전하결합소자
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1. 개요
전하 결합 소자(CCD)는 빛을 감지하여 전기 신호로 변환하는 반도체 소자이다. 1969년 벨 연구소의 윌러드 보일과 조지 E. 스미스에 의해 발명되었으며, 2009년 이들은 노벨 물리학상을 수상했다. CCD는 금속-산화물-반도체(MOS) 구조를 기반으로 하며, 빛의 강도에 따라 전하를 생성하고 이를 순차적으로 이동시켜 이미지 정보를 획득한다. CCD는 풀 프레임, 프레임 전송, 인터라인 등의 아키텍처로 구현되며, 디지털 카메라, 비디오 카메라, 천문학 등 다양한 분야에서 활용된다. 특수한 형태로는 감도를 높인 강화 전하 결합 소자(ICCD)와 전자 증폭 CCD(EMCCD)가 있다. CCD는 픽셀이 빛을 받아들일 때 전자가 넘치는 블루밍 현상, 소니 CCD 불량 문제와 같은 이슈를 겪기도 했다.
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| 전하결합소자 | |
|---|---|
| 지도 | |
| 기본 정보 | |
| 영어 | Charge-coupled device, CCD |
| 일본어 | CCDイメージセンサ |
| 한국어 | 전하 결합 소자 |
| 기술 정보 | |
| 종류 | 아날로그 집적 회로 |
| 작동 원리 | 광전 효과 |
| 구성 요소 | 금속-산화물-반도체 구조 (MOS) 캐패시터 트랜지스터 |
| 전하 전송 방식 | 전압 변화 |
| 전하 패킷 | 포텐셜 웰에 저장 전위 장벽으로 분리 |
| 센서 구조 | MOS 캐패시터 어레이 |
| 출력 방식 | 아날로그 신호 |
| 응용 분야 | 디지털 카메라 비디오 카메라 천문학 현미경 스캐너 내시경 의료 영상 기상 위성 군사 과학 |
| 역사 | |
| 발명 | 1969년 벨 연구소 |
| 발명자 | 윌러드 보일 조지 E. 스미스 |
| 초기 응용 | 메모리 장치 이미지 센서 |
| 작동 방식 | |
| 빛 감지 | 광다이오드 또는 광전도체에서 수행 |
| 전하 저장 | 각 픽셀의 MOS 커패시터에 저장 |
| 전하 전송 | 클록 전압 변화를 통해 인접한 커패시터로 이동 |
| 전압 변환 | 마지막 커패시터에서 전압으로 변환 |
| 아날로그 디지털 변환 | 디지털 신호로 변환 |
| 이미지 센서 | |
| 주요 특징 | 높은 해상도 높은 감도 낮은 노이즈 |
| 종류 | 풀 프레임 CCD 프레임 전송 CCD 인터라인 전송 CCD 백 사이드 일루미네이티드 CCD |
| 색상 정보 획득 | 베이어 필터 사용 색 분리 프리즘 사용 |
| 장단점 | |
| 장점 | 높은 화질 낮은 노이즈 높은 광자 효율 |
| 단점 | 비싼 제조 비용 블루밍 현상 발생 가능성 에너지 소비가 높음 |
| 기타 | |
| 경쟁 기술 | 상보성 금속 산화막 반도체 (CMOS 센서) |
2. 역사
1969년 미국 벨 연구소의 윌러드 보일과 조지 E. 스미스가 CCD를 발명하였다.[46] 이들은 자기 버블 메모리의 작동 원리에서 착안하여 반도체에 CCD를 응용하였다. 초기 CCD는 메모리, 지연선, 이미지 센서 등 다양한 용도로 활용될 가능성이 제시되었다.[7]
CCD의 기본 작동 원리는 MOS 구조를 기반으로 한다.[1] MOS 커패시터는 CCD의 핵심 구성 요소이며,[2][3] 초기 CCD 장치에서는 소진된 MOS 구조가 광검출기로 사용되었다.[1][4]
1970년대 페어차일드 반도체, RCA, 텍사스 인스트루먼츠 등 여러 회사에서 CCD 개발을 시작하였고, 페어차일드는 1974년 상업용 CCD를 최초로 출시하였다.[47] 일본의 소니는 이와마 카즈오의 지휘 아래 CCD 개발에 대규모 투자를 진행하여 캠코더용 CCD 대량 생산에 성공하였다.[15][47]
1980년대 NEC의 테라니시 노부카즈 등이 핀드 포토다이오드(PPD)를 발명하여 CCD의 셔터 지연 문제를 해결하였다.[1]
2009년 보일과 스미스는 CCD 발명 공로로 노벨 물리학상을 수상하였다.[20]
3. 작동 원리
1969년 벨 연구소의 윌러드 보일과 조지 E. 스미스는 전하가 자기 버블과 유사하며 작은 MOS 커패시터에 저장될 수 있다는 것을 발견했다. 이들은 일련의 MOS 커패시터를 제작하여 전하가 순차적으로 이동할 수 있도록 적절한 전압을 연결하는 방식을 고안했다.[3]
CCD는 MOS 커패시터를 근접하게 배열한 구조를 가지며, 각 커패시터는 빛의 강도에 비례하는 전하를 축적한다. 각 MOS 구조의 전극에 이웃끼리 다른 전압을 가하면 전위 우물이 생성되어, 반도체 내에서 전하를 보유하고 전송할 수 있게 된다.
