CMOS 이미지 센서에서 노이즈가 발생하는 구조를 정확히 이해하는 것은 디지털 카메라 화질의 본질을 파악하는 데 있어 매우 중요합니다. 왜 고감도 촬영 시 거친 노이즈가 나타나는 걸까요? 그 해답은 센서 내부에서 일어나는 물리적 현상에 있습니다.
본 기사에서는 CMOS 이미지 센서 내부에서 발생하는 노이즈의 종류와 원인을 4Tr 화소 구조와 신호 처리 흐름에 따라 체계적으로 설명합니다.
CCMOS 이미지 센서의 기본 구조와 신호 흐름
CMOS 이미지 센서의 1개 화소는 주로 다음과 같은 요소로 구성됩니다.
- 포토다이오드(PD): 빛을 전하(전자)로 변환
- 전송 게이트(Transfer Gate): 전하를 이동시키는 역할
- 플로팅 디퓨전(FD): 전하를 전압으로 변환하는 ‘버킷’
- 증폭 트랜지스터: 신호를 증폭하여 출력
노이즈는 이 일련의 신호 흐름 모든 단계에서 발생합니다.
중요한 점은 노이즈의 종류마다 발생 위치와 지배 조건이 서로 다르다는 것입니다.
1. 샷 노이즈 | 빛 자체가 가지는 물리적 한계
샷 노이즈는 광자가 통계적으로 무작위로 도달하기 때문에 발생하는 노이즈입니다.
빛은 연속적인 양이 아니라 입자(광자) 이므로, 동일한 조도 조건에서도 포토다이오드에 도달하는 광자 수에는 반드시 변동이 생깁니다. 이 변동은 포아송 분포를 따르며, 노이즈의 크기는 신호량(광자 수)의 제곱근에 비례합니다.
특징
- 광량이 많아질수록 노이즈의 절대량은 증가
- 그러나 상대적인 S/N 비는 향상됨
대책
- 물리 법칙에 기인하므로 회로적 방법으로 제거하는 것은 불가능
- 화소 크기를 키워 수광량 자체를 늘리는 것이 유일한 물리적 해결책
Physical Mechanism of Shot Noise
- Poisson Distribution: Light particles (photons) arrive at random intervals.
- The Paradox: More light means more total noise, but less noise relative to the signal.
- The Solution: Increasing pixel size (full-well capacity) to collect more photons is the only physical fix.
2. 암전류 노이즈 | “아무것도 촬영하지 않아도” 발생하는 열 잡음
암전류 노이즈는 빛이 입사되지 않은 상태에서도 포토다이오드 내부에서 생성되는 전하에 의해 발생합니다.
이는 실리콘 결정의 결함 부근에서 열 에너지에 의해 전자가 자발적으로 방출되기 때문이며, 일반적으로 온도가 약 8°C 상승할 때마다 암전류는 2배로 증가한다고 알려져 있습니다.
암전류 쇼트 노이즈: 암전류의 통계적 ‘요동’이 노이즈 성분으로 남게 됩니다.
대책: 센서를 냉각하거나, 실리콘 표면 결함을 억제하는 매립형 포토다이오드(Buried Photodiode) 기술이 사용됩니다.
Mechanism of Dark Current Noise
- Thermal Generation: Heat energy kicks electrons out of the silicon lattice into the photodiode.
- Shot Noise of Dark Current: The random arrival of these “unwanted” electrons creates grain even in pitch black.
- Countermeasures: Pinned Photodiode (PPD) structures and cooling systems are essential for long exposures.
3. kTC 노이즈(리셋 노이즈)｜전하 리셋 시의 전압 변동
kTC 노이즈는 신호를 읽어내기 전에 **플로팅 디퓨전(Floating Diffusion, FD)**의 전위를 리셋하는 과정에서 발생하는 열잡음입니다.
FD는 콘덴서(정전용량)의 역할을 수행하는데, 리셋 동작 시 열적 요동(thermal fluctuation)에 의해 전압에 미세한 오차가 발생합니다.
대책: CMOS 이미지 센서에서는 상관 이중 샘플링(Correlated Double Sampling, CDS) 기법을 사용합니다.
