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[과학에세이] 이미지 센서 이야기 /이병국

스마트폰 CCTV 등 생활주변 곳곳에 다양한 용도의 이미지센서 존재

  • 국제신문
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  •  |  입력 : 2013-01-28 19:52:30
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'어두운 방에 뚫린 작은 구멍으로 들어온 빛이 반대편 벽에 밖의 사물을 비춘다' 라는 기록을 처음으로 남긴 사람은 BC 350년경 고대 그리스 철학자 아리스토텔레스이다. 1888년 코닥(Kodak)설립자인 조지 이스트만에 의해 아날로그 필름 카메라가 선보인 이후 이제는 대부분의 사람들이 디지털 카메라를 사용하고 있다.

아날로그 카메라가 필름을 사용한다면 디지털 카메라는 이미지 센서를 사용한다. 이미지 센서는 우리가 눈으로 보이는 외부의 이미지, 화상을 전기적 신호로 바꾸어 저장하는 것을 말한다. 기존의 필름을 대신하여 이미지 센서가 외부의 화상을 저장하는 방식이다. 이미지 센서는 기술적으로 분류하여 크게 두 종류로 나누어진다. CCD(전하결합소자 : Charged Coupled Device) 와 CMOS(상보성 금속산화막 반도체 : Complementary Metal Oxide Semi-conductor)가 바로 그것이다. 두 방식은 빛을 전하로 변환하고 읽어 들인다는 기본 원리는 같지만 제조 과정과 신호를 읽는 방법이 다르다.

1960년대 후반 미국 벨연구소의 두 연구원, 보일과 스미스가 새로운 형태의 컴퓨터 기억 회로 메모리 소자를 구상한다. 이들이 1970년 초에 선보인 작은 반도체 실리콘 CCD는 가시광에 반응하기 때문에 원래 의도와는 달리 이미지 센서로 개발되었다. 천문학자들은 CCD의 비범한 영상화 능력을 알아보았고 많은 관심을 가졌다. 1972년 제트 추진 연구소와 애리조나 대학과의 3년간 공동연구 끝에 CCD로 천왕성 영상을 얻는 데 성공하였다. 최초의 디지털 카메라 시제품은 1975년 스티브 세손이라는 코닥의 연구원이 만들어냈다. 그는 코닥에 1973년에 입사하여, 1974년 말 '빛을 이용해 촬영할 수 있는 새로운 디바이스가 있으니 연구를 한번 해 보라' 상사의 지시로 개발을 시작하였다.

영화 제작용 카메라 렌즈, 아날로그-디지털 변환기, 그리고 CCD 등을 조립해서 1975년 12월경 최초의 디지털 카메라를 만들어냈다. 무게가 3.6kg에 토스터기 정도의 크기였고 100×100의 해상도를 가지고 있었다. 당시에는 반도체 메모리가 없어 이미지를 카세트 테이프에 저장하였는데 시간이 23초가 걸렸다고 한다. 그리고 당시에는 PC가 존재하지 않았기 때문에 촬영한 이미지를 보기 위해서는 TV를 활용해야 하는데 이를 위한 연결 장치도 새로 개발했다. 테이프에서 이미지를 읽어 텔레비전으로 보여주는 데 다시 23초가 걸렸다고 한다. 세상에 첫 번째로 등장한 디지털 카메라의 성능은 이 정도였다고 한다. 스티브 세손이 그때 개발한 디지털 카메라를 '전자적 정지 카메라(Electronic Still Camera)' 혹은 '필름없는 카메라(Filmless Camera)'라고 불렀고 그 당시로서는 획기적인 기술이었지만 코닥의 경영층들은 코닥이 장악하고 있는 필름산업에 부정적인 영향을 줄까봐 후속 제품 개발을 허가하지 않았다고 한다.
CMOS 이미지 센서가 먼저 개발되었지만 빠르게 상용화에 성공한 CCD가 2000년 초까지 이미지 센서의 시장을 장악했다. 2009년 10월 CCD를 개발한 보일과 스미스는 노벨 물리학상을 받는다. CMOS는 화질 면에서는 단점이 있었지만 값싸게 만들 수 있고 발열과 전력소모가 적어 장시간 사용에도 적합하여 CCTV와 같이 화질이 크게 중요하지 않은 영상기기에 사용되었다가 1990년대 이후 미세가공기술이 발달하면서 반도체 제조공정을 이용할 수 있는 CMOS의 성능은 CCD를 추월하기 시작했고 최근에는 CMOS센서가 더 폭넓게 사용되고 있다.

이러한 이미지 센서는 카메라, 캠코더 등 빛을 받아들여 영상으로 보여주는 모든 기계에 반드시 필요한 핵심 부품으로 이미 광범위하게 대중화되었다. 스마트폰이 일상화된 현대에는 누구나 1개 이상의 이미지 센서를 늘 가지고 다니는 셈이다. 주차를 위한 후방카메라, 차량용 블랙박스 카메라, 보안용 CCTV카메라, 디카, DSLR카메라 등 우리 주위에는 많은 용도의 이미지 센서들이 존재한다. 우리들은 언제나 이들이 지켜보고 있는 세상에 살고 있다. 동서대 교수 컴퓨터공학과

※사외 필자의 견해는 본지의 제작방향과 일치하지 않을 수도 있습니다.

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