렌즈를 통해 들어온 영상은 커패시터 배열(광활성 영역)에 투영되고, 각 커패시터는 해당 위치의 빛 강도에 비례하는 전하를 축적한다. 1차원 배열은 영상의 단면을, 2차원 배열은 2차원 영상을 캡처한다. 어레이가 영상에 노출된 후, 제어 회로는 각 커패시터의 전하를 이웃 커패시터로 순차적으로 이동시킨다. 이는 시프트 레지스터와 유사한 작동 방식이다.
어레이의 마지막 커패시터는 전하를 전하 증폭기로 보내 전압으로 변환한다. 이 과정을 반복하여 제어 회로는 전체 어레이의 내용을 일련의 전압으로 변환한다. 디지털 장치에서는 이 전압을 샘플링하고 디지털화하여 메모리에 저장한다. 아날로그 장치에서는 연속적인 아날로그 신호로 처리한 후 전송, 기록 등의 추가 처리를 위해 다른 회로로 보낸다.[21]
CCD는 NTSC에서 필요한 빗살 필터(Comb filter)의 아날로그 필터에서 지연선에 해당하는 순차적 접근 방식의 기억장치 등 여러 가지 응용이 있다.[43]
3. 1. 전하 생성
MOS 커패시터에 빛이 닿으면 전자-정공 쌍이 공핍 영역에서 생성된다. 이들은 전기장에 의해 분리되어 전자는 표면으로, 정공은 기판으로 이동한다. 이러한 광 생성 과정은 양자 효율의 최대 95%까지 가능하다.[23]
암전류는 광 생성 외에 다음 세 가지 과정으로 인해 발생한다.[23]
암전류는 이미지에 노이즈를 추가하며, 사용 가능한 총 적분 시간을 제한하는 요인이 된다. 표면 또는 표면 근처에서 전자의 축적은 이미지 적분이 끝나고 전하가 전달되기 시작할 때까지, 또는 열적 평형에 도달할 때까지 진행될 수 있다. 각 웰의 최대 용량은 웰 깊이로 알려져 있으며,[24] 일반적으로 픽셀당 약 105개의 전자이다.[23]
3. 2. 설계 및 제조
CCD의 광활성 영역은 주로 에피택시된 실리콘 층으로, 보통 붕소로 약하게 ''p''형 도핑되어 있으며 p++ 기판 위에 성장한다.[23] 매립 채널 소자에서는 이온 주입을 통해 실리콘 표면의 특정 영역에 인을 주입하여 n형 도핑된 채널을 형성하는데, 이 채널이 광 생성 전하 패킷의 이동 경로를 정의한다.[23]
게이트 산화물은 에피택시 층과 기판 위에 성장하며, 이후 화학 기상 증착으로 폴리실리콘 게이트를 증착하고 포토리소그래피로 패턴을 형성한다. 이 게이트들은 채널에 수직으로 위치하며, 별도의 위상으로 배열된다. 채널은 LOCOS 공정을 통해 생성되는 채널 스톱 영역에 의해 더욱 명확하게 구분된다.[23]
채널 스톱은 한 열의 전하 패킷을 다른 열과 분리하는 열 성장 산화물이다. LOCOS 공정은 고온 단계를 포함하므로, 채널 스톱은 폴리실리콘 게이트 생성 전에 형성된다. 채널 스톱은 채널 영역과 평행하며, p+ 도핑 영역을 포함하여 전하 패킷의 전자에 대한 추가 장벽을 제공하기도 한다.[23]
게이트 클록킹(높고 낮음)은 매립 채널(n형)과 에피택시 층(p형)에 의해 제공되는 다이오드를 순방향 및 역방향으로 바이어스한다. 이는 CCD를 p-n 접합 근처에서 고갈시키고, 게이트 아래 및 채널 내에서 전하 패킷을 수집하고 이동시킨다.[23]
4. 아키텍처
CCD 이미지 센서는 풀 프레임, 프레임 전송, 인터라인 등 다양한 아키텍처로 구현될 수 있다. 각 아키텍처는 셔터링 문제에 대한 접근 방식에 따라 다른 특징을 가진다.[2]
- 풀 프레임: 이미지 영역 전체가 활성화되며 전자 셔터가 없다. 기계식 셔터가 필요하거나 이미지 번짐이 발생할 수 있다.