리셋 직후의 전압과 신호 전하가 전송된 후의 전압 간의 차분을 취함으로써, 이 노이즈를 이론적으로 상쇄합니다.
4. 판독 노이즈(리드 노이즈)｜저조도 화질을 지배하는 한계
판독 노이즈(Read Noise)는 전하를 전압으로 변환하고, 이를 증폭 및 디지털화(A/D 변환)하는 과정에서 혼입되는 노이즈의 총칭입니다.
주로 증폭 앰프와 **ADC(아날로그-디지털 변환기)**에서 기인합니다.
저조도 환경에서는 원래의 신호 전하 자체가 극히 적기 때문에, 이 판독 노이즈의 크기가 최종 화질의 한계를 결정하게 됩니다.
최근의 후면조사형(BSI) 및 적층형(Stacked) 구조는 이러한 노이즈를 극한까지 저감하기 위해 진화해 왔습니다.
5. 고정 패턴 노이즈(FPN)｜픽셀마다 존재하는 ‘개성’
고정 패턴 노이즈(Fixed Pattern Noise, FPN)는 랜덤하게 변화하는 노이즈가 아니라,
화면의 특정 위치에 항상 동일한 형태로 나타나는 노이즈입니다.
원인:
픽셀마다 존재하는 증폭 앰프의 이득(증폭률) 미세 편차 등이 주요 원인입니다.
보이는 형태:
화면에 세로 줄무늬나 **점 형태(핫 픽셀)**로 나타납니다.
대책:
출하 시 수행되는 캘리브레이션이나,
이미지 처리 엔진에 의한 보정 처리를 통해 제거됩니다.
6. 최신 기술: 노이즈를 제어하는 ‘듀얼 컨버전 게인(DCG)’
최근의 고성능 이미지 센서에는 듀얼 컨버전 게인(Dual Conversion Gain, DCG) 기술이 탑재되어 있습니다.
이는 입사되는 광량에 따라 플로팅 디퓨전(FD)의 용량을 전환하는 메커니즘입니다.
밝은 환경:
FD 용량을 크게 설정하여 포화(화이트 클리핑)를 방지합니다.
어두운 환경:
FD 용량을 작게 설정하여 전압 변환 효율을 높임으로써,
읽기 노이즈를 상대적으로 억제합니다.
- CCMOS 이미지 센서의 기본 구조와 신호 흐름
- 1. 샷 노이즈 | 빛 자체가 가지는 물리적 한계
- Physical Mechanism of Shot Noise
- 2. 암전류 노이즈 | “아무것도 촬영하지 않아도” 발생하는 열 잡음
- Mechanism of Dark Current Noise
- 3. kTC 노이즈(리셋 노이즈)｜전하 리셋 시의 전압 변동
- 4. 판독 노이즈(리드 노이즈)｜저조도 화질을 지배하는 한계
- 5. 고정 패턴 노이즈(FPN)｜픽셀마다 존재하는 ‘개성’
- 6. 최신 기술: 노이즈를 제어하는 ‘듀얼 컨버전 게인(DCG)’
- 정리｜노이즈 종류와 특징 일람
정리｜노이즈 종류와 특징 일람
| 노이즈 명칭 | 발생원 | 주요 원인 | 대책 |
|---|---|---|---|
| 쇼트 노이즈 (Shot Noise) | 광자 | 빛의 입자성에 따른 통계적 변동 | 화소 크기 확대 |
| 암전류 노이즈 (Dark Current Noise) | 포토다이오드 | 열 에너지, 결정 결함 | 센서 냉각, 공정 개선 |
| kTC 노이즈 (리셋 노이즈) | FD 리셋 | 전하 리셋 시 발생하는 열 잡음 | CDS(상관 이중 샘플링) |
| 읽기 노이즈 (Read Noise) | 증폭·ADC | 회로 설계, ADC 정밀도 | 저노이즈 앰프, 적층 구조 |
CMOS 이미지 센서의 노이즈는 빛, 재료, 회로라는 여러 요소가 겹쳐서 발생합니다.
이러한 메커니즘을 이해하면, 스펙 시트의 숫자만으로는 알 수 없는 **‘진정한 센서 성능’**을 판단할 수 있게 됩니다.
외부 링크 (참고 문헌)
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