캐논 DSLR 센서가 최악으로 평가받는 이유

▲캐논의 최신 70D 센서

Fab(반도체 공장)은 전자 제품의 기초입니다. Fab의 중요성은 실리콘 벨리의 카우보이였던 제리 샌더스가 남긴 이 말만 봐도 알 수 있지요. 

"진짜 사나이라면 Fab가 있어야 한다" 아, 참고로 제리 샌더스는 AMD를 만든 사람입니다.

 

 

반도체 공장(Fab)의 투자는 최소 10억 달러이상이 들어가는 막대한 투자로 강력한 힘이 필요합니다. 

 

하지만 Fab는 경쟁에서 이기는 데 도와주는 조건일 뿐, 필수 조건은 아닙니다. Fab가 꼭 있어야 하던 시절은 이미 지났습니다. 이미지 반도체업계의 최고였던 캐논은 최근 이 부분에서 상당한 어려움을 겪고 있습니다. 최근 chipworks가 발표한 센서 관련 데이터를 보면, CMOS 센서를 자체 생산해왔던 업계1위 캐논이, CMOS센서 반도체 제조공정을 보면 상당히 오랜기간 동안 500nm 선폭에 머물러 있다는 것을 알 수 있습니다. Fab이 없는 니콘이나 라이카는 이미 180nm 와 110nm로 올라간 지 오래됐습니다. 캐논 500나노, 니콘 180나노, 라이카 110나노입니다. 컴퓨터에 들어가는 칩하고는 공정 세대가 좀 많이 차이나죠?

 

시중 10개의 풀프레임 카메라센서를 분석해본 결과 캐논은 2005년 선보인 구식의 500nm 제조공정을 쓰고있었다.

가장 인기있었던 캐논 5D 센서를 살펴보면 2005년 출시당시 500nm공정

후속작 5D Mark II도 2008년 출시당시 500nm공정

후속작 5D Mark III도 2012년 출시당시 500nm 공정으로

캐논의 플래그쉽 1D X도 여전한 500nm 공정이다.

 

캐논DSLR은 7년동안 동일한 반도체공정으로 제작되어 왔다는걸 알 수 있다.

낙후된 구식 제조공정 때문에 캐논의 풀프레임 센서 픽셀크기는 6미크론 수준에 머무르고 있습니다. 니콘은 이미 4.75미크론까지 줄었습니다. 

이 숫자 뒤에는 무엇이 숨겨져 있을까요?  이것이 캐논의 카메라 산업에 얼마나 큰 영향을 미칠까요? 

오늘 캐논 디지털 카메라와 캐논 센서 반도체 공장에 어떤 일이 있는지 알아보도록 합시다.

 

반도체 제조 공정이 디지털 카메라에 어떤 영향을 주는가?

 

우리에게 익숙한 CPU나 GPU와 다르게, 디지털 카메라에 들어가는 CMOS나 CCD 센서는 제조공정의 발전적 혜택을 보기가 매우 어렵습니다. 

CPU, GPU에선 이런 이야기가 통합니다. 성능이 2배로 늘어나고 전력사용량이 1/2배로 줄어든다. 무어의 법칙이지요. 

그러나 무어의 법칙은 이미지센서 분야에선 통하지 않습니다.

 

디지털 카메라 센서의 픽셀 크기는 500nm-5미크론 정도에 머무르고 있습니다. 고감도 성능은 더 높은 정밀도의 고성능의 아날로그-디지털 전환기(AD)의 개선을 통해 이루어지고 있지요. 반도체 공정 개선을 거친 회로와 센서 위의 픽셀은 1대 1 대응되는 관계가 아닙니다. 성능, 전력 사용량 역시 그리 큰 변화가 생기기 어렵지요. 

이런 이유로 캐논의 구식의 반도체 제조 공정 기술이 아직까직 끈질기게 살아남은 이유이기도 합니다.

CPU나 GPU에서 저런 구식의 반도체기술로 연명하다간 금새 파산하기 쉽죠.

 

 

따라서 많은 캐논빠? 캐논매니아들은 자연스럽게 이런 결론을 내게 됩니다. 

캐논의 제조공정이 뒤떨어진 게 무슨문제냐고? 

이런 대답이 과연 현실성있는 걸까요? 이 점에 대해 알아보도록 합시다.

 

DXOmark(http://www.dxomark.com/)에서 지금 출시된 대부분의 센서와 렌즈에 대해 테스트해서 결과를 정리해 둔 것을 보면, 객관적으로 각종 센서의 성능을 비교해 볼 수 있습니다. 여기서는 DXOmark의 데이터를 가지고 비교해 보도록 하겠습니다.

