CCD CMOS 차이, 전하 전송과 픽셀 증폭이 갈린 세대 교체

놀이공원 폐장 시간에 손님 수천 명이 한 줄로 서서 출구 하나로만 나간다고 상상해 보세요. 질서는 완벽하지만 앞사람이 빠져야 뒤사람이 움직이니 시간이 걸립니다. 구역마다 출구와 계산대를 따로 두면 훨씬 빨리 빠지지만, 구역별 안내 방식이 조금씩 달라질 수 있습니다.

CCD CMOS 차이는 바로 이 출구 방식의 차이입니다. 두 이미지 센서 모두 빛을 전하로 바꿔 모으는 과정은 비슷하고, 모인 전하를 읽어 내는 길이 다릅니다. 비유와 다른 점은 센서의 손님이 전자라서, 이동 중에 하나라도 잃으면 그대로 화질 손실이 된다는 것입니다.

CCD CMOS 차이, 읽는 길이 갈립니다

두 센서 모두 픽셀에 빛이 들어오면 광전 효과로 전자와 정공 쌍이 생기고, 노광 시간 동안 전자를 모읍니다. 이 단계는 포토다이오드에서 보는 원리와 같습니다. 달라지는 지점은 모인 전하를 어디에서 전압으로 바꾸느냐입니다.

CCD(Charge-Coupled Device, 전하 결합 소자)는 전하를 그대로 옮겨서 칩 가장자리의 출력단 한곳에서 전압으로 바꿉니다. CMOS 이미지 센서(CIS, CMOS Image Sensor)는 픽셀 안에서 전하를 전압으로 바꾸고, 그 전압 신호를 열 방향으로 내보냅니다. 전하로 나르느냐, 전압으로 나르느냐가 두 센서를 가르는 한 줄 요약입니다.

CCD의 전하 전송 구조, 수직과 수평 레지스터

CCD의 픽셀 열 사이에는 수직 전송 레지스터(Vertical Transfer Register)가 지나갑니다. 전극에 여러 상(phase)의 클록 전압을 번갈아 걸면 반도체 표면 아래의 전위 우물이 한 칸씩 옮겨 가고, 그 안에 담긴 전하 묶음도 함께 이동합니다. 물동이를 한 칸씩 넘기는 릴레이와 비슷합니다.

한 행의 전하가 맨 아래의 수평 전송 레지스터(Horizontal Transfer Register)까지 내려오면, 이번에는 옆으로 한 픽셀씩 밀려 출력단에 닿습니다. 출력단에서 전하량이 전압으로 바뀌고 증폭되어 한 픽셀씩 차례로 나옵니다. 모든 픽셀이 같은 출력 증폭기를 거치므로 픽셀 사이의 변환 특성이 고르다는 것이 장점입니다.

이 구조가 성립하려면 전하가 수천 번 넘겨지는 동안 거의 잃지 않아야 합니다. 한 번 옮길 때 남는 비율인 전하 전송 효율이 1에 아주 가까워야 하고, 그래서 CCD는 이를 위한 전용 공정과 정밀한 클록 구동이 필요합니다.

CMOS의 픽셀 내 증폭과 열 병렬 읽기

CMOS 센서의 픽셀에는 포토다이오드 옆에 리셋과 행 선택 트랜지스터, 그리고 전하를 전압으로 바꾸는 소스 팔로워(Source Follower) 증폭 트랜지스터가 들어갑니다. 전하는 픽셀 밖으로 나가지 않고 그 자리에서 전압이 됩니다. 픽셀 하나의 세부 동작은 이미지 센서 구조 글에서 다뤘으니, 여기서는 읽어 내는 경로만 비교합니다.

행 선택 신호가 한 행을 고르면 그 행의 모든 픽셀 신호가 열마다 있는 신호선으로 동시에 올라갑니다. 열 끝에는 상관 이중 샘플링(CDS, Correlated Double Sampling) 회로와 ADC가 달려 있어 한 행을 한꺼번에 처리합니다. 열의 개수만큼 병렬성이 생기는 셈입니다.

CMOS에도 대가가 있습니다. 픽셀마다 트랜지스터가 들어가 빛을 받는 면적이 줄고, 픽셀 증폭기와 열 회로의 특성이 조금씩 달라 고정 패턴 잡음이 생기기 쉽습니다. 이 약점은 마이크로렌즈, 후면 조사(BSI, Backside Illumination) 구조, 핀드 포토다이오드와 CDS 같은 기술로 크게 줄었습니다.

