CMOS 센서란?
CMOS 센서는 디지털 카메라 등의 촬영 기기에 사용되는 이미지 센서입니다. 센서 표면에는 다수의 수광소자가 배치되어 있으며, 개별 수광소자에서 받아들인 빛은 전하로 변환되고, 그 전하가 CMOS로 구성된 증폭회로를 통해 빛의 세기에 따른 전압 또는 전류로 추출됩니다.
과거에는 CCD 센서가 이미지 센서의 주류를 이루었는데, CCD 센서는 전하를 CCD로 전하를 전달하고 플로팅 디퓨전 증폭기(FDA)를 통해 전압으로 변환하는 구조가 특징입니다.
CCD 센서는 감도, S/N비, 암전류가 적다는 점에서 CMOS 센서보다 유리하지만, 전원 구성이 복잡하고, 스미어 발생이 불가피하며, 제조 공정이 특수하여 일반적인 CMOS LSI 생산 설비를 사용할 수 없다는 단점이 있습니다. 최근에는 CMOS 센서의 암전류 영향을 줄이는 방법과 S/N비 개선 방법이 발전하면서 CMOS 센서가 이미지 센서의 주력으로 자리 잡았습니다.
CMOS 센서의 사용 용도
이전에는 저렴한 제조 비용으로 스마트폰이나 태블릿에 탑재되는 카메라에 CMOS 센서가 주로 사용되었다. 반면, 고화질이 요구되는 SLR 카메라나 캠코더에는 노이즈가 적은 CCD 센서가 주로 사용되었다.
그러나 CCD 센서의 노이즈 제거 수단이 발전하면서 CCD 센서에서 문제가 되었던 스미어와 블루밍이 발생하지 않아 점차 CCD 센서에서 CMOS 센서로 교체가 진행되어 현재는 모든 촬영 기기의 이미지 센서로 CMOS 센서가 채택되고 있습니다.
CMOS 센서의 원리
이미지 센서는 표면에 다수 배치된 수광소자가 빛을 받았을 때 발생하는 전하를 축적, 전달하여 전압 또는 전류로 변환하여 출력하는 것이 기본 기능입니다. 이 점에서는 CCD 센서와 CMOS 센서 모두 공통점이 있습니다.
두 센서의 가장 큰 차이점은 전하 전달 방식에 있는데, CCD 센서는 수광소자인 포토다이오드가 격자형으로 형성되어 있는데, 이 포토다이오드의 N형 영역에 전하를 일시적으로 저장할 수 있습니다.
이 포토다이오드에 인접하여 수직 CCD가 설치되고, 각 포토다이오드가 일정 시간 동안 축적한 전하가 모두 동시에 수직 CCD로 이동하게 됩니다. 그 전하가 순차적으로 전송되어 수평 CCD로 전달됩니다.
수평 CCD는 수직 CCD에서 전송된 전하를 순차적으로 FDA로 전송하고, FDA는 전하량에 따른 전압을 출력하므로 포토다이오드에 조사된 빛의 세기에 따른 전압 출력을 얻을 수 있습니다. 위와 같이 CCD 센서에서는 모든 포토다이오드의 전하량이 순차적으로 출력됩니다.
반면, CMOS 센서에서는 각 수광소자인 포토다이오드와 그 출력을 증폭하는 증폭기, 증폭기 출력을 신호선에 연결하는 스위치 소자를 갖추고 있어, 수광-변환-증폭-출력이 포토다이오드별로 수행됩니다.
이러한 구성으로 인해 CMOS 센서에서는 수평 주사 신호와 수직 주사 신호를 조합하여 개별 포토다이오드를 지정하고, 그 전하량에 따른 전압 또는 전류를 추출할 수 있습니다. 따라서 임의의 포토다이오드를 선택하여 신호를 읽어낼 수 있습니다.
이러한 구조적 차이로 인해 CMOS 센서는 필요한 영역의 신호로 한정하는 등 고속 판독이 가능하고, CCD의 전송 노이즈가 발생하지 않는 장점이 있습니다. 또한, CCD 센서에서는 CCD로 유입되는 노이즈 성분에 의한 스미어(Smear)를 피할 수 없지만, CMOS 센서에서는 이러한 현상이 발생하지 않습니다.
CMOS 센서의 구조
CMOS 센서는 수광소자인 포토다이오드에 앰프와 스위치 소자를 결합하고 이를 다수 집적시킨 것입니다. 포토다이오드의 제조 공정은 트랜지스터와는 다른 특수한 공정이지만, 그 외의 구성 요소는 CMOS LSI와 동일하기 때문에 CMOS의 제조 설비를 그대로 활용할 수 있다는 점이 CCD보다 유리합니다.
포토다이오드 배치에 있어서도 새로운 움직임이 나타나고 있습니다. 증폭기나 스위치 소자 등의 회로가 형성되는 표면에 비해 포토다이오드를 뒷면에 배치하는 후면조사형이라고 하는 구조입니다. 포토다이오드와 회로는 내부 배선을 통해 연결됩니다. 제조 공정이 복잡해지지만, 포토다이오드를 간격 없이 배치할 수 있어 특히 집광 효율이 향상됩니다.
또한, CMOS 센서 내의 회로는 단일 전원으로 동작하기 때문에 기본적으로 3.3V 정도의 하나의 전원만 준비하면 되지만, CCD 센서는 전송로인 CCD에 여러 개의 전압을 공급해야 하므로 전원 구성이 복잡해집니다. 소비전력 측면에서도 CMOS 센서가 유리합니다.
CMOS 센서에 대한 기타 정보
1. CMOS 센서의 점유율
CCD 센서의 전성기에는 소니가 독보적인 점유율을 자랑했지만, CMOS 센서가 주축이 되고 그 최대 용도가 스마트폰으로 옮겨가면서 소니의 점유율은 점차 감소하는 경향을 보이고 있습니다. Sony가 45%, 2위 Samsung이 26%, 3위 OmniVision이 11%라는 조사 결과가 발표되었습니다.
2. CMOS 센서의 크기
CMOS 이미지 센서는 큰 사이즈부터 작은 사이즈까지 다양한 크기의 센서가 출시되고 있습니다.
캐논의 CMOS 이미지 센서를 예로 들면, 다음과 같은 6가지 크기의 이미지 센서가 있습니다.
- 35mm 풀 사이즈(약 36mm×24mm)
- APS-H 사이즈(약 29mm×19mm)
- APS-C 사이즈(약 22mm×15mm)
단, 일반 판매는 하지 않고 자사 카메라용으로 한정하고 있는 것 같습니다.
- 1인치
- 2/3인치
- 1/1.8인치
일반적으로 같은 화소수라면 센서 크기가 클수록 화질이 좋아집니다. 또한 조리개가 넓을수록 감도가 향상됩니다.