 

여기서 주의해야 할 것은, DXOmark의 기준 값이 사진원본으로 비교한 건 아니라는 겁니다. 과거 제품때문에 800만 화소로 동일하게 비교하고 있습니다.

 

 

위 그림에서 캐논 5D을 보면 아시겠지만, 5D 시리즈는 한단계 한단계씩 고감도 성능을 높여오고 있습니다. 

이것은 제조공정이 변하지 않아도 화소빨로 고감도 성능을 조금이라도 향상이 가능하다는것을  의미합니다. 아주 최소한범위 안에서는 말입니다.

제품	센서 제조공정	화소수	픽셀크기	출시일
캐논 5D	500나노	1280만	8.3 미크론	2005년 8월
캐논 5D Mark II	500나노	2110만	6.4 미크론	2008년 9월
캐논 5D Mark III	500나노	2230만	6.2 미크론	2012년 3월
캐논 5D Mark IV	500나노예상			2015년 여름(?)

 

직접적인 비교는 힘들지만 참고로 500나노가 반도체업계에서 언제쩍시절이냐면

1994년 인텔이 펜티엄1 MMX 66Mhz ~ 100Mhz CPU제품을 내놓았을 때 쓰던 공정은 350나노였습니다. 

2015년기준으로 소니와 삼성은 65나노공정을 통해 이미지센서를 제작하고있습니다.

본론으로 돌아와

물론, DXOmark의 데이터를 자세히 보면 아시겠지만, 5D Mark II와 5D Mark III에서 넘어갈 때 Color Depth의 변화는, 5D에서 5D Mark II  건너갈 때의 발전만큼 크지 않다는 것을 알 수 있습니다. 

다이나믹 레인지의 경우 심지어5D Mark III가 5D Mark II보다 오히려 떨어지기도 합니다. 500nm 제조공정의 밑천이 드디어 다 드러난 것일까요? 

경쟁자 니콘제품과 비교를 해보면 니콘 이전 세대 플래그쉽인 D3X는 250nm 공정을 쓰며, 최신 보급형 풀프레임인 D600은 180nm를 씁니다. 

반도체 공정만 놓고 보면 캐논의 500nm 공정보다 3세대 정도 앞선 것입니다.

 

 데이터를 보면 아시겠지만 픽셀 수가 비슷하다는 전제 조건 하에, 2012년에 출시된 캐논의 최신형 바디인 5D Mark III는 2008년에 출시된 니콘 D3X보다 고감도 성능이 조금 뛰어날 뿐, 다이나믹 레인지와 컬러뎁스는 완전히 패배했습니다. 캐논 5D Mark III와 같은 2012년에 출시된 니콘의 보급형 풀프레임인 D600의 경우 5D Mark III와 D3X를 모두 압도하고 있습니다. 디지털카메라 특성상 화질이라는것은 센서성능이 좌우하며 센서성능은 반도체 제조공정의 영향이 크다는 이야기입니다.

 

 

핵심 요소 중의 핵심. 마이크로 렌즈

 

전통적인 필름 카메라는 단순한 화학 반응을 통해 감광을 실현합니다. 감광 부분은 평평한 평면이며, 입사된 광선이 필름 표면에 반사되서 일부 빛을 잃긴 하지만, 

대부분의 빛을 활용할 수 있습니다. 그러나 CCD나 CMOS 센서의 원리와 구조는 그보다 훨씬 복잡합니다. 픽셀의 실제 개념은 최소 감광 유닛을 가리키는 것일 뿐입니다. 디지털 카메라의 센서위에 있는 각각의 감광유닛은 매우 복잡한 구조를 지니고 있습니다. 깊은 우물 같다고 해야 할까요. 

 

센서를 측면에서 보면 대략 이렇습니다.

 

센서를 옆에서 잘라 보면 깊은우물같은 구조를 하고 있습니다. 입사광은 마이크로 렌즈를 통해 모아지며, 단색 필터를 통과한 다음, 그 후에야 비로소 화소에 들어가게 됩니다. D4의 센서를 보면 이 과정의 길이는 9.6미크론이고,  D800은 7미크론밖에 안됩니다. 

 

이걸 보시면 아시겠지만, 센서 표면의 상당 부분이 감광에 참여하지 않습니다. 또 센서 역시 필름과 마찬가지로 표면 반사를 지니고 있으며 여기에 내부 회로 저항 때문에 입사광의 효율은 40% 수준으로 떨어지게 됩니다. 입사광의 효율을 높이는 것이 센서 제조사들의 목표이며, 빛의 이용율을 높이면 컬러 뎁스, 다이나믹 레인지, 고감도 성능이 모두 향상됩니다. 

