사람의 눈을 대신할 전하 결합 소자

 

사람의 눈을 대신할 전하 결합소자

 

1. 전하 결합 소자

카메라의 아날로그 신호를 전기 신호로 순차적으로 변환하여 일정한 방향으로 전송하는 전하결합소자를 말한다. 본래 메모리로 사용하기 위해 개발된 기술이지만 디지털 카메라, 스캐너, 천문 관측에 주로 사용되고 있다.

카메라의 아날로그 신호인 화상(畵像)을 전기 신호로 순차적으로 변환하여 저장·전송하는 전하 결합 소자이다. 1969년 AT&T 벨연구소의 조지 스미스와 윌러드 보일이 발명하였다.

 

디지털 카메라에서 빛을 전기적인 신호로 바꿔주는 광센서 반도체로, 일반 카메라로 말하자면 필름을 감광시키는 기능에 해당되며 디지털 카메라의 핵심이다. 렌즈와 조리개를 통해 카메라 내부로 전달된 빛은 CCD에 의해 빛의 강약을 통하여 전기적 신호로 변환되고, 이 신호는 다시 아날로그 신호를 0과 1의 디지털 신호로 바꿔주는 ADC(Analog―Digital Converter)라는 변환장치를 통해 이미지 파일로 변환돼 메모리에 저장된다.

 

즉, 셔터를 누르면 빛이 렌즈와 조리개를 통해 들어와 CCD에 닿는다. 렌즈로부터 들어온 빛의 세기는 CCD에 기록된다. 이때 촬영된 영상의 빛은 CCD에 붙어있는 RGB색필터에 의해 각기 다른 색으로 분리된다. 그리고 분리된 색은 CCD를 구성하는 수십만 개의 감광소자에서 전기적 신호로 바뀐다.

 

CCD는 이미지를 이루는 점(픽셀)을 표현하는 화소가 같은 범위에 몇개 들어있느냐에 따라 성능이 구별된다. 우리가 흔히 디지털카메라를 고를 때 300만 화소냐 400만 화소냐를 따지는 것은 바로 이 CCD에 들어간 화소수를 말한다. 같은 범위에 화소가 많을수록 더 선명한 이미지를 얻을 수 있지만, 화소의 집적도 뿐 아니라 CCD 자체의 크기도 화질에 큰 영향을 미친다. 한편, CCD는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)보다 화질이 뛰어나지만 전력 소비가 많고 가격이 비싼 편이다.

 

㉠ 전하 결합 소자 응용분야

CCD는 1970년 벨 연구소에서 최초로 개발한 이후, 천문 분야와 의학 분야에서 사용되면서 발전을 거듭하였고 비디오 카메라를 거쳐 디지털 카메라에서 이미지를 캡쳐하는 중요한 역활을 담당하고 있다.

CCD는 디지털 포토의 시작으로 빛을 전기적인 영상 신호로 변환하는 역활을 담당하는데, 이미지를 분해하여 결상하는 수 많은 수광 소자(화소 또는 픽셀)들로 구성되어 있다. 수광 소자는 전하 우물이라고도 하는데, 이것은 수광 소자가 받아 드린 빛을 축적하기 때문이고, 이 축적된 전하는 타이밍 신호에 의해 축적된 전하를 동시에 출력한다.

 

수광 소자에서 출력된 전하는 아날로그 신호이기 때문에 이를 디지털 신호로 변환하기 위해서는 별도의 A/D 컨버터가 필요하게 된다. 아날로그 사진에서 렌즈를 통과한 빛은 필름의 감광유제를 감광시켜 잠성을 형성한다. 이 잠상은 아직 눈으로 볼 수 있는 이미지는 아니다. 잠상을 눈으로 볼 수 있는 이미지로 변환하는 것이 바로 화학 약품을 사용하는 필름 현상 공정이다.

 

CCD에서 형성된 전기적인 영상 신호를 모니터에 출력하여 눈으로 볼 수 있는 디지털 신호화 하는 것이 바로 A/D 컨버터의 역할이다. 즉, A/D 컨버터는 아날로그 사진의 필름 현상 공정과 같은 역활을 하는 것으로, A/D 컨버터의 성능에 따라 RGB 색상 채널 당 비트 수가 결정된다. CCD를 구성하는 수광 소자는 단순히 빛의 양 만을 축적하므로 빛의 강약(명암) 만을 기록하는데 이는 이미지를 흑백 톤으로 기록하는 것과 마찬가지다. 따라서 CCD를 사용하여 컬러 이미지를 변환하려면 별도의 방법이 필요한데, 대개 CCD 앞에 RGB 색 필터를 배치하여 컬러를 캡쳐하는 방식을 사용한다.