- 프레임 전송: 실리콘 영역의 절반이 불투명 마스크(일반적으로 알루미늄)로 덮여 있어, 이미지를 빠르게 불투명 영역으로 전송하여 판독할 수 있다. 실리콘 공간이 두 배로 필요하다.
- 인터라인: 이미지 센서의 매 열마다 저장을 위한 마스크를 적용하여 셔터 시간을 마이크로초 미만으로 줄일 수 있다. 필팩터가 약 50%로 감소하지만 마이크로 렌즈를 통해 이를 개선할 수 있다.
아키텍처의 선택은 용도에 따라 결정된다. 기계식 셔터를 사용할 수 없는 경우에는 인터라인 장치가 적합하며, 소비자용 스냅샷 카메라에 사용되었다. 최상의 조명 수집이 필요하고 비용, 전력, 시간 문제가 중요하지 않은 경우에는 풀 프레임 장치가 적합하며, 천문학자들이 선호한다. 프레임 전송은 이 둘 사이의 중간적인 선택이었다.
일반적인 유형의 CCD는 근적외선에 민감하여 적외선 사진, 야간 투시 장치 등에 활용될 수 있다. 냉각을 통해 암전류를 줄여 저조도 감도를 향상시킬 수 있다.
4. 1. 풀 프레임 CCD
풀 프레임형은 전달용 CCD가 필요 없기 때문에 빛이 닿는 소자 면적의 비율(개구율)이 크고, 인터라인형에 비해 감도가 높다.[43] 반면, 전하 전달 중에는 수광하지 않도록 기계식 셔터가 필수적이므로 동영상 촬영은 어렵다.
4. 2. 프레임 전송 CCD
프레임 전송 CCD는 천문학과 일부 전문 비디오 카메라에서 높은 노출 효율과 정확성을 위해 사용되는 특수한 CCD이다. 벨 연구소의 마이클 톰프셋이 CCD 이미징을 위해 제안한 최초의 이미징 구조였다.[43]
일반적인 CCD는 노출과 판독의 두 단계로 작동한다. 첫 번째 단계에서 CCD는 들어오는 광자를 수집하여 전자를 저장한다. 노출 시간이 지나면 셀은 한 줄씩 판독된다. 판독 단계 동안 셀은 계속해서 빛을 수집하는데, 이동 속도가 충분히 빠르지 않으면 빛이 전하를 보유하는 셀에 닿아 오류(롤링 셔터 효과)가 발생할 수 있다. 또한, CCD는 판독 중에는 빛을 수집할 수 없다.
프레임 전송 CCD는 이러한 문제를 해결하기 위해 빛에 민감하지 않은 차폐된 영역을 가지고 있다. 이 영역은 빛에 노출된 영역과 같은 수의 셀을 포함하며, 보통 반사 재료로 덮여 있다. 노출 시간이 끝나면 셀은 매우 빠르게 숨겨진 영역으로 전송된다. 여기서 셀의 전하를 정확하게 측정하는 데 필요한 속도로 판독할 수 있다. 동시에 CCD의 노출된 부분은 다시 빛을 수집하여 연속적인 노출 사이에 지연이 발생하지 않는다.
이러한 CCD는 셀 영역이 두 배가 되고 더 복잡한 제어 전자 장치가 필요하여 비용이 더 높다는 단점이 있다.
4. 3. 인터라인 CCD
인터라인형(interline) CCD 이미지센서는 일반적인 비디오 카메라와 디지털 카메라에서 많이 사용된다. 수광부의 포토다이오드와 전하전송부의 수직 전송 CCD를 한 줄씩 번갈아 배치하고, 수직 CCD 열의 끝부분을 수평 전송 CCD의 각 소자에 연결하여 전체적으로 빗살 모양으로 배치한 구조이다. 각 전송용 CCD는 광전변환을 하지 않도록 차광막으로 덮여 있다.[43]
각 화소의 포토다이오드와 화소에 대응하는 수직 CCD의 각 소자 사이에는 아날로그 스위치 역할을 하는 트랜스퍼 게이트가 있으며, 읽기는 다음과 같은 순서로 수행된다.
# 트랜스퍼 게이트를 닫아둔다.
# 포토다이오드를 감광시켜 전하를 축적한다.
# 트랜스퍼 게이트를 열어 포토다이오드에서 각 수직 전송 CCD로 전하를 일제히 전송한다.
# 트랜스퍼 게이트를 닫는다.
# 각 수직 전송 CCD의 전하를 1회분 전송하고, 각 열의 끝부분에 해당하는 화소의 전하를 수평 전송 CCD로 이동시킨다.
# 수평 전송 CCD에 순차적으로 전송 펄스를 주어 모든 수평 화소를 출력한다.
# 5로 돌아가 수직 전송 CCD의 모든 화소를 읽을 때까지 반복한다.
이렇게 하면 모든 영역의 화소가 순차적으로 주사된다. 비디오카메라에 사용하려면 초당 30~60회의 노광, 전송, 읽기 작업이 필요하므로, 포토다이오드에서 수직 CCD로의 전하 전송은 수직 귀선 기간에, 수평 전송 CCD로부터의 읽기는 각 수평 귀선 기간에 수행된다.