(최근 후지필름은 빛의 입사광을 향상시킨유기CMOS센서를 개발하였는데 파나소닉 반도체에서 생산되며 파나소닉의 마포그룹은 앞으로 후지의 유기센서를 쓸 예정입니다.) 

참조

2013/06/12 - 후지필름 유기CMOS 이미지센서 개발

▲빨간색 테두리로 표시한 것이 화소의 진짜 크기입니다.

 

지금 Chipworks는 니콘 D4의 센서를 예로 들어서 설명하고 있는데요. 픽셀-화소라고 표시한 빨간색 정사각형이 CMOS에서 감광-빛을 받아 반응하는- 구역입니다. 

그 주변에 있는 T1, VSS 이런 것들은 모두 보조용 트랜지스터나 각종 포트의 위치를 가리키지요. 파란색 테두리는 그런 주변 요소까지 다 합친 크기를 가리키구요. 이 사진을 보시면 하나의 픽셀이 차지하는 구역(파란색 사각형)에서, 상당한 부분이 빛에 반응하지 못하는데(파란색 사각형에서 빨간색 사각형을 뺀 나머지 부분), 이것은 상당한 공간적 낭비입니다. 센서 제조사는 이 문제를 진작 파악하고 있었는데요. 이를 해결하기 위해 마이크로 집광렌즈를 써서 빨간색 사각형으로 표시한 픽셀 안에 더 많은 빛을 모을 수 있도록 하고 있습니다. 즉, 구조적개선보다는 효율에 중점을 두고 있습니다.

 

 ▲전자 현미경으로 본 D600 CMOS 센서 표면의 마이크로 집광 렌즈

 

마이크로 렌즈를 개선할 때마다 센서의 성능은 상당한 발전을 이루게 됩니다. 캐논은 500D에서 550D로 업그레이드하면서 마이크로 렌즈의 변화를 이렇게 묘사했습니다.

 

▲캐논의 550D 출시당시 장점으로 설명함

 

500D의 센서는 마이크로렌즈 사이에 간격이 있었습니다. 동시에 빛이 지나가는 경로가 비교적 길어, 화소의 중앙 구역만 지나갈 수 있었죠. 따라서 빛을 받는 효율이 낮았습니다. 550D에선 마이크로렌즈 사이의 간격을 없애버리고 빛의 경로를 단축시켰습니다. 마이크로 렌즈가 센서의 모든 구역을 커버하게 되면서 입사광 효율이 대폭 상승했지요. 그렇게 되면서 캐논의 보급기는 '센서(화소)는 업그레이드됐지만 화질은 떨어졌다'라는 말이 캐논 550D에서 잠깐 동안이나마 벗어날 수 있었습니다.

영웅바디로 불릴만 하죠?

 

DXOmark의 데이터를 보면 그 점을 알 수 있습니다. 500D는 화소 수가 대폭 늘었지만 컬러 뎁스는 줄었습니다. 

550D/600D가 되서야 다시 원상 복구가 됐지요. 고감도 성능 역시 한 단계 상승했습니다. 

하지만 여전한 500nm공정으로 다이나믹 레인지는 변하지 않았습니다.

 

같은 시기에 경쟁사 니콘은 카메라 센서를 CCD에서 CMOS로 바꿨습니다. 저가형카메라 센서도 350nm에서 180nm로 업그레이드했습니다. 

니콘의 DSLR을 보면 상당히 놀라운 것을 볼 수 있는데, 반도체 공정이 업그레이드된 후 니콘 센서의 3개 스펙이 모두 급격한 발전을 이루었다는 것입니다. 

2005년부터 센서의 재탕삼탕 캐논 사골센서와 견줄 바가 아닙니다. 마이크로렌즈 간격으로 땜빵을 해왔지만 이제는 그걸로 커버할 기술격차 수준이 아닙니다.

 

 

반도체 제조공정이 제품 승패를 결정한다.

 

라이카가 올해 발표한 라이카 M 카메라의 기술 문서를 보면, 이 글을 해답을 찾을 수 있습니다.

 

 

라이카의 기술문서에 따르면 전통적인 설계의 마이크로 렌즈는 그 성능이 매우 한정되어 있다는 것을 알 수 있습니다. 비스듬한 각도로 들어오는 빛은 센서에서 빛을 받지 못하는 구역으로 들어가는 일이 비일비재합니다(위 사진). 