 

요즘에는 필름 카메라를 보기 힘들다. 거의 대부분 디지털 카메라를 사용하기 때문이다. 전문가용이라고 하는 DSLR(디지털 일안 반사식 카메라)도 인기를 끌고 있다. 디지털 카메라는 필름을 교체할 수고를 덜어주고 인화나 현상을 할 필요도 없다. 대신 경치나 인물 등 피사체에 빠져 정신없이 사진을 찍다가 데이터 용량이 넘지 않을까, 배터리가 떨어지지 않을까를 걱정한다. 이 모두가 디지털 카메라에 들어 있는 이미지 센서 '덕분'이다. 웬만한 디지털 카메라에 장착돼 있는 이미지 센서는 흔히 CCD(Charge-Coupled Device)라 부르는 '전하 결합 소자'다. CCD는 디지털 카메라의 핵심 부품이기도 하지만, 허블 우주 망원경이나 캡슐형 내시경에서도 없어서는 안 되는 존재다.

 

우표 크기만 한 CCD는 디지털 카메라의 성능을 좌우하는 핵심이다. CCD는 화소(pixel, picture element)라 불리는 일종의 광센서(광다이오드)가 2차원 평면에 배열돼 있는 구조다. 네모난 CCD에는 각 화소에 해당하는 광다이오드가 대개 수백만 개씩 들어 있다. 화소 수가 많을수록 CCD를 통해 고해상도 이미지를 얻을 수 있다. CCD는 1969년 미국 AT&T 벨연구소에서 윌러드 보일와 조지 스미스가 발명했다. 두 사람은 CCD를 발명한 업적 덕분에 2009년 노벨물리학상을 수상했다. 흥미롭게도 두 사람은 원래 이미지 센서가 아니라 메모리칩을 개발할 목적으로 연구를 시작했다. 당시 벨연구소는 반도체 메모리에 대해 연구하고 있었는데, 그들은 '전하 버블 소자'라 일컫던 원시적인 CCD를 설계했다.

 

두 사람은 자신들의 연구노트에서 이 소자가 어떻게 '자리 이동 레지스터(shift register)'로 사용될 수 있는지를 기술했다. 즉 설계의 핵심은 반도체 표면을 따라 하나의 축전기에서 또 다른 축전기로 전하를 옮기는 능력이었다. 1970년 4월 그들은 이런 개념을 '전하 결합 반도체 소자라는 제목의 논문으로 발표했다. 이 논문에는 이 소자가 메모리, 지연선 영상 소자로 사용될 수 있다고 밝혔다. 작동하는 최초의 CCD는 집적회로 기술로 만들어진 8비트짜리였다. 이 소자는 입출력 회로가 있었으며, 자리 이동 레지스터뿐 아니라 8개 화소가 일렬로 배열된 투박한 영상소자로 쓰일 수 있었다. 1971년 11월에는 마이클 톰셋이 주도한 벨연구소 연구진이 간단한 직렬 소자를 이용해 영상을 찍을 수 있었다.

 

이후 CCD는 빠른 속도로 발전했다. 페어차일드 반도체, RCA 사, 텍사스 인스트루먼트 등을 포함한 몇몇 회사들이 CCD의 진가를 알아차렸고 이를 발전시키려고 노력하기 시작했다. 최초의 상용 CCD는 1974년에 페어차일드에서 개발됐는데, 500개 화소의 직렬 소자와 100×100 화소(1만 개 화소)의 2차원 소자가 그것이었다. 이듬해에는 미국 코닥의 전기공학자 스티븐 새슨이 페어차일드의 100×100 CCD를 이용해 최초의 디지털 카메라를 발명했다.

 

디지털 카메라에 들어 있는 CCD는 카메라에 들어온 빛을 전기 신호로 바꾸어 디지털 이미지를 구현해 낸다. CCD의 핵심 원리는 아인슈타인이 발견한 광전효과와 관련이 있다. 광전효과는 금속 또는 반도체의 표면에 빛을 비추면 전자가 튀어 나오는 현상이다. 카메라 렌즈를 통해 들어온 빛이 CCD에 도달하면 광전효과에 의해 전자가 발생해 수많은 화소(광다이오드) 내부에 모인다. 이렇게 모인 전자의 양은 들어온 빛의 양에 비례한다. 따라서 전자의 양에 따른 전압을 측정해 빛의 양을 알아내고, 이를 통해 실제 상을 디지털 이미지로 재구성한다. 이 단계에서는 빛의 양만 알 수 있기 때문에 흑백 이미지가 얻어진다.