5. 특수 CCD
전하 결합 소자의 발명은 1969년 벨 연구소의 윌러드 보일과 조지 E. 스미스가 자기 버블 메모리를 연구하던 중 이루어졌다. 이들은 전하가 자기 버블과 유사하게 작은 MOS 커패시터에 저장될 수 있다는 점에 착안하여, 전하를 순차적으로 이동시킬 수 있는 '전하 "버블" 장치'를 고안했다.[5][6] 1970년 4월에 발표된 초기 논문에서는 이 장치가 메모리, 지연선, 이미징 장치, 시프트 레지스터 등으로 활용될 수 있음을 제시했다.[7]
최초의 실험적 CCD는 1970년 4월 길 아멜리오, 마이클 프랜시스 톰프셋, 조지 스미스에 의해 시연되었으며, 이미지 센서 기술에 CCD가 처음 적용된 사례였다.[8] 이후 페어차일드 반도체, RCA, 텍사스 인스트루먼츠 등 여러 회사에서 CCD 개발에 참여했으며, 페어차일드는 1974년에 상업용 CCD 장치를 최초로 선보였다. 코닥 연구소의 피터 딜런은 1974년에 컬러 필터 어레이를 겹쳐 최초의 컬러 CCD 이미지 센서를 발명했고,[12] 스티븐 새슨은 1975년에 페어차일드 CCD를 사용한 디지털 카메라를 발명했다.[13]
초기 CCD는 셔터 지연 문제가 있었으나, 1980년 NEC의 테라니시 노부카즈, 시라키 히로미쓰, 이시하라 야스오가 핀드 포토다이오드(PPD)를 발명하여 이를 해결했다.[1][17] PPD는 지연, 잡음, 암전류를 줄이고 양자 효율을 높인 광검출기 구조로,[1] 1987년부터 대부분의 CCD 장치에 통합되었다.
CCD 기술 개발에 기여한 공로로 보일과 스미스는 2006년 미국 공학 아카데미의 찰스 스타크 드레이퍼 상을,[19] 2009년에는 노벨 물리학상을 수상했다.[20] 마이클 톰프셋은 2010년 미국 기술 및 혁신 국가 메달과[11] 2012년 IEEE 에디슨 메달을 수상했다.
CCD는 높은 양자 효율, 선형 출력, 사용 편의성 덕분에 천문학 분야에서 널리 사용되고 있다. 허블 우주 망원경은 CCD 데이터를 처리하는 정교한 파이프라인을 갖추고 있으며,[31] 천체 사진에서는 오토 가이더가 CCD 칩을 사용하여 추적 오류를 보정한다. 드리프트 스캐닝은 CCD를 이용하여 넓은 하늘 영역을 촬영하는 특수 기법으로, 슬론 디지털 스카이 서베이에서 활용되었다. 가이아 우주 망원경역시 이 모드로 작동한다.
5. 1. 강화 전하 결합 소자 (ICCD)
강화 전하 결합 소자(ICCD, Intensified charge-coupled device)는 CCD 앞에 장착된 상 강화 장치에 광학적으로 연결된 CCD이다.상 강화 장치는 다음 세 가지 기능적 요소를 포함한다.
- 광전자 방출극
- 마이크로 채널 플레이트(MCP, micro-channel plate)
- 형광체 스크린
이 세 요소는 위에서 언급한 순서대로 서로 가까이 장착된다. 광원에서 나오는 광자는 광전자 방출극에 떨어져 광전자를 생성한다. 광전자는 광전자 방출극과 MCP 사이에 인가된 전기 제어 전압에 의해 MCP쪽으로 가속된다. 전자는 MCP 내부에서 증폭된 후 형광체 스크린 쪽으로 가속된다. 형광체 스크린은 최종적으로 증폭된 전자를 광자로 다시 변환하고, 이 광자는 광섬유 또는 렌즈를 통해 CCD로 유도된다.
상 강화 장치는 본질적으로 셔터 기능을 포함한다. 광전자 방출극과 MCP 사이의 제어 전압이 반전되면, 방출된 광전자는 MCP 쪽으로 가속되지 않고 광전자 방출극으로 돌아간다. 따라서 전자가 MCP에 의해 증폭되거나 방출되지 않고, 전자가 형광체 스크린으로 가지 않으며, 상 강화 장치에서 빛이 방출되지 않는다. 이 경우 CCD에 빛이 떨어지지 않으므로 셔터가 닫힌 상태가 된다. 광전자 방출극에서 제어 전압을 반전시키는 과정을 ''게이팅''이라고 하며, 따라서 ICCD는 게이트 가능 CCD 카메라라고도 한다.
