일부 기업들은 산업용 CMOS 센서는 이제 CCD와 같은 이미지 품질을 제공한다고 주장합니다. 하지만, 실제로 그런지 그리고 이런 사실은 머신 비전 시장에서 어떠한 것을 의미한다고 생각하시나요? CMOS 및 CCD 사이의 오랜 논쟁에 대한 내용을 알아볼 수 있습니다.

 

 

 

 

 

10년 정도 전에는 CCD 이미지 센서 CMOS와 비교하여 이미지 품질이 중요하다고 생각되는 어떠한 종류의 이미징 작업에서도 더욱 우수하다고 간주되었습니다. 그러나 휴대 전화 카메라용 CMOS 센서에 대한 상당히 많은 투자가 있기 때문에, 현재는 이미지 품질 측면에서 CCD와 비교하여 CMOS 기술은 따라오고 있고 어쩌면 이미 따라잡았을 수도 있습니다. 일부 전문가들에 따르면, 그리 멀지 않은 미래에 CMOS 카메라가 머신 비전 시장을 지배할 것이라 합니다. 현재 CCD 기술은 거의 정체하고 있지만, CMOS 및 CCD 간의 다양한 속성에 대한 논쟁은 아직 복잡합니다. CMOS가 CCD의 시장을 가져간다는 이야기가 많이 있지만, 당신이 이야기해야 할 사람에 따라 CCD는 여전히 머신 비전과 같은 하이엔드 애플리케이션에서의 중요한 이미지 센서 기술을 대표합니다.

 

프랑스의 컨설팅 회사인 Yole Developpement에 따르면 CMOS 이미지 센서 시장은 2012년 66억 달러였고, 2017년에는 110억 달러에 도달할 것으로 예상합니다. 보고서에는 휴대 전화가 2011년 전체 CMOS 센서의 총 출하량의 65%를 차지한다고 명시하고 있고, 센서 제조 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다고 하였습니다. 이 보고서는 또한 자동차 시장에서의 CMOS 센서 shutter, 높은 Dynamic range 및 Low-light sensitivity 등과 같은 기능이 탑재된 고성능 센서를 훨씬 더 많이 필요로 합니다.

 

산업용 이미징 시장에서는 기본적으로, Line scan 카메라, Area scan 카메라, TDI 카메라 등 3개의 종류의 카메라들이 있습니다. Teledyne DALSA의 Imaging science and technoloy 부문의 이사인 Nixon O 박사는 이러한 카테고리에서의 CCD 및 CMOS 사이의 구분을 시작하였고 다음과 같은 결론을 내렸습니다. ‘머신 비전 분야에서 대부분의 Area scan 카메라는 CMOS이지만, Line scan 카메라에서는 CMOS 및 CCD가 거의 동일하게 사용될 것이다. 하지만, TDI 카메라는 거의 대부분 CCD를 사용할 것이다.’ 앤비젼을 통해 국내에 제품을 공급하고 있는 Teledyne Dalsa는 현재 CCD 및 CMOS 이미지 센서 모두를 설계하고 제조하고 있습니다.

 

 

 

구조의 차이

 

일반적으로 CMOS 장치는 특정 해상도에서 CCD 장치보다 더 높은 프레임 전송 속도(frame rate)를 제공하지만, CCD는 이미지 전체에서 더 나은 픽셀 균일성(pixel uniformity)을 제공합니다. CCD의 구조는 픽셀이 single amplifier를 통해 읽어오기 때문에 많은 픽셀들이 전압으로의 전자 변환은 한 곳에서 발생합니다. CMOS 장치는 각 픽셀에서 변환이 발생합니다. 고속 CMOS 카메라는 고속 CCD 카메라보다 훨씬 낮은 노이즈를 가지도록 설계할 수 있기 때문에 머신 분야에서의 큰 장점입니다.

 

‘산업용 이미징 측면에서 CMOS 센서는 CCD 센서의 점유율을 이미 뺏어왔다.’라고 하는 경쟁사의 COO가 있습니다. 그는 두 가지 이유 때문이라 했습니다. 첫 번째 이유는 머신 비전 산업에서 CMOS가 더 나은 평가를 받는 높은 frame rate의 요구가 있기 때문이고, 두 번째 이유로는 그의 생각으로 CMOS 이미지 품질은 CCD와 동일하다는 것입니다. 따라서, CMOS의 모든 장점을 제공하면서 칩 자체에서 주변 전자 회로를 통합할 수 있습니다. 그는 생산 라인의 협소한 공간에서 비전 설비를 설치할 때 작은 크기의 카메라가 중요하다는 것을 알고 있기 때문에 '칩 온보드로 전자 회로를 통합함으로써 더 작고 더 가벼운 카메라를 설계할 수 있다.‘라고 말했습니다.