세대 교체가 일어난 이유, 전력과 집적과 속도와 비용

첫째는 전력입니다. CCD는 정전용량이 큰 전극을 여러 상의 클록으로 흔들어야 하고 여러 종류의 구동 전압이 필요하지만, CMOS는 일반 디지털 회로처럼 낮은 전압으로 동작합니다. 배터리로 움직이는 기기에서는 이 차이가 곧 사용 시간입니다.

둘째는 집적입니다. CMOS 센서는 같은 칩에 타이밍 회로, ADC, 이미지 처리 블록까지 넣을 수 있어 부품 수가 줄고 디지털 신호를 바로 내보냅니다. CCD는 아날로그 신호를 내보내므로 외부에 ADC와 구동 칩이 따로 필요합니다.

셋째와 넷째는 속도와 비용입니다. 열 병렬 읽기는 고해상도와 높은 프레임 레이트에 유리하고, 로직 반도체와 비슷한 공정 계열과 생산 설비를 활용할 수 있어 대량 생산에서 단가를 낮추기 쉽습니다. 스마트폰 카메라 시장이 커지면서 이 이점이 크게 작용했다고 설명할 수 있습니다.

이 네 가지에 더해 화질 격차가 줄어든 것도 중요합니다. 잡음을 낮추는 회로 기법과 빛 수집 효율을 높이는 구조가 쌓이면서, 일반 촬영 용도에서는 CMOS가 CCD의 자리를 넘겨받았습니다. 이렇게 CCD CMOS 차이가 단점에서 장점으로 뒤집힌 배경에는 한 가지가 아니라 여러 요인의 합이 있습니다.

CCD가 남긴 강점과 흔한 오해

CCD는 완전히 사라진 기술이다라는 단정은 정확하지 않습니다. 변환 특성의 균일함과 낮은 고정 패턴 잡음이 중요한 과학과 산업용 영상, 일부 특수 파장 영역의 센서에서는 CCD 계열 구조가 쓰이는 경우가 있습니다. 다만 일반 소비자용 카메라의 주류는 CMOS로 옮겨 갔습니다.

셔터 방식도 자주 비교됩니다. CCD의 인터라인 구조는 전하를 전송 레지스터로 한꺼번에 옮겨 모든 픽셀의 노광을 동시에 끝내는 전역 셔터(Global Shutter)에 가깝게 동작합니다.

일반적인 CMOS 센서는 행 단위로 순차 읽기를 하기 때문에 움직이는 물체가 기울어져 보이는 롤링 셔터(Rolling Shutter) 왜곡이 생길 수 있습니다. 이를 줄이려고 픽셀마다 전하를 임시로 보관하는 노드를 둔 전역 셔터 CMOS도 개발되어 있습니다.

두 센서 비교 표

구분	CCD	CMOS 이미지 센서
이동하는 것	전하를 전송 레지스터로 옮김	픽셀에서 만든 전압을 열로 보냄
전압 변환 위치	칩 가장자리의 출력단	픽셀 안의 증폭 트랜지스터
읽기 방식	픽셀을 직렬로 하나씩	행 선택 후 열 병렬로 한 행씩
전력과 구동	여러 상의 클록과 여러 구동 전압 필요	낮은 전압, 일반 CMOS 회로와 유사
집적도	ADC와 처리 회로는 칩 바깥	ADC, 타이밍, 처리 회로를 같은 칩에 집적 가능
셔터	인터라인 구조에서 전역 셔터에 유리	기본은 롤링 셔터, 전역 셔터는 추가 구조 필요
약점	전용 공정, 높은 구동 전력, 직렬 읽기의 속도 한계	픽셀 면적 손실, 픽셀 간 편차에서 오는 고정 패턴 잡음

핵심 정리

CCD CMOS 차이는 광전하를 모으는 방식이 아니라 읽어 내는 방식에서 나옵니다. CCD는 전하를 한 칸씩 옮겨 출력단 한곳에서 전압으로 바꾸고, CMOS는 픽셀 안에서 전압으로 바꿔 열 병렬로 읽습니다. 이 차이가 전력과 집적, 속도, 비용에서 CMOS의 이점으로 이어져 세대 교체가 일어났습니다.

놀이공원으로 돌아가면, CCD는 한 줄 대기열과 출구 하나가 만든 질서였고 CMOS는 구역별 출구가 만든 속도였습니다. 센서 사양서를 볼 때는 읽기 구조에 따라 셔터 방식과 프레임 레이트가 어떻게 달라지는지 함께 확인해 보시기 바랍니다. CCD가 모두 사라졌다는 식의 단순한 결론은 피하는 편이 정확합니다.

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