생활속의 디지틀 카메라

[생활속의 과학]디지털 카메라, 필름없이도 '찰칵' 이유가 궁금하다

광전효과·반도체기술 만나 이미지 센서인 CCD 개발 빛→전기→디지털화 시켜 인화과정없이 손쉽게 사용

디지털 카메라는 이제 디지털 시대의 필수품으로 자리잡았다. 활짝 핀 UCC(사용자 제작 콘텐츠) 세상도 디지털 카메라(디카)가 없다면 상상할 수 없다. 최근에는 디지털 카메라의 가격이 급속히 내려가면서 젊은 층의 새로운 문화아이콘으로 자리를 잡았다. 여기에 디카폰까지 가세하면서 바야흐로 1인 1 디지털 카메라 시대를 맞고 있다. 과거에 여유 있는 사람들의 고상한 취미생활로 여겨지던 사진 찍기는 이제 더 이상 소수만의 취미가 아닌 보통사람들의 생활의 일부가 되었다. 사진 없는 미니홈피는 그야말로 ‘앙꼬 없는’ 붕어빵이다. 순간을 영원으로 간직하려던 욕망에서 시작된 카메라 촬영이 이제는 귀찮은 칠판 강의 기록에까지 이용되고 있다. 일상의 사소한 것까지 기록하며 즐기는 디카족이 생겨나고, 인터넷엔 디카 관련 동호인 클럽이 셀 수 없을 정도로 넘쳐난다. ‘디지털 문화’의 주역, 디카의 역사와 구조, 과학적 원리를 살펴본다. ●디지털 카메라 시대의 개막 필름을 사용하지 않는 디지털 카메라의 선두 주자는 일본의 소니사다. 1981년 소니는 스틸비디오카메라(SVC) 방식의 전자식 카메라를 일부 보도분야의 사용을 전제로 개발했다. ‘마비카’라는 상품명으로 선보인 이 스틸비디오카메라는 필름 대신 플로피 디스크를 이용해 CCD 상의 영상 이미지를 아날로그 형태로 기록했다. 이 전자사진은 화질이 조악했으나 1984년 일본 언론이 로스앤젤레스 올림픽 대회를 이 카메라로 현장에서 즉석 전송하는 데 성공해 디지털 카메라의 실용화를 앞당겼다. 그후 아날로그 방식이 디지털 방식으로 바뀌어 1990년 최초의 디지털 카메라 다이캠(Dycam)이 선보였다. 376×240 해상도의 이 카메라는 32개의 화상을 저장할 수 있는 메모리 칩을 적재했다. 이어 도시바가 40만 화소의 MC200 카메라를 내놓았고, 코닥사는 니콘의 F3, 캐논의 EOS 카메라의 보디를 이용해 전자메모리를 장착한 전문가용 디지털 카메라 DCS시리즈를 개발했다. 그러나 가격이 비싸 기자 등 일부 전문가 그룹에서만 사용됐다. 최초의 보급형 모델은 1995년 일본 카시오사가 발매한 5만엔 대의 디지털카메라다. 현재 디지털 카메라는 수백만 화소급이 주종을 이루고 있으며 크기, 디자인, 화질, 제조사, 기능에 따라 수십, 수백 가지의 종류가 나오고 있다. 국내에서는 1993년 삼성테크윈이 1996년 국내 최초로 41만화소 3배줌 DSC인 SSC-410N의 상품화에 성공했다. 삼성테크윈은 2005년 일본 펜탁스사와 기술제휴로 렌즈교환 일안반사식(DSLR)카메라 시장에 진출, 최근 1000만 화소급의 최신 기종 GX-10을 출시했다 ●디카의 작동 원리와 이미지 센서의 특징 삼성테크윈 GX-10의 1000만 화소급 CCD 디지털 카메라는 정확히 말하면 디지털 전자 스틸 카메라다. 디카는 일반 카메라와 마찬가지로 전통적인 카메라 광학과 메커니즘을 이용한다. 구조 또한 일반 카메라와 거의 같다. 렌즈, 빛의 강도를 조절하는 조리개, 노출 시간을 조절하는 셔터, 본체로 구성된다. 일반 카메라가 은염 필름 면에 화학 반응을 일으켜 잠상을 형성시키는 대신 디카는 필림 대신 반도체부품인 이미지 센서를 이용한다. 필름도 없는 디카, 어떻게 기록될까. 