박세환 한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 전문연구위원

"키워드 : CMOS, 카메라 모듈, CCTV시스템, 고해상도 카메라, 커넥티드 사회, 스마트 홈, CCD 카메라, 액체 렌즈, 이미지 센서, FPGA"

서언

CMOS 타입의 카메라 모듈의 제품과 수요산업이 빠르게 확대되면서 2015년 글로벌 시장규모는 약 20억개를 넘어설 것으로 전망되고 있다.

최근 CCTV용 카메라 모듈의 서브카메라 탑재비율이 빠르게 증가하면서 관련 카메라 모듈의 수요는 CCTV 시스템의 출하대수 규모를 넘어서고 있다.

아울러 1.3~3.0메가픽셀급의 고해상도 카메라 모듈이 장착되면서 고화소 경쟁이 심화되고 있다.

이와 함께 스마트폰 및 태블릿PC 등 스마트 미디어기기의 시장 확대도 카메라 수요증가를 견인하고 있다. 새롭게 주목되는 시장은 차량용 카메라로 휴대폰에 이어 새로운 시장으로 성장하고 있다.

카메라 모듈은 첨단 통신기술과 접목돼 향후 지속적으로 다양한 산업에 영상기반 서비스를 제공하면서 커넥티드 사회(Connected society)의 핵심 부품으로 자리 잡을 것으로 예상된다. CMOS 타입 카메라 모듈의 응용분야 및 시장규모를 간단히 요약하면 다음과 같다.

- CCTV 및 영상회의 분야의 경우 전세계적으로 강력 범죄와 테러가 증가하면서 2016년 2050억달러 규모까지 성장할 것으로 전망되고 있다.

- 차량의 블랙박스 및 ADAS(Advanced Driver Assistance System: 운전보조장치 : 첨단 감지센서와 지능형 영상장비를 통해 주행 중인 자동차의 충돌예방, 차선이탈경보, 사각지대 감시, 향상된 후방감시, 운전자 상태감시 등과 아울러 자동주차 지원 등의 기능을 할 수 있는 운전보조장치를 의미임) 시스템 등에도 폭 넓게 응용되고 있으며 수년 내에 약 10개 이상의 카메라모듈이 장착될 것으로 예상하고 있다.

- 의료분야에서는 내시경 등의 영상장비 및 U-헬스 정착을 위한 원격진료 시장의 성장으로 카메라 적용이 확대되고 있다.

- 스마트 홈(Smart home) 구축을 위해 로봇청소기, 스마트TV 및 냉장고 등 스마트가전 분야에도 적용이 확대될 것으로 예상된다.(본격적인 성장이 예측되는 서비스로봇 시장은 새로운 거대시장의 출현을 예고하고 있음)

- 전세계적인 스마트워크 보급정책 등에 힘입어 영상회의 시장도 확대가 예상되고 있다.

- 기타 산업용, 군사용 및 항공우주 산업 등에서 특수 카메라의 수요도 꾸준히 확대되고 있다. 

더불어 CCD(Charge-Coupled Device) 카메라는 빛을 전기로 변환시켜 판독하는 디바이스로서 CCD에서 변환된 전기는 ADC(Analog-Digital Converter)를 거쳐서 디지털화되고 이것을 처리해 디지털 이미지를 생성한다.

이 점에서 CMOS 타입의 카메라 모듈과 다르다고 볼 수 있다.(CCD 모듈에는 무수히 많은 집광장치가 배열돼 있으며 이들이 하나의 화소를 형성하고 있다. 즉, 300만 화소급 디지털 카메라라면 그 카메라에 내장된 CCD 모듈에 300만개의 집광장치가 있다는 의미임) CCD 자체 모듈로는 색상을 구분하지 못하고 명암만을 판별할 수 있기 때문에 CCD 모듈에 컬러필터(Color filter)를 장착하게 되며 컬러필터 종류에 따라 CCD를 원색계 및 보색계로 분류하기도 한다.

이 연구에서는 CCTV 카메라 모듈을 구성하고 있는 랜즈 및 랜즈의 과역화, 방향제어, 수요가 가장 많은 CMOS 카메라의 화소 관련 이슈 등 관련 기술동향과 아울러 CCTV 카메라 모듈 시장동향에 대해 설명한다. 

[그림 1.] 액체 랜즈의 원리

 CCTV 카메라 모듈 기술동향 

랜즈 기술동향

액체 렌즈 활용 카메라 모듈 기술 = 사람의 눈과 유사한 액체 렌즈를 응용한 CCTV 카메라 모듈의 신기술로 대두되고 있다. 이 원리는 액체 렌즈를 통해 CCTV 주변의 가까운 물체를 촬영할 때는 액체 표면을 볼록하게 하고 먼 거리의 물체를 촬영할 때는 액체가 옆으로 펴지게 하는 원리를 응용한 것이다.(사람이 가까운 거리를 볼 때는 수정체를 붙잡고 있는 근육이 느슨해지면서 수정체를 두껍게 만들게 되며 먼 거리를 볼 때는 근육이 잡아당겨져 수정체를 얇게 만드는 원리임) 액체 랜즈의 원리를 [그림1]에 나타낸다.

WDR(Wide Dynamic Range) 기술 = 촬영하고자 하는 피사체에 광대역 조도가 분포돼 있는 경우 사람의 눈은 넓은 범위의 조도를 영상화할 수 있지만 영상 센서는 그 중 일부 영역만을 영상화할 수 있다. 반면 센서 로봇은 인공 눈을 통해 약 40~50dB의 조도 차이에서 원하는 영상을 얻을 수 있다.

그 이상의 조도차이에서는 원하는 수준의 영상을 얻을 수 없다. 이에 대한 해결방법으로 CCD 이미지 센서 내에 알고리즘을 설계해 조도차이를 어느 정도 극복하고 있으나 완벽한 와이드 래인지(Wide range) 수준에 도달하기 위해서는 좀 더 시일이 걸릴 것으로 보인다. WDR을 구현하기 위해서는 다음과 같은 기술이 구체화돼야 한다. 

- 멀티플 캡처(Multiple Capture) : 노출이 다른 다수 영상을 결합하는 방법으로 비교적 결합품질이 우수하나 최대 프레임 전송속도를 60fps 이상 필요로 하기 때문에 별도의 프레임 버퍼가 필요하고 반응속도가 다소 느린 단점이 있다.(센서 자체의 변경을 요구하지 않아 구현하기는 쉽지만 센서의 감도를 저하시킴으로써 고조도에 대해서만 대역폭을 확장시킬 수 있고 고해상도를 갖는 센서가 필요해 가격상승 요인이 있음)

- 충전용량 조정(Well Capacity Adjusting) : 충전용량을 노출 중에 단계별로 조정하는 방법으로 노출 중에 리셋 신호를 제어하는 것으로 구현할 수 있으나 잡음이 유발되는 단점이 있다.

- 타임 투 새처래이션(Time-to-Saturation) : 각 셀이 포화수준에 도달할 때까지의 시간을 측정하는 방법으로서 이를 위해 각 픽셀의 포화상태를 감지해 그 시간을 측정해야하기 때문에 구현하기에 다소 어려움이 있다.