사람의 눈을 대신할 전하 결합 소자

전하 결합 소자

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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 화상을 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 ADC라는 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.

전하 결합 소자

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.

요즘에는 필름 카메라를 보기 힘들다. 거의 대부분 디지털 카메라를 사용하기 때문이다. 전문가용이라고 하는 DSLR도 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 CCD라 부르는 '전하 결합 소자'다. CCD는 디지털 카메라의 핵심 부품이기도 하지만, 허블 우주 망원경이나 캡슐형 내시경에서도 없어서는 안 되는 존재다.

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 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.