더 큰 문제는 그렇게 들어온 빛이 부정확한 반사를 일으켜, 회로 내부에서 반사가 되면서 인접센서에 영향을 줄 수도 있다는 것이지요. 이 경우 반사된 빛이 들어간 센서는 컬러 뎁스와 다이나믹 레인지가 떨어지게 됩니다. 여기서 한 가지 짚고 넘어갈 건, 지금은 빛이 연속해 반사되는 것을 막기 위해 포서드 시스템이나 DSLR에선 수직 입사가 더 이상 존재하지 않는다는 것입니다. 특히 풀프레임 DSLR의 경우 반사광 오염 문제는 상당히 심각하지요.

 

 

라이카 M에서, 라이카는 그리 비싸지 않은 제조 비용을 들여 마이크로 렌즈의 구조를 개선했습니다. 위 그림처럼 마이크로렌즈의 반경을 늘려서 렌즈를 더욱 깊게 만든 것이지요. 비스듬히 들어오는 빛이건 곧게 들어오는 빛이건 모두 화소가 빛을 받을 수 있는 곳으로 들어올 수 있어, 라이카 M이 높은 화질을 낼 수 있게 해줍니다.

 

 ▲라이카 M의 풀프레임 센서. 

STMicroelectronics 110nm 공정으로 만들어졌습니다.

 

이 사례에서 우리는 반도체 제조 공정의 영향을 결코 무시할 수 없습니다. 라이카 M의 센서는 STMicroelectronics의 110nm 공정을 써서 만들었는데, 직경이 몇 미크론인 마이크로렌즈에게 있어, 500nm짜리 칼을 쓰는 것과 110nm짜리 칼을 써서 조각을 하는 건 상당한 차이가 날 수 밖에 없습니다. 선폭이 작을수록, 더욱 미세한 반도체 공정을 만들 수 있고, 더욱 쉽게 저렴한 제품을 만들게 되고, 더욱 만족스러운 마이크로렌즈가 나오게 됩니다. 마이크로렌즈의 좋고 나쁨은 센서의 최종 성능에 직접적인 영향을 줍니다. 이것은 니콘센서나 소니센서가 지금 캐논센서를 앞도적으로 앞선 이유이기도 합니다.

 

나쁘지 않은 가격의 고급형 센서를 만들고 있긴 하지만, 캐논은 여전히 고감도 성능에서만 니콘보다 나을 뿐(고감도 성능은 상당수가 S/W 후처리를 통해 실현하며, 이미지 프로세서의 성능에 대해 여기서 말할 필요는 없겠지요)입니다. 1Dx가 최고 중의 최고의 위치를 차지했다고는 해도, 캐논은 1Dx에 2개의 DIGIC5+ 프로세서와 1개의 DIGIC4 프로세서를 넣은 후에야, 1개의 이미지 프로세서를 넣은 D4와 고감도에서 비슷한 수준을 유지할 수 있었습니다. (이미지 프로세서가 고감도 때문에 들어간 건 아니고, 1Dx는 연사나 측광 때문에 저런 조합을 쓰기도 했지만) D800같은 고화소에 넓은 관용도를 지닌 고화질 괴물을 상대하는 건, 그냥 포기하는 게 나을 것 같네요.

 

▲ 2012년에 출시된 니콘 D800의 CMOS 센서는 소니반도체 180nm 공정, 유효 3600만 화소를 자랑합니다.

2005년부터 변함없이 500nm를 유지하는 캐논의 사골센서를 비웃기에는 충분합니다.

 

 

 

궁지에 몰린 캐논의 이미지센서

 

캐논의 반도체 제조공정은 이미 한계에 도달하지 않았을까요? 

캐논 650D가 그 답을 알려주고 있습니다. 600D에서 650D로 가면서 화소 및 센서크기는 변하지 않았습니다. 여전히 4.2미크론이지요. (1800만 화소 캐논 APS-C 센서의 화소 크기는 모두 4.2미크론입니다) 캐논은 니콘 1시리즈 미러리스와 비슷한 하이브리드 AF 모듈을 센서에 넣었습니다.

AF성능향상을 위해 모듈을 센서에 내장했지만 그 덕분에 센서의 수광면적은 줄어들었고 결과적으로 센서성능은 더 안좋아졌습니다.

타 회사는 반도체 제조공정이 뛰어났기에 어느정도 상쇄가 가능했지만 2005년부터 줄 곧 500nm를 고집해온 캐논에겐 어쩌면 당연한 결과이죠.

 

 

기술적 퇴화가 또 일어났습니다. 예전에 사람들에게서 욕을 먹었던 500D는 고감도 성능만 떨어졌고 다른 건 다 유지했지만, 이번에는 센서의 모든 성능이 다 후퇴한 것입니다. 더 복잡해진 회로, 더 늘어난 트랜지스터는 이미 캐논의 구닥다리 공정을 짓누르고 있습니다. 4.2미크론 크기의 픽셀은 이미 캐논의 극한까지 달한 것이지요. 