 

일반적으로 CCD에 통합된 유일한 전자 회로는 아날로그 출력 증폭기입니다. CCD는 별도의 컨트롤러 칩 및 A/D 컨버터를 필요로 합니다. 반면에, CMOS 이미지 센서에서는 A/D 컨버터 및 이미지 센서의 전체 컨트롤 기능이 칩에 통합되어 있습니다. 그는 ‘머신 비전 산업이 오늘날 요구하는 frame rate를 목표로 하면 CCD는 더 많은 부품을 써야만 할 뿐만 아니라 성능은 더 떨어진다.'라고 말했습니다.

 

CMOS 센서는 움직이는 개체를 고정하기 위해 머신 비전 분야에서 매우 중요한 기능인 global shutter 기능을 가지고 있고 이는 interline CCD 센서와 유사합니다. CMOS 설계로 카메라는 correlate double sampling 및 global shutter 기능을 함께 사용하여 더 낮은 노이즈를 발생시킵니다. Global shutter CMOS 센서가 여전히 노이즈 측면에서 CCD 센서보다 여전히 뒤쳐져 있습니다. 만약 매우 낮은 노이즈와 함께 global shutter 기능이 필요하고 어떠한 속도 제한이 없다면, CCD 센서가 여전히 CMOS 센서보다 우수합니다.

 

 

 

 

머신 비전 산업에서 Area scan 카메라의 대부분은 Teledyne Dlasa의 이 센서와 같은 CMOS 입니다.

 

 

CMOS 구조의 단점으로는 전압으로 전자가 개별적인 전환을 개별 픽셀에서 개별적으로 발생하기 때문에 개별 전환이 약간씩 다를 수 있다는 점입니다. 이 결과, 이미지 자체에서 픽셀에서 픽셀로 나타나는 background noise 또는 non-uniformity가 발생합니다.

 

CMOS 장치에서 이미지가 더 높은 일관성을 유지할 수 있는 보정 알고리즘은 여러가지가 있을 수 있지만, CCD의 장점이 원형 상태에서 문제가 되지는 않습니다. 따라서, 머신 비전 산업에서 중요할 수 있는 이미지 품질을 매우 높게 설정할 수 있지만, throughput 또한 매우 중요합니다. 고품질의 CCD 장치가 이러한 이미지를 사전에 처리할 수 있는 고가의 소프트웨어를 필요로 하지 않습니다. 이 의미는 이미지 분석 기능이 더 빠를 수 있다는 것입니다.

 

최근 11월 Stuttgart에서 열린 Vision show에서는 CMOS 센서 및CCD 센서가 거의 동일한 비율로 출시되었습니다. CCD는 실외 이미징과 같은 조명이 제어되지 않는 조건을 가진 애플리케이션에서 높은 이미지 품질을 요구하는 작업에 이상적입니다. 이런 상황에서 CCD가 제공하는 장점이 정말 좋다는 고객들의 의견이 굉장히 많습니다. 시장에 CMOS 장치를 가져가면 CCD는 더 이상 자리가 없다라고 말하는 상황이 현재 아닙니다. 반대로, CCD가 매우 중요한 위치를 가지지만 CMOS 또한 매우 중요한 위치를 가진다고 느낍니다. 우리는 실제로 보완 기술로 이를 볼 수 있습니다.

 

 

 

CCD는 여전히 향상 중

 

대부분의 전문가들은 CMOS가 CCD에서 제공하는 이미지 품질과 매우 가까워 지고 있다고 동의히자민, 여전히 CCD 기술은 향상되고 있습니다. 두 종류의 센서 기술은 계속 향상되고 있습니다. CMOS 이미지 품질은 계속 나아지고 있고, CCD의 frame rate는 점점 빨라지고 있습니다.

 

새로운 개발을 제처 두고, CCD 센서는 TDI 카메라 및 근적외선(NIR: near-infrared) 감도와 같은 CMOS 보다 나은 확실한 장점이 2개 영역에 걸쳐 있습니다. TDI 카메라는 조명 신호가 약한 경우 매우 유용합니다. TDI 카메라는 많은 픽셀 라인에서의 신호를 합하여 동작하고, 강한 신호를 생생하기 위해 효과적으로 이미지를 여러 번의 스냅샷으로 합할 수 있습니다. CCD 및 CMOS TDI 카메라는 서로 다른 방법으로 여러 개의 스냅샷을 합합니다. CCD는 전압 신호를 결합하고, CCD는 신호 전하를 결합합니다. CCD에서 합하는 동작은 노이즈가 없지만, CCD TDI가 가장 진보된 CMOS보다 뛰어나기 때문에 합하는 동작에서 여러 행을 합하면 노이즈가 증가합니다.