 

㉢ 이미지를 만드는 방법

보통 CCD 위에 '바이어 필터'라는 삼원색 필터를 씌우면 실제 사물의 색깔까지 구현할 수 있다. 바이어 필터는 적색 필터 1개, 청색 필터 1개, 녹색 필터 2개가 이루는 정사각형 모양이 기본인데, 색 필터 1개가 CCD의 화소 1개씩 덮는다. 여기서 녹색 필터가 더 많은 이유는 인간의 눈이 적색이나 청색보다 녹색에 더 민감하기 때문이다. 바이어 필터를 CCD 위에 씌우면 적색, 청색, 녹색 빛의 양이 각각 얼마만큼 들어오는지 파악할 수 있다.

 

적색 필터를 씌운 CCD 화소에서 녹색 빛의 양을 바로 알 수는 없다. 이때 주변에 녹색 필터를 씌운 화소에서 얻은 빛의 양을 통해 이를 추정해야 한다. 그래서 어떤 추정 알고리즘을 쓰느냐에 따라 이미지의 질이 달라진다. 최근에는 각 화소에 3개의 CCD를 사용하는 방식도 등장했다. 카메라에 들어오는 빛을 처음부터 삼원색 빛으로 가른 뒤 각각 다른 CCD를 통과하게 하면 모든 화소에서 적색, 청색, 녹색 빛의 양을 정확히 파악할 수 있다. 당연히 깨끗한 이미지를 얻을 수 있다.

 

㉣ CCD는 인간의 눈이 가진 한계를 극복하는 도구

기존의 필름보다 빛을 감지하는 능력이 1000배 이상 뛰어날 뿐 아니라, 가시광선은 물론이고 자외선이나 적외선까지 감지할 수 있어 우주를 관측하는 데 유용하게 쓰이고 있다. 웬만한 지상 망원경이나 우주 망원경에 이미지 센서로 CCD가 장착돼 있다. 예를 들어 현재 지구 상공 560㎞ 높이에 떠 있는 허블 우주 망원경은 장착된 고성능 CCD 덕분에 신비하고 멋진 우주 천체의 이미지를 촬영해 왔다.

 

외계 행성을 탐색하는 케플러 우주 망원경에 설치된 이미지 센서는 42개의 CCD로 구성돼 있으며 화소 수가 약 9500만 개나 된다. 초창기 CCD는 첩보위성에도 장착됐다. 1976년 12월에 800×800 화소의 CCD 배열이 장착된 KH-11 케넌 정찰 위성이 발사됐다. CCD가 우주의 신비를 밝힐 뿐 아니라 지구를 감시하는 역할을 톡톡히 한 셈이다.

 

의학 분야에서도 CCD의 활약이 눈부시다. 단순히 세포나 조직의 변화를 관찰하는 것은 물론이고 작은 구멍을 통해 수술하는 경우 수술 부위를 들여다보는 데 요긴하게 쓰인다. 최근 CCD가 장착된 캡슐 모양의 내시경도 이용되고 있다. 이 캡슐형 내시경은 환자가 삼키면 소화기관을 따라 내려가며 CCD가 몸속을 촬영하고 그 이미지를 몸 밖으로 무선 전송하는 방식이다.

 

2. 현대의학 내시경의 진화

내시경의 뿌리는 기원전 4세기 고대 그리스까지 거슬러 올라간다. 당시에는 말이 주요 교통수단인 탓에 치질을 앓는 사람이 많았고, 이들의 항문 안쪽을 관찰해 불로 지져 치료하던 것이 내시경의 뿌리라고 할 수 있다.

현대의 내시경은 독일의 의사 보치니가 손전등 같은 모양의 도광기를 제작해 이 금속관을 요도와 직장, 목에 넣고 램프의 빛으로 관찰한 것에서 시작되었다. 이후 1853년 프랑스에서 만들어진 기구에 처음으로 '내시경(Endoscope)'이라는 이름이 붙었다. 1868년에는 독일 한 의사가 길이 47㎝의 금속관을 만들었다. 하지만 이때는 모든 내시경이 금속관으로 만들어져 몸속에 넣는 과정에 환자의 고통이 크고 장기를 찢는 등 사고의 우려가 있었다.

