카메라 센서의 모든 것: EMCCD·CMOS·BI sCMOS의 원리부터 한계까지 ②
과학 이미징 기술은 이제 단순한 기록의 도구를 넘어, 보이지 않던 것을 보여주고 연구의 정밀도와 효율성을 비약적으로 향상시키는 핵심 수단으로 자리잡고 있다. 본지는 지난 호에서 CCD 센서의 특성과 활용 가능성에 대해 다룬 바 있으며, 이번 호에서는 그 연재의 두 번째 편으로 EMCCD, CMOS, 역조사형 sCMOS 등 나머지 주요 이미지 센서 기술을 집중 조명한다.
EMCCD: 미세 신호를 잡아내는 과학 이미징의 진화
EMCCD(Electron-Multiplying CCD, 전자 증폭형 CCD)는 2000년 Photometrics가 ‘Cascade 650’을 발표하면서 과학 이미징 분야에 처음 모습을 드러냈다. EMCCD는 기존 CCD보다 훨씬 빠르고 민감한 이미징을 제공해 특히 저조도 환경이나 광자 단위의 신호 감지에서 강력한 성능을 발휘했다.
EMCCD 카메라는 역조사형(back-illuminated) 구조를 채택해 양자 효율(QE)을 약 90%까지 끌어올렸으며, 16~24㎛에 이르는 대형 픽셀을 사용해 감도를 크게 향상시켰다. 그러나 무엇보다 중요한 혁신은 이름 그대로 전자 증폭(Electron Multiplication, EM) 기능이었다.
EMCCD의 동작 원리
EMCCD의 기본 구조는 프레임 전송형 CCD와 유사하다. 전자는 이미지 배열에서 마스크 배열을 거쳐 판독 레지스터로 이동 한다. 그러나 EMCCD에서는 이 과정에 ‘EM 게인 레지스터(EM Gain Register)’가 추가된다. 이 레지스터는 충격 이온화(Impact Ionisation) 방식을 통해 실리콘센서 내부에서 추가 전자를 방출시켜 신호를 증폭한다.
이 증폭 과정은 단계별로 진행되며, 사용자는 1~1000배 사이의 증폭 값을 설정할 수 있다. 예를 들어, 5개의 전자를 감지한 경우 EM 게인을 200으로 설정하면 최종 출력 노드에 도달하는 신호는 1000전자로 증폭된다. 이를 통해 EMCCD는 극도로 작은 신호도 잡아낼 수 있으며, 광자 수준의 미세 신호를 안정적으로 측정할 수 있다.
<그림1> EMCCD 센서의 작동 원리. 광자가 픽셀에 도달하면 전자로 변환되고, 이는 센서를 따라 판독 레지스터로 이동한다. 이후 EM 게인 레지스터에서 신호가 증폭된 뒤 출력 노드로 전달되며, 여기서 전압으로 변환되고 다시 그레이 레벨로 처리돼 PC 화면에 표시된다.
EMCCD의 성과와 한계
EMCCD는 기존 CCD보다 훨씬 뛰어난 감도와 속도를 확보했다. CCD가 판독 잡음을 줄이기 위해 전자를 느리게 이동시키는 것과 달리, EMCCD는 증폭된 신호를 통해 판독 잡음의 영향을 사실상 제거했다. 덕분에 전체 프레임 기준 초당 30~100fps에 달하는 고속 이미징이 가능했다.
하지만 동시에 한계도 뚜렷하다. △EM 게인 감쇠(높은 게인 사용시 실리콘 내부에 전하가 축적돼 증폭 효과가 점차 감소) △과잉 잡음 요인(광자의 무작위 도달과 증폭 과정의 불확실성으로 인해 전체 노이즈가 약 1.4배 증가) △해상도·시야 한계(대형 픽셀 구조 탓에 해상도가 낮고 센서 크기도 작아 시야가 제한적) △높은 비용(여전히 과학 카메라 중 최고가에 속함) 등이 대표적이다.
CMOS: 병렬화로 구현한 과학 이미징의 표준
CMOS는 2009년 이후 과학 이미징에 본격 도입됐으며, 이때부터 CCD를 대체할 수준의 성능을 발휘하기 시작했다. 흔히 ‘sCMOS(Scientific CMOS)’라 불린다.
CMOS의 동작 원리
CMOS 센서의 각 픽셀에는 축전기와 증폭기가 내장돼 있다. 광자가 픽셀에 도달하면 전자로 변환되고, 이 전자는 픽셀 내에서 즉시 전압으로 변환된다. 즉, 신호가 픽셀 단에서 바로 읽을 수 있는 형태로 바뀌는 것이다.
또한 CMOS 센서에는 컬럼(column)마다 ADC(아날로그-디지털 변환기)가 탑재돼 있어 CCD나 EMCCD가 센서 전체를 단일 ADC로 읽어야 하는 것과 달리, 각 ADC는 훨씬 적은 데이터를 빠르게 처리할 수 있다.
이러한 구조적 장점 덕분에 CMOS 센서는 병렬 처리로 데이터를 고속으로 전송할 수 있으며, CCD/EMCCD에 비해 훨씬 낮은 판독 잡음을 구현할 수 있다. 전자를 잠재적 최대 속도보다 훨씬 느리게 이동시킴으로써 잡음을 줄였기 때문에, CMOS는 저조도 이미징, 약한 형광 신호 검출, 생세포(live cell) 관찰과 같은 정밀 과학 연구에 적합하다.
