[CV] 공간해상도로 본 광센서와 디스플레이 디바이스 발전사

광센서(of camera)와 디스플레이기기의 공간해상도(Spatial Resolution) 규격의 발전은 서로 밀접하게 연관됨.

 

2024년 현재,

• 40 메가픽셀(MP)의 광센서가 거의 표준으로 자리를 잡았고,
• 고급 스마트폰의 경우 50MP이상이 탑재됨.
• 100MP 이상의 카메라도 등장함 

 

Spatial Resolution 관련: 2023.10.04 - [Programming/DIP] - [DIP] Image Quality 관련 정량화 지표들

[DIP] Image Quality 관련 정량화 지표들: Resolution, Contrast, SNR

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아래는 광센서와 디스플레이 해상도의 발전사를 통합하여 정리한 내용임.

1. 초기 단계 (1940년대-1960년대)

• 광센서:
  • 이 시기, 광전자 증배관(PhotoMultiplier Tube, PMT)의 발명과 단순한 포토다이오드(Photo Diode)의 개발이 이루어짐.
  • 포토다이오드는 1940년대 초반에 처음 개발됨. 참고로 트랜지스터(Transistor)가 1947년에 발명됨.
  • Photo Diode 기술은 이후 광센서의 기초를 형성함.
• 디스플레이 기술:
  • 이 시기, 디지털 디스플레이(Digital Display) 기술이 존재하지 않았음
  • 주로 아날로그 방식의 전광판이나 필름 기반의 영사기가 사용됨.
  • CRT 기반의 TV는 존재(1930년대 이후 도입되어 1940-50년대 대중화)했으나
    CRT 모니터는 1960년대 후반에나 도입되기 시작함.

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2. CCD 센서의 등장 (1969년)

• 광센서:
  • 1969년, Willard Boyle과 George E. Smith가 CCD(Charge-Coupled Device) 센서를 발명함.
  • 이 기술은 Digital Imaging 에 혁명적인 변화를 가져왔으며, 이후 수십 년간 디지털 카메라의 핵심 기술의 위치를 차지함.
  • 특히 1980년대 후반부터 TV 방송에 디지털 광센서가 도입되기 시작하면서, 고화질 디지털 방송의 기반이 마련됨.
• 디스플레이 해상도:
  • 1960년대 후반부터 CRT 모니터가 등장하기 시작함.
  • 하지만 초기엔 해상도가 매우 낮아 당시 디지털 이미지를 제대로 표현할 수 없는 한계가 있었음.

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3. CMOS 센서의 등장 및 발전 (1970-80년대)

• 광센서:
  • 1960년대 후반, Frank Wanlass가 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 기술을 개발함.
    • 초기에는 CCD에 비해 화질이 떨어져 널리 사용되지 않았지만, CMOS 센서는 저전력 소비와 비용 절감이라는 장점 덕분에 향후 광범위하게 채택될 가능성을 보여줌.
    • CCD와 CMOS 두 기술이 이후 이미지 센서(Image Sensor)의 대표적인 주류 기술로 자리잡게 되며, 다양한 분야에서 경쟁적으로 사용되었음.
  • 1908년대 초반의 초기 디지털 카메라에서는 CCD가 사용되었고, 매우 고가에 대량생산이 쉽지 않았기 때문에 전문가용이었음.
• 디스플레이 해상도:
  • 1980년대의 CRT 디스플레이는 해상도가 320x240(QVGA) 또는 640x480(VGA) 수준에 불과했음.
  • 즉, 디지털 이미지 표현에 한계가 있었음.
  • 1981년 IBM PC의 등장과 함께  PC에서도 CRT모니터가 중심이 됨.

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4. 디지털 카메라의 상용화와 초기 디스플레이 발전 (1990년대)

• 광센서:
  • CCD 센서를 사용한 디지털 카메라가 대중화되기 시작함 (일반소비자용 디지털 카메라가 등장하기 시작함)
  • 메가픽셀(백만 화소) 단위의 해상도가 가능해지면서 카메라의 성능이 급격히 향상됨.
  • CMOS의 도입이 점차 증가하기 시작(단, 대세는 CCD)
• 디스플레이 해상도:
  • 이 시기, SVGA(800x600)와 XGA(1024x768) 해상도의 CRT 모니터가 등장함.
  • 디지털 카메라로 촬영된 이미지를 보다 선명하게 표현할 수 있었음.