다른 부분에서, 경쟁상대는 이미 3.8미크론 크기의 픽셀을 쓴 센서를 쓰고 있습니다. 따라서 반도체공정은 이미 캐논의 발목을 잡고 있다 할 수 있겠습니다.

 

한때 디지털SLR에 먼저 뛰어들면서 필카의 니콘을 누르고 자체적으로 생산한 센서는 캐논의 자랑거리였지만 지금은 오히려 약점이 되고 있습니다.

 

왜 그럼 캐논센서는  발전하지 않는 것일까요? 왜 새로운 반도체 제조공정을 도입하지 않는 것일까요? 

카메라업계에서 돌고 있는 소문에 의하면, 최신 반도체공정과 최신기술은 캐논그룹의 사업적인 문제에 얽혀 있습니다. 캐논이 돈을 쓰기만 한다면, 분명 최신의, 더 좋은 기술을 쓸 수 있을 것입니다. 그걸로 자사 Fab에 활력을 불어넣을 수도 있겠지요. 그런데 문제는 아주 많은 돈을 써야 한다는 겁니다.

 

▲상위권센서의 대부분이 소니의 최신반도체 공정에서 태어난 제품들이다.

 

캐논은 반도체 설비투자 그것만이 살길

 

앞에서 이야기했지만, 어떤 제조사건 간에 Fab은 항상 돈이 매우, 매우, 매우 많이 드는 분야입니다. 인텔은 2013년에 미국 오레건 주에 위치한 Fab D1X의 새 공장을 위해 60~80억 달러를 투자하는 것으로 알려졌습니다. 무어의 법칙에 따라 반도체 기술이 매일 발전하는 속도가 까마득할 정도이며, 새로운 Fab의 생명 주기는 대략 3~5년 정도밖에 안됩니다. 디지털카메라 센서의 세대 교체가 그렇게 빠르진 않다 하더라도, 5~7년이면 시장에서 버림받게 될 것입니다.

 

▲외계기술을 습득한 인텔은 14nm 공장을 짓고 있다.

 

Fab에 들어가는 설비의 가격은 몇 천만, 몇 십억달러가 기본 단위입니다.

 

인텔은 프로세서 시장에서 맞설 자가 없습니다. 인텔의 Fab은 매년 계속해서 안정적인 수요가 발생하기 때문에  항상 100% 가동이 가능하며, 그 덕분에 인텔은 대담하게 Fab을 확장할 수 있는 것입니다. 문제는, 캐논도 그러냐는 것입니다. 캐논 반도체 공장의 고객은 오직 하나밖에 없습니다. 캐논 자신뿐입니다. 

지금 대세가 된 소니반도체는 소니,니콘,후지,올림푸스,펜탁스 등에게 센서를 만들어 주고 있습니다. 

이제는 한물간 Aptina, PANA 같은 회사들을 생각해 보면, 간단합니다.

 

 

외계인 인텔은 우리에게 이렇게 말합니다. 반도체는 돈 없으면 못 만든다고...

 

캐논은 디지털SLR초기에 자체적으로 제작한 센서를 통해 경쟁사보다 우위에 있어 디지털SLR를 선점해 나갈 수 있었습니다. 

1DS, 300D, 5D 같은 명기들이 그 예로 들 수 있습니다. 하지만 2005년부터 멈춰진 반도체 제조공정이 지금은 캐논의 발목을 잡고 있습니다. 

현재 오래된 경쟁상대인 니콘의 카메라 센서는 이미 180nm 라인에서 생산 중이며, 심지어 소니는 90nm와 65nm CMOS 공정을 써서 최신 스마트폰과 태블릿의 카메라에 들어가는 적측형 Exmor RS 센서를 만들고 있을 정도입니다.

 

확인된바 없지만 뒤늦게 캐논은 180nm의 새 반도체공정에 투자와 건설을 시작했다는 소문이 돌고 있습니다.

지금 180nm 건설이면 구식이긴 하지만 이 소문이 사실이라면 좋겠군요. 

캐논이 몰락한다면 DSLR이나 VDLR에서 소니, 니콘,후지,삼성의 경쟁이 심심해질테니까요.

3줄 요약

캐논의 DSLR 센서는 2005년 이후 10년동안 발전이 없다.

왜? DSLR은 센서성능에 따라 화질이 결정되는데 캐논은 반도체 설비에 투자를 안한다.

구형 제조공정과 S/W 후처리기술로 버티다간 망할 수도 있다.