 

19세기 말 위 카메라 개발은 도쿄의 젊은 의사 우지 다츠로와 올림푸스의 카메라 기술자 스기우라 무츠오의 만남으로부터 시작되었다. 위암을 조기에 발견할 수 있는 방법을 찾던 우지 다츠로는 올림푸스와 함께 위장 내부를 촬영하는 소형 카메라를 제작했다. 수많은 우여곡절 끝에 1949년 말 개에게 첫 시제품 실험을 한 이후, 1950년 9월 인간의 위를 카메라로 촬영하는 실험에 세계 최초로 성공했다. 하지만 위 카메라는 사진 촬영만 가능해 뱃속을 실시간으로 볼 수 없다는 문제가 있었다. 이후 올림푸스는 유리 섬유를 이용한 섬유 내시경을 개발해 위 내부를 실시간으로 관찰할 수 있게 됐다. 이를 계기로 처치구와 같은 치료용 기구의 개발이 시작됐고, 이로써 진단과 동시에 치료도 가능해졌다.

 

1980년대 후반에는 비디오 내시경도 개발돼 모니터로 검진화면을 공유할 수 있게 됐다. 2002년에는 내시경에 세계 최초로 HDTV 고화질 디스플레이 시스템이 적용돼 더욱 정밀한 진단이 가능해졌다. 2006년에는 검진 부위에 파랑, 초록의 두 파장 대역을 가진 광선을 보내 혈관을 더욱 선명하게 보여주는 협대역 화상 강화기술이 적용돼 의사들이 작은 병변도 보다 정확하게 진단할 수 있게 되었다.

 

대장 내시경의 경우 구불구불한 대장벽에 닿으면 자연스럽게 휘어져 대장 진행 방향에 따라 부드럽게 내시경을 삽입할 수 있게 돼 시술 시간을 단축하고 환자의 고통을 줄여주고 있다. 이 밖에 최근에는 일반적인 내시경으로는 검진이 어려운 영역을 관찰하기 위해 소형 캡슐에 비디오카메라를 탑재한 '캡슐 내시경'도 개발돼 쓰이기 시작했다.

 

내시경으로 위 내부를 실시간 관찰할 수 있게 되면서 몸에 메스를 대지 않고 검진만으로도 조기암 치료가 가능해졌다. 올림푸스는 의사진과 공동으로 조기 위암이나 대장암 등의 병변을 절제하고 박리하는 내시경적 점막 절제술등을 실용화했다.

올림푸스 의료사업본부 타마이 타케시 본부장은 "내시경의 발전에 따른 조기진단은 암 환자 치료에서 매우 중요한 역할을 하고 있어 위암 사망률이 꾸준히 감소하는 결과를 가져왔다. 나아가 내시경에 처치구를 삽입해 진단과 동시에 치료할 수 있게 되면서 몸에 메스를 대지 않고도 최소 침습 치료가 가능해 개복 수술과 달리 당일 퇴원도 가능하게 되었다.

 

3. CCD의 종류와 특성

아날로그 사진에서는 필름을 사용하여 상을 기록하였으나 디지탈카메라에서는ccd라는 기록소자를 이용하여 상을 기록한다. 필름에 도포되어 있는 감광 유제가 빛에 반응하여 잠상을 형성하듯이, 이미지센서는 피사체에서 반사된 빛을 전기적인 영상 신호로 전환시킨다. 일반적으로 빛을 전기로 변환하는 장치를 이미지 센서는 크게 촬상관과 고체 이미지 센서로 나눌 수 있으며, 촬상관에는 비디콘 ·플럼비콘 등이 있고, 고체 이미지 센서에는 금속산화물반도체(MOS), 전하결합소자(CCD) 등이 있다.

 

CCD는 1970년 벨 연구소에서 최초로 개발한 이후, 천문 분야와 의학 분야에서 사용되면서 발전을 거듭하였고 비디오 카메라를 거쳐 디지털 카메라에서 이미지를 캡쳐하는 중요한 역활을 담당하고 있다. CCD는 디지털 포토의 시작으로 빛을 전기적인 영상 신호로 변환하는 역활을 하는데, 이미지를 분해하여 결상하는 수 많은 수광 소자(화소 또는 픽셀)들로 구성되어 있다.수광 소자는 전하 우물이라고도 하는데, 이것은 수광 소자가 받아 드린 빛을 축적하기 때문이고, 이 축적된 전하는 타이밍 신호에 의해 축적된 전하를 동시에 출력한다.

 

수광 소자에서 출력된 전하는 아날로그 신호이기 때문에 이를 디지털 신호로 변환하기 위해서는 별도의 A/D 컨버터가 필요하다.아날로그 사진에서 렌즈를 통과한 빛은 필름의 감광유제를 감광시켜 잠성을 형성하고잠상을 가시상으로 변환하는 것이 화학 약품을 사용하는 현상과정이다. 이와 같은 역활을 하는 것이 바로 A/D 컨버터의 역할이다.