<그림2> CMOS 센서의 작동 원리. 광자가 픽셀에 도달하면 전자로 변환되고, 이어 픽셀 내에서 즉시 전압으로 변환된다. 각 컬럼은 개별 ADC를 통해 별도로 판독되며, 이후 PC 화면에 표시된다.
CMOS의 성과와 한계
CMOS 센서는 과학 이미징 분야를 넘어 상업용 이미징 산업 전반으로 빠르게 확산됐다. 오늘날 대부분의 스마트폰 카메라, 디지털 카메라, 각종 이미징 장비가 모두 CMOS 센서를 기반으로 하고 있다. 이로 인해 CMOS는 제조가 용이하고 비용이 저렴해졌으며, 과학용 sCMOS 카메라에도 대형 센서를 탑재할 수 있게 되었다.
그 결과 CCD나 EMCCD보다 훨씬 넓은 시야(Field of View)를 확보할 수 있으며, 일부 sCMOS 카메라는 현미경에서 생성되는 모든 정보를 한 번에 담아낼 수 있을 정도다. 하지만 초기 sCMOS 카메라는 여전히 민감도 면에서 EMCCD에못 미쳤다. 전자 증폭 기능이 없었던 탓에 극저조도 환경이나 광자 단위 감지에서는 EMCCD가 우세했다.
또한 초기 제품들은 전면 조사형(Front-Illuminated) 구조로 인해 QE가 70~80%에 머물렀다. 일부 모델은 고속화를 위해 센서를 좌우로 분할(Split Sensor)했는데, 이로 인해 패턴 노이즈와 아티팩트가 발생해 저조도 조건에서 신호 간섭이 나타났다.
<그림3> 카메라 감도 비교. 초기 CMOS는 낮은 판독 잡음 덕분에 CCD보다 훨씬 높은 감도를 보였지만, 판독 잡음을 거의 제거한 EMCCD의 성능에는 미치지 못했다.
<그림4> 분할 센서 기반 sCMOS 패턴과 아티팩트. 초기 CMOS는 CCD보다 감도가 뛰어났으나, 판독 잡음을 사실상 제거한 EMCCD와 비교하면 한계가 있었다.
Back-Illuminated sCMOS: 감도를 비약적으로 높인 차세대 솔루션
2016년, Photometrics는 최초의 역조사형(Back-Illuminated, BI) sCMOS 카메라 ‘Prime 95B’를 출시했다. BI sCMOS는 초기 전면 조사형 sCMOS의 민감도 한계를 크게 개선하면서도, CMOS 특유의 장점인 고속 처리와 넓은 시야를 그대로 유지했다. 역조사 구조 덕분에 BI sCMOS는 단일 센서 설계와 다양한 픽셀 크기 옵션, 더 깨끗한 배경 이미징까지 제공하며 사실상 올인원 이미징 솔루션으로 자리매김했다.
BI sCMOS의 동작 원리
역조사형 구조는 광자가 센서에 도달하는 방식 자체를 바꿔, 자외선(UV)부터 적외선(IR)에 이르는 광대역 영역에서 카메라의 양자 효율을 크게 향상시킨다. 이는 기존 전면 조사형 센서와 BI 센서의 성능 차이를 극명하게 보여주는 요소다.
<그림5> 전면 조사형과 역조사형 카메라 센서 비교. 전면 조사형 센서는 빛이 마이크로 렌즈, 배선, 전자회로 등을 거쳐야 광검출기에 도달한다. 반면, 역조사형 센서는 센서를 뒤집은 구조로 설계돼 빛이 바로 광검출기에 도달할 수 있다.
BI sCMOS의 성과와 한계
전면 조사형 카메라 센서에서는 빛이 픽셀에 도달하기 전 마이크 로렌즈, 배선, 전자회로 등을 통과해야 한다. 이 과정에서 일부 빛이 산란되며, 결과적으로 양자 효율(QE)은 제한적이다. 반면, 역조사형 구조는 이러한 한계를 극복해 민감도를 두 배 가까이 끌어올렸으며, 1000nm 이상 영역에서도 성능이 개선됐다. 또한 마이크로렌즈가 필요 없어지면서 200~400nm 영역의 자외선(UV) 이미징까지 가능해졌다.
이러한 성능 개선 덕분에 BI sCMOS는 FI sCMOS 대비 신호 수집 능력이 월등히 향상됐으며, 패턴이나 아티팩트가 사라진 깨끗한 배경 이미징을 제공한다. 낮은 판독 잡음까지 더해지면서 BI sCMOS는 민감도 측면에서 EMCCD에 필적하거나 이를 능가하 며, 이미 속도·해상도·시야(Field of View) 측면에서는 우위를 점하고 있다.
그러나 BI sCMOS에도 여전히 해결해야 할 과제가 존재한다. △ 복잡한 제조 공정(공정 난도가 높아 생산 단가 상승) △파장대별 최적화(실리콘 두께 조절에 따른 성능 편차 가능성) △발열 문제 (대형 센서와 높은 QE 성능으로 인한 열 발생) △높은 가격대(일반 실험실에서는 여전히 부담되는 수준) 등이 대표적이다.
자료제공: Teledyne(www.teledynevisionsolutions.com)