단일 광자 검출을 가능하게 하는 ICCD 카메라의 매우 높은 감도 외에도, 게이트 가능성은 EMCCD 카메라에 비해 ICCD의 주요 장점 중 하나이다. 성능이 가장 뛰어난 ICCD 카메라는 200ps만큼 짧은 셔터 시간을 가능하게 한다.
ICCD 카메라는 고가의 상 강화 장치가 필요하기 때문에 일반적으로 EMCCD 카메라보다 가격이 다소 높다. 반면에 EMCCD 카메라는 EMCCD 칩을 170,000 정도의 온도로 냉각하는 냉각 시스템이 필요하다. 이 냉각 시스템은 EMCCD 카메라에 추가 비용을 발생시키고, 응용 분야에서 종종 심각한 결로 문제를 야기한다.
ICCD는 야간 투시 장치와 다양한 과학적 응용 분야에 사용된다.
5. 2. 전자 증폭 CCD (EMCCD)
전자 증폭 CCD(EMCCD, L3Vision CCD(e2v Ltd.에서 판매하는 제품), L3CCD 또는 Impactron CCD(텍사스 인스트루먼츠에서 과거에 제공했던 단종된 제품)로도 알려짐)는 시프트 레지스터와 출력 증폭기 사이에 이득 레지스터가 배치된 전하 결합 소자이다. 이득 레지스터는 많은 수의 단계로 나뉜다. 각 단계에서 전자는 충격 이온화에 의해 증폭되는데, 이는 애벌랜치 다이오드와 유사하다. 레지스터의 각 단계에서의 이득 확률은 작지만(''P'' < 2%) 요소의 수가 많기 때문에(N > 500), 전체 이득은 매우 높을 수 있다(). 단일 입력 전자가 수천 개의 출력 전자를 생성한다. CCD에서 신호를 읽으면 일반적으로 몇 개의 전자에 해당하는 잡음 배경이 나타난다. EMCCD에서는 이 잡음이 단일 전자가 아닌 수천 개의 전자에 중첩된다. 따라서 이 장치의 주요 장점은 무시할 수 있는 판독 잡음이다.[27] 광전하 증폭을 위한 애벌랜치 브레이크다운의 사용은 1973년 조지 E. 스미스(George E. Smith)/벨 전화 연구소에 의해 이미 설명되었다.EMCCD는 강화 CCD(ICCD)와 유사한 감도를 보인다. 그러나 ICCD와 마찬가지로 이득 레지스터에 적용되는 이득은 확률적이며 픽셀의 전하에 적용된 ''정확한'' 이득을 알 수 없다. 높은 이득(> 30)에서 이러한 불확실성은 이득이 1인 경우와 비교하여 양자 효율(QE)을 절반으로 줄이는 것과 같은 효과를 신호 대 잡음비(SNR)에 미친다. 이 효과를 과잉 잡음 계수(ENF)라고 한다. 그러나 매우 낮은 광량 수준(양자 효율이 가장 중요한 곳)에서는 픽셀에 전자가 포함되어 있거나 포함되어 있지 않다고 가정할 수 있다. 이렇게 하면 동일한 픽셀에서 여러 전자를 단일 전자로 계산하는 위험을 감수하면서 확률적 증배와 관련된 잡음이 제거된다. 이 작동 모드에서 동시에 발생하는 광자로 인해 하나의 픽셀에서 여러 개의 계산이 발생하는 것을 방지하려면 높은 프레임 속도가 필수적이다. 이득의 분산은 오른쪽 그래프에 나와 있다. 많은 요소와 큰 이득을 가진 증배 레지스터의 경우 다음 방정식으로 잘 모델링된다.
:
여기서 ''P''는 ''m''개의 입력 전자와 ''g''의 총 평균 증배 레지스터 이득이 주어졌을 때 ''n''개의 출력 전자를 얻을 확률이다. 입력 전자의 수가 매우 많으면 이 복잡한 분포 함수는 가우스 분포로 수렴한다.
낮은 비용과 향상된 해상도로 인해 EMCCD는 많은 응용 분야에서 ICCD를 대체할 수 있다. ICCD는 여전히 매우 빠르게 게이팅할 수 있다는 장점이 있으므로 범위 게이트 이미징과 같은 응용 분야에 유용하다. EMCCD 카메라는 칩을 -65°C 에서 -95°C 범위의 온도로 냉각하기 위해 열전 냉각 또는 액체 질소를 사용하는 냉각 시스템이 반드시 필요하다. 이 냉각 시스템은 EMCCD 이미징 시스템에 추가 비용을 발생시키고 응용 분야에서 결로 문제를 야기할 수 있다. 그러나 하이엔드 EMCCD 카메라에는 칩을 둘러싸고 결로 문제를 방지하는 영구적인 기밀 진공 시스템이 장착되어 있다.