 

CCD 카메라가 CMOS보다 바람직한 다른 영역으로는 근적외선(NIR: near-infrared) 에서의 이미징입니다. Teledyne Dalsa의 Nixon O 박사는 ‘NIR 영역에서 높은 감도를 가지도록 설계된 CCD는 CMOS 카메라보다 더욱 감도가 높습니다.’라고 말합니다.

 

그 이유를 O 박사는 CMOS 카메라 제조 공정은 가시 영역에서만 이미지화할 수 있는 대규모 애플리케이션을 위해 조정되기 때문이라고 설명합니다. NIR 감도는 센서의 기판 두께 또는 에피택시얼 층 두께와 관련이 있습니다. CMOS 센서에서 NIR 감도를 향상시키면 카메라의 해상도가 저하되지만, 두꺼운 애피택시얼 층으로 제조되는 CCD 센서는 기능을 유지하기가 더 쉽기 때문에 더 나은 해상도를 가집니다. O박사에 따르면, 일부 근적외선 CCD에서 에피택시얼 층은 100μm 두께 이상으로 대부분의 CMOS 카메라의 에피택시얼 층 두께인 5-10μm와 비교됩니다.

 

 

 

비용

 

두 센서 기술의 비용을 정확하게 확인할 수 없습니다. O 박사에 따르면 CMOS가 더 비싸고 더 미세한 마스크를 사용하고 더 많은 회로를 필요로 하기 때문에 CMOS 카메라보다 CCD 카메라를 개발하는 것이 일반적으로 저렴합니다. 따라서, CMOS 카메라는 잠재적으로 큰 규모의 경제로서 사용할 수 있기 때문에 낮은 단위 원가를 가질 것입니다.

 

 

CCD 및 CMOS 기술은 계속 향상되고 있습니다.

 

 

O박사는 또한 더 나은 가치 제안에도 불구하고 물류 보안이 중요하고 주장합니다. 회사가 장기간에 걸쳐 CMOS 또는 CCD 카메라들을 생산하는 능력이 가장 뛰어난 회사를 선택하는 것이 더 현명할 수도 있습니다.

 

 

 

CMOS 및 CCD의 미래

 

일반적으로 대부분의 머신 비전 애플리케이션은 CMOS 센서 사용으로 옮겨가고 있습니다. 반면, 더욱 전문적인 애플리케이션 및 매우 높은 이미지 품질이 필요하지만 frame rate는 상관없는 애플리케이션은 CCD를 계속 사용할 것입니다. O 박사는 ‘나는 대부분의 대규모 Area scan 카메라 및 Line scan 카메라 애플리케이션은 결국 CMOS로 마이그레이션될 것으로 기대합니다. 커스텀, 소규모, 보다 전문적인 애플리케이션에서의 가치 제안은 여전히 커스텀 CCD를 선호할 수 있습니다.’라고 말했습니다.

 

그는 덧붙여, ‘가까운 미래에도 TDI 카메라는 여전히 CCD일 것입니다. 하지만, 아주 먼 미래에는 TDI 카메라는 하이브리드로 진화하여 CCD 및 CMOS의 요소들을 통합할 것입니다.’ 라고 말했습니다.

 

CCD의 특정 장점을 제공할 수 있는 천문학과 같은 과학 애플리케이션은 CCD의 틈새 시장이 될 것입니다. 장기적으로 머신 비전 분야에서 모든 카메라들은 CMOS 기반이 될 것입니다. 하지만, 머신 비전 분야에서의 제품 수명은 길기 때문에, 이러한 전환을 생성하는 데에는 5년 또는 10년이 걸릴 수 있습니다.

 

얼마나 빨리 또는 CMOS 및 CCD의 각 센서 기술이 어떻게 변할 지를 말하기가 쉽지는 않습니다. 센서 기술의 개선은 휴대 전화 카메라와 같은 대규모 소비자 애플리케이션에서 자신의 차례를 기다릴 것이지만, 이미지 품질 및 성능에 있어서는 고성능 머신 비전 시장이 특정 요구 사항을 가질 것이고 CMOS 및 CCD 모두를 위한 장소가 될 수 있을 것입니다.