5. CMOS 센서의 발전과 LCD 모니터의 대중화 (2000년대 초반)

• 광센서:
  • CMOS 기술이 급속히 발전하여 CCD와 비슷한 화질을 구현할 수 있게 되었으며,
    저전력 소모와 고집적화 등의 장점 덕분에 스마트폰 및 모바일 기기에 널리 채택됨.
  • CMOS가 CCD 와의 경쟁에서 앞서나기기 시작.
  • 5MP~10MP 이상의 디지털 카메라가 출시되기 시작했고, DSLR이 상업적으로 큰 성공을 거둠.
• 디스플레이 해상도:
  • LCD 모니터가 CRT를 대체하기 시작 (2000년대 초중반에 대체가 본격화:2007년대엔 거의 모든시장에서 LCD가 대세)
  • 해상도가 XGA(1024x768)에서 UXGA(1600x1200)로 발전됨.
  • 이와 동시에 HD(1280x720)와 FHD(1920x1080) 해상도의 디스플레이가 표준화됨.

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6. 고급 센서 기술과 고해상도 디스플레이의 확산 (2010~현재)

• 광센서:
  • 백사이드 일루미네이션(Backside Illumination, BSI) CMOS 센서가 개발되면서 저조도 성능이 크게 향상됨.
  • 스태킹(Stacking) 기술을 이용한 고성능 센서가 등장함.
  • 또한, 퀀텀닷(Quantum Dot) 기술이 이 시기부터 이미지 센서에 적용되기 시작하여, 감도와 색 정확도를 높이는 데 기여함.
  • SPAD(Single Photon Avalanche Diode) 센서가 개발되었으며, 특히 2000년대에 본격적으로 상용화되어 저조도 환경에서 뛰어난 감도를 제공함. 3D 센싱 및 과학 연구 분야에서 CMOS 및 CCD 센서와 경쟁하게 됨.
  • 20MP 를 넘어서 4-50MP의 디지털 카메라가 등장하였고, 스마트폰 카메라의 급부상으로 디지털 카메라의 시작이 오히려 줄어드는 현상을 보임.
  • 2024년 현재 100MP 이상의 카메라 센서가 등장했으며, AI 기반의 이미지 처리 기술이 통합되면서 디지털 이미징의 새로운 장이 열림.
• 디스플레이 해상도:
  • CRT 모니터 생산 중단이 2010년대 이루어짐.
  • 2010년대 후반에는 LED (LED 백라이트를 가진 LCD) 모니터가 대세로 자리잡음
    • 2015년 이후에는 LCD(전통적인 CCFL백라이트) 모니터가 자취를 감춤.
    • LED가 표준이 됨.
  • FHD 해상도(1920x1080)가 표준이 됨.
  • 4K(Ultra High Definition, UHD, 3840x2160) 해상도의 디스플레이도 꾸준히 시장이 커짐.
  • 이후 8K(7680x4320) 디스플레이도 등장하여 초고해상도 콘텐츠를 지원하기 시작함.
  • 2024년 현재 모니터 시장에서 표준은 FHD에서 QHD(2560x1440)으로 이동했으며, 고급 모니터는 4K가 자리를 잡음

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7. 미래 전망

• 퀀텀닷(Quantum Dot) 기술:
  • 퀀텀닷 기술이 디스플레이뿐만 아니라 이미지 센서에서도 더 높은 감도와 색 정확도를 구현할 수 있는 가능성을 보여주고 있음.
  • 이 기술이 앞으로 다양한 디지털 이미징 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대됨.
• 플라즈모닉(Plasmonic) 센서:
  • 플라즈모닉 센서가 나노 구조를 이용해 빛을 제어하고 증폭시키는 기술로, 특정 파장에 대해 높은 감도와 정확도를 제공함.
  • 특히 생명공학 및 환경 모니터링 분야에서 중요한 역할을 할 수 있으며, 퀀텀닷 기술과의 경쟁에서 주목받고 있음.
• 그래핀 기반 센서(Graphene-Based Sensor):
  • 그래핀의 뛰어난 