EMCCD의 저광량 성능은 천문학 및 생의학 연구 등 다양한 분야에서 사용된다. 특히, 높은 판독 속도에서 낮은 잡음으로 인해 희미한 별의 행운 이미징, 고속 광자 계수 광도 측정, 파브리-페로 분광법 및 고해상도 분광법과 같은 저광량 광원과 일시적인 현상이 포함된 다양한 천문학적 응용 분야에 매우 유용하다. 최근에는 이러한 유형의 CCD가 소동물 이미징, 단일 분자 이미징, 라만 분광법, 초고해상도 현미경뿐만 아니라 전통적인 CCD와 ICCD에 비해 저광량 조건에서 더 높은 SNR 덕분에 다양한 현대 형광 현미경 기술을 포함한 저광량 응용 분야의 생의학 연구 분야로 진출했다.
잡음 측면에서 상용 EMCCD 카메라는 일반적으로 클럭 유도 전하(CIC)와 암전류(냉각 정도에 따라 다름)를 가지며, 이는 픽셀 판독당 0.01~1개의 전자에 해당하는 유효 판독 잡음으로 이어진다. 그러나 최근 EMCCD 기술의 발전으로 CIC가 훨씬 적고, 전하 전달 효율이 높으며, 이전에 사용 가능했던 것보다 5배 더 높은 EM 이득을 생성할 수 있는 새로운 세대의 카메라가 개발되었다. 저광량 검출의 이러한 발전은 픽셀 판독당 0.001개의 전자에 해당하는 유효 총 배경 잡음을 초래하며, 이는 다른 어떤 저광량 이미징 장치에서도 달성할 수 없는 잡음 수준이다.[27]
6. 응용 분야
CCD는 고품질 이미지 데이터가 필요한 전문, 의료 및 과학 분야에서 널리 사용된다. 소비자 및 전문가용 디지털 카메라와 같이 품질 요구 사항이 덜 까다로운 응용 분야에서는 CMOS 센서가 일반적으로 사용되지만, 2010년대 후반까지는 CCD 센서가 주된 기술이었다.
CCD는 수광소자와 결합하여 영상 촬영 장치로 사용되며, 다음과 같은 다양한 분야에서 활용된다.
또한, NTSC에서 필요한 빗살 필터(Comb filter)의 아날로그 필터에서 지연선에 해당하는 순차적 접근 방식의 기억 장치 등에도 응용된다.[43]
CCD는 1차원 이미지 센서와 2차원 이미지 센서로 나눌 수 있다. 1차원 이미지 센서는 선형 이미지 센서라고도 하며, 포토다이오드를 일렬로 배열하고, 이것과 병렬로 CCD를 배치하고 있다. 팩시밀리나 복사기, 이미지 스캐너 등에서 사용된다.[44] 2차원 이미지 센서는 면적 이미지 센서라고도 하며, 격자 모양 등의 배열로 평면상에 배치된 것이다.
6. 1. 천문학
CCD는 높은 양자 효율과 선형 출력 특성으로 인해 천문학 분야에서 자외선부터 적외선까지 거의 모든 영역의 관측에 사용된다. 열잡음과 우주선은 CCD 어레이의 픽셀을 변경할 수 있는데, 이를 보정하기 위해 천문학자들은 CCD 셔터를 닫은 상태와 연 상태에서 여러 번 노출을 한다. 셔터를 닫고 촬영한 이미지의 평균을 내어 무작위 노이즈를 줄이고, 개발된 다크 프레임 평균 이미지를 셔터를 연 이미지에서 빼서 다크 전류 및 CCD의 다른 체계적인 결함(죽은 픽셀, 핫 픽셀 등)을 제거한다.[28][29][30]전문 관측소에서는 열잡음을 무시할 수 있는 수준으로 줄이기 위해 액체 질소로 검출기를 냉각하기도 한다. 냉각을 통해 열에 의한 잡음을 줄이고, 장시간 노출을 가능하게 한다.
천체 사진에 사용되는 CCD 카메라는 대부분의 이미징 플랫폼의 무게와 바람, 기타 진동에 대응하기 위해 견고한 마운트가 필요하다. 은하와 성운을 장시간 노출할 때, 많은 천문학자들이 오토 가이딩 기술을 사용한다. 대부분의 오토 가이더는 두 번째 CCD 칩을 사용하여 이미징 중 편차를 모니터링하고, 추적 오류를 빠르게 감지하여 마운트 모터를 제어해 수정한다.
슬론 디지털 스카이 서베이는 드리프트 스캐닝이라는 CCD의 특이한 활용 방식을 통해 고정된 망원경이 추적 망원경처럼 작동하며 하늘의 움직임을 따라가도록 하였다. CCD의 전하는 하늘의 움직임과 평행하고 동일한 속도로 전달되고 판독된다. 이러한 방식으로 망원경은 일반적인 시야보다 더 넓은 영역의 하늘을 촬영할 수 있었으며, 하늘의 4분의 1 이상을 조사하는데 성공했다.
이미저 외에도 CCD는 분광계[32] 및 간섭계[33]를 포함한 다양한 분석 기기에 사용된다.