피사체에서 반사된 빛이 렌즈를 거쳐 전자결합소자(CCD)나 상보성 금속산화물 반도체(CMOS)와 같은 이미지 센서(감광 소자)에 도달, 디지털 변환 회로를 통해 디지털신호로 처리해 이미지를 생성한다. 디카는 기존의 방식인 필름 대신 메모리에 저장해 필름현상과 인화과정을 거치지 않고 PC나 LCD를 통해 화면을 자유롭게 바꾸거나 재생할 수 있는 IT기기인 것이다. CCD(Charge-Coupled Device)는 쉽게 설명하면 빛을 전기로 변환시켜 판독될 수 있도록 만드는 장치라고 할 수 있다. CCD는 화소 수만큼 이미지 센서가 붙어 사각형 모양을 이루고 있다. 800만 화소일 경우 CCD안에 낱개의 이미지 센서 800만개가 바둑판 모양으로 붙어 있는 것이다. 그런데 이미지 센서는 색상을 인식하지 못한다. 이를 해결하기 위해 이미지 센서 위에 빛의 삼원색인 빨간색(R), 녹색(G), 파란색(B)의 컬러 필터를 붙여 놓았다. CCD는 각각의 센서 셀에서 R, G, B 가운데 하나의 명암 정보를 읽은 뒤 광센서로 구성된 수십 또는 수백만 개의 화소(픽셀)에 등록된다. CCD에 닿은 빛이 많을수록 전기량도 많아진다. CCD에서 나온 전기신호는 0과 1의 디지털 신호로 변환돼 정지영상압축(JPEG) 칩으로 보내진다. 압축 영상 데이터는 고체 상태인 메모리 장치에 저장된다. CCD는 반도체로 구성된 고밀도 고정밀도의 센서로서 고속으로 영상을 읽을 수 있다. 가벼우며 내충격성, 내후성이 우수하고, CMOS보다 노이즈가 적은 반면 기격이 비싸고 주변 회로가 복잡하다. CCD는 1970년 미국 벨 연구소의 조지 스미스와 윌리엄 보일이 개발했다. 오늘날 CCD는 디지털 카메라 외에도 방송용 고밀도 TV, 팩스기, 복사기 등 다양한 분야에 사용되고 있다. CMOS는 CCD와 다르게 컬러 필터 없이 빛을 영상신호로 처리하는 게 강점이다. 제조 공정이 단순하나 정밀한 표현력이 떨어진다. 그러나 각 필터마다 증폭회로가 내장돼 있어 저장 속도 가 매우 빠르다. 이런 이유로 일부 고급 DSCR 카메라는 CCD 대신 CMOS를 사용하기도 한다. 일반적으로 저화소에는 CMOS가, 그리고 고화소에는 CCD센서가 주로 사용된다. 캠 카메라나 폰 카메라는 CMOS가 내장돼 있다. ●정보기술(IT)과 과학의 만남 아인슈타인이 상대성이론으로 노벨물리학상을 받은 줄로 아는 사람들이 많은데, 사실이 아니다. 아인슈타인은 1905년 브라운운동, 광전효과, (특수)상대성이론 등 세 편의 논문을 발표했으며, 1921년 ‘광전효과 이론’으로 노벨물리학상을 받았다. 광전효과는 금속에 전자기파(빛)를 쪼였을 때 금속의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상을 말한다. 아인슈타인은 빛을 플랑크 양자가설에 따른 에너지(h)를 가진 덩어리, 즉 광양자라고 보았다. 빛을 쪼이면 금속의 전자는 광양자와 충돌하여 광양자 한 개의 에너지를 흡수하면서 순간적으로 방출된다. 이때 광양자가 가진 에너지가 일함수보다 크면 빛의 세기와 상관없이 광전자가 방출된다는 것이다. 광전효과는 실생활에 많은 부분이 응용되고 있다. 1905년 아인슈타인이 주장했던 광전효과와 반도체 기술이 결합되어 만들어진 대표적 IT제품이 바로 디지털 카메라다. 디지털 카메라의 이미지 센서는 광전효과로 방출된 전자의 수를 측정해 영상신호로 기록한다. 강민영 기자 mykang@sportsworldi.com 〈도움말=삼성테크윈, 한국과학기술정보연구원〉