 작동에 필요한 전력이 적고 데이터를 매우 빠르게 읽을 수 있습니다(데이터를 픽셀 단위로 읽을 수 있기 때문입니다). 기술의 빠른 발전으로 노이즈의 단점도 줄어들었고, 그 결과 CMOS가 대부분의 사용 사례를 차지하게 되었습니다.