7. 컬러 카메라
디지털 컬러 카메라는 일반적으로 CCD의 단색 픽셀 위에 컬러 필터 어레이를 사용하여 색상을 구현한다. 대표적으로 단판 방식과 다판(3판) 방식이 있다. 단판 방식은 하나의 센서로 RGB 각 색을 만들어내며, 다판 방식은 광학적으로 RGB 각 색을 분리하여 각각의 센서로 촬영한다.
7. 1. 베이어 필터
베이어 필터는 브라이스 베이어의 이름을 딴 것으로, 디지털 컬러 카메라에서 가장 많이 사용되는 컬러 필터 어레이(CFA) 패턴이다. 베이어 패턴은 4개의 픽셀로 이루어진 각 사각형에 빨간색 필터 1개, 파란색 필터 1개, 녹색 필터 2개를 배치한다. 인간의 눈은 빨간색이나 파란색보다 녹색에 더 민감하고 밝기에 대한 민감도가 더 높기 때문에 녹색 필터가 2개이다.[34] 그 결과, 밝기 정보는 체커보드 패턴으로 각 행과 열에서 수집되며, 색상 해상도는 밝기 해상도보다 낮다.
일반적으로 고체 영상 소자에서는 수광부마다 마이크로 렌즈를 두므로, 각 수광부의 종횡비는 1 또는 1에 가까운 것이 바람직하다. 따라서 정사각형으로 배열된 위에 베이어 배열 필터(베이어 필터)를 거는 방법이 일반적이다. 베이어 배열은 Bryce Bayer영어에서 유래했다.[51]
베이어 배열에서는 CCD의 총 화소수 N에 대해 녹색의 해상도는 N/2, 적색 및 청색의 해상도는 N/4가 되므로, 각 화소마다 주변 화소의 출력을 이용하여 보간 연산을 수행함으로써 N개의 RGB 조합을 만들어낸다. 보간 연산의 방식에 따라 화질에 영향을 받으므로, 각 카메라 제조업체는 독자적으로 처리 방법을 고안하고 있다. 여기서 녹색 화소를 2배로 설정하는 것은 인간의 눈의 분광 감도가 녹색 부근을 피크로 하고 있고, 녹색 해상도가 외관상의 해상도를 향상시키기 때문이다.
7. 2. 3CCD
더 나은 색상 분리는 3CCD 장치(3CCD)와 다색 빔 분할 프리즘을 사용하여 얻을 수 있는데, 이 프리즘은 이미지를 빨간색, 녹색, 파란색 구성 요소로 분할한다. 세 개의 CCD 각각은 특정 색상에 반응하도록 배열된다.[34] 많은 전문가용 캠코더와 일부 준전문가용 캠코더가 이 기술을 사용하지만, 경쟁 기술인 CMOS 기술의 발전으로 빔 분할기와 베이어 필터를 모두 사용하는 CMOS 센서가 하이엔드 비디오 및 디지털 시네마 카메라에서 점점 더 인기를 얻고 있다. 베이어 마스크 장치에 비해 3CCD의 또 다른 장점은 더 높은 양자 효율(더 높은 광 감도)이다. 렌즈에서 나오는 대부분의 빛이 실리콘 센서 중 하나로 들어오는 반면, 베이어 마스크는 각 픽셀 위치에 떨어지는 빛의 상당 부분(3분의 2 이상)을 흡수하기 때문이다.
다른 많은 컬러 촬영 방식과 마찬가지로, 하나의 센서에 RGB 각 색을 만들어내는 단판 방식과, 광학적으로 RGB 각 색을 분리한 것을 각각의 센서로 촬영하는 다판(3판) 방식이 있다.
방송용 컬러 TV 카메라 등에서는 고화질·고감도의 요구 성능을 충족시키기 위해 3판 방식을 채택하는 경우가 있다. 이것은 앞서 설명한 미세 구조 필터에 의한 방식이 불가능했던 영상관 시대의 방식과 유사한 것으로, RGB 각 색깔에 각각 1개의 CCD 이미지 센서를 준비하고, 다이크로익(색 분해이며 "분광"이 아님) 프리즘(각 파장에 대해 미러 또는 필터로 작용)에 의해 각 색깔로 나누어 감광시켜 RGB 각각의 색 신호를 얻는다. 3판 방식에는 RGB 균등 방식뿐만 아니라, 2개의 녹색용 소자를 수평으로 1/2 화소씩 엇갈리게 배치하여 외관상의 수평 해상도를 향상시키는 기법을 채택하는 경우도 있다. 이 경우, 청색·적색용 CCD는 2색 공용으로 하여 해상도는 저하되지만, 녹색 해상도의 향상으로 보상할 수 있도록 하는 것을 목표로 한다. 더 나아가, 녹색 CCD를 1개만으로 하면 2개 CCD 방식의 컬러 영상 촬영도 가능하다(2판 방식).