 

즉, A/D 컨버터는 아날로그 사진의 필름 현상 공정과 같은 역활을 하는 것으로, A/D 컨버터의 성능에 따라 RGB 색상 채널 당 비트 수가 결정되며,CCD를 구성하는 수광 소자는 단순히 빛의 양 만을 축적하므로 빛의 강약(명암) 만을 기록하는데 이는 이미지를 흑백 톤으로 기록하는 것과 같다. 따라서 CCD를 사용하여 컬러 이미지를 변환하려면 별도의 방법이 필요한데, 대개 CCD 앞에 RGB 색 필터를 배치하여 컬러를 캡쳐하는 방식을 사용한다.

CCD는 다음과 같은 종류가 있습니다.

 

㉠ IT-CCD

현재 대부분의 캠코더와 디지털 카메라에서 사용되는 CCD 타입.

빛을 받아드리는 부분과 전송하는 부분이 하나의 기판에 구분되어 있는 방식.

칩 사이즈가 작고 가격대비 성능이 우수하다.

노이즈가 많이 발생되고 다이나믹 레이지(동적범위)가 좁으며, 스미어(Smear) 현상이 발생할 수 있다.

 

㉡ FT-CCD

빛을 받아드리는 부분과 전송하는 부분이 기판의 윗부분과 아랫부분으로 구분되어 있는 방식.

구조가 간단하고 감도가 높다.

칩 면적이 넓으며 스미어 현상이 발생될 가능성이 높다

 

㉢ FIT-CCD

IT형과 FT형의 장점만 채택한 타입.

즉, 촬상면은 IT 방식이고 전하 축적은 FT 방식임.

스미어 현상을 억제하고 전자 셔터에 의해 동작할 수 있음.

칩 면적이 넓으며 동적 범위가 좁다.

CCD는 수광부, 전하 전송부, 신호 출력부의 세 부분으로 나누어져 있다.

 

* 수광부(광전 변환부)

입사된 빛에너지를 전기 신호로 변환하는 역활을 담당한다.

수광부는 면적이 클수록 단위시간당 동일한 입사광에 대하여 많은 빛을 받아 드릴 수 있으므로 수광부의 면적이 커짐에 따라 축적되는 전하량도 증가하게 된다.또한동일 수광부 면적에 대해 단위시간당 동일한 입사광에 대하여 축적되는 전하를 수광부에서 얼마나 수용할 수 있는가가 CCD의 특성을 결정하는 중요한 요소가 된다.

* 전하 전송부

전하 전송부는 수광부에서 축적된 전하를 손실없이 출력부로 전송하는 역할을 담당한다.

 

* 신호 출력부

수광부에서 전하 전송부를 거친 축적된 전하는 최종적으로 FD(Floating Diffusion) 영역에 축적 된다. FD에 축적된 전하는 크기에 비례하는 전압으로 감지되며, 감지된 신호 전압은 출력 신호를 검출한다. 즉, 신호 출력부는 CCD에 입사한 빛의 강도에 비례하여 축적되는 신호전하를 아날로그 전압으로 검출하는 역활을 한다.

 

4. CCD의 특성

축적 전하량이 CCD에서 축적 할 수 있는 것보다 많을 때 발생하는 현상으로 광원 주의가 퍼져 보인다.

수광소자가 과도한 빛에 노출되면 축적된 전하가 전하 우물을 넘쳐 인접 픽셀로 흘러 들어간다. 일부 프로용 CCD는 전하 우물에 별도의 전하 드레인(배출) 장치를 가지고 있어 과도한 전하를 배출하여 안티 블루밍 효과를 나타낸다.

 

CCD에 입사하는 빛이 수광부에 수직이 아닌 다른 각도로 입사될 때(난반사) 인접한 픽셀로 스며들어 나타나는 현상으로 광원을 중심으로 위 아래로 빛이 퍼지는 모양으로 나타난다.

- Blooming과 Smear 현상을 방지하기 위하여 필요 이상의 많은 전하는 수직 방향 기판 쪽으로 전하를 빼 주는 VOFD(Vertical Over Fiow Drain) 방법을 사용한다 .

 

CCD의 중요한 특성 중 하나인 Deffct에는 White Deffct, Black Deffct, White Line, Black Line 등이 있다.

White Deffect는 제조 공정 중 결함이나 오염에 의해 발생되며 하얀 점으로 보이고, Black Deffect 역시 제조 공정 상 문제를 발생되며 한 영역의 픽셀이 다른 픽셀과 비교하여 빛을 적게 받아드림으로써 검은 점의 형태로 보이는 것이다. White/Black Line이 보이는 것은 역시 제조상의 결함이라 할 수 있는 것들이다.

 

참고자료

국회도서관

Daun