8. 센서 크기
광학 포맷이라고도 불리는 센서(CCD/CMOS)는 다양한 크기로 제공된다. 이러한 크기는 종종 1/1.8″ 또는 2/3″과 같은 인치 분수 지정으로 표시된다. 이 측정 방식은 1950년대 비디콘 튜브 시대까지 거슬러 올라간다.
이미지센서의 크기 표기에는 두 가지 방식이 있다.
- 3/2인치, 1/1.8인치, 1/2인치 등 인치 단위로 불리는 크기이다. 이 크기는 이미지센서의 촬상면의 실제 크기를 나타내는 것이 아니라, 명칭에 해당하는 관경의 촬상관의 촬상면 크기와 같다는 것을 의미한다.
- 특정 규격에 따라 실제 크기가 정해져 있으며, 35mm 풀프레임(135필름을 사용하는 35mm판의 화면 크기와 같은 36mm×24mm), APS-C(16.7mm×23.4mm) 등이 있다.
다음은 이미지별 센서 크기를 나타낸 표이다.
| 종류 | 가로세로비 | 너비 (mm) | 높이 (mm) | 대각선 (mm) | 영역 (mm2) | 상대 영역 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1/6" | 4:3 | 2.300 | 1.730 | 2.878 | 3.979 | 1.000 |
| 1/4" | 4:3 | 3.200 | 2.400 | 4.000 | 7.680 | 1.930 |
| 1/3.6" | 4:3 | 4.000 | 3.000 | 5.000 | 12.000 | 3.016 |
| 1/3.2" | 4:3 | 4.536 | 3.416 | 5.678 | 15.495 | 3.894 |
| 1/3" | 4:3 | 4.800 | 3.600 | 6.000 | 17.280 | 4.343 |
| 1/2.7" | 4:3 | 5.270 | 3.960 | 6.592 | 20.869 | 5.245 |
| 1/2" | 4:3 | 6.400 | 4.800 | 8.000 | 30.720 | 7.721 |
| 1/1.8" | 4:3 | 7.176 | 5.319 | 8.932 | 38.169 | 9.593 |
| 2/3" | 4:3 | 8.800 | 6.600 | 11.000 | 58.080 | 14.597 |
| 1" | 4:3 | 12.800 | 9.600 | 16.000 | 122.880 | 30.882 |
| 4/3" | 4:3 | 22.500 | 18.000 | 28.814 | 405.000 | 101.784 |
다음은 다른 이미지 크기와 비교한 표이다.
| 종류 | 가로세로비 | 너비 (mm) | 높이 (mm) | 대각선 (mm) | 영역 (mm2) | 상대 영역 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| APS-C | 3:2 | 25.100 | 16.700 | 30.148 | 419.170 | 105.346 |
| 35mm | 3:2 | 36.000 | 24.000 | 43.267 | 864.000 | 217.140 |
| 645 | 4:3 | 56.000 | 41.500 | 69.701 | 2324.000 | 584.066 |
9. 소니 CCD 불량 문제 (2002-2005)
소니는 CCD 제조 업체로서 비디오카메라 및 디지털카메라 제조업체에 부품을 공급해왔다. 2002년 10월, 소니는 CCD 소자의 창 역할을 하는 유리 기판 접합에 사용하는 접착제를 변경했다.[47]
2004년 봄, 전문가용 비디오카메라에서 CCD 소자와 IC 패키지의 핀을 연결하는 본딩 와이어가 단선되는 결함이 발견되었다. 이는 본딩 와이어링 장치의 부적절한 설정으로 인한 제조 문제로 밝혀졌고, 소니산 CCD를 사용한 전문가용 비디오카메라 제조업체들은 리콜을 실시했다.
그러나 2004년 여름부터 다시 본딩 와이어 단선 문제가 발생하기 시작했다. 원인은 변경된 접착제에 포함된 요오드가 CCD 칩과 본딩 와이어가 연결된 합금 부분에 침투하여 결함을 일으키고, 이로 인해 합금 부분에서 단선이 발생한 것이었다. 소니는 이 문제를 본딩 와이어링 장치의 설정 오류라고만 생각하고, 문제가 있는 접착제가 사용된 CCD를 계속 생산하여 문제를 간과했다.
2005년 10월 이후, 소니와 카메라 제조업체들은 리콜 정보를 발표했다. 이 문제로 인해 결함이 발생한 CCD는 1000만 개 이상, 문제가 발생할 수 있는 디지털카메라 및 비디오카메라는 100종류가 넘었다. 소니 이외의 카메라 제조업체는 "소니산 CCD"로 인한 불량이라는 것을 명확히 언급하지는 않았지만, 결함 발생 상황과 발표된 원인으로 미루어 볼 때 동일 원인일 가능성이 높다고 여겨진다.
이 리콜 문제는 크게 보도되었고, 소니에 대한 신뢰는 물론 CCD 이미지 센서에 대한 평가까지 낮추게 되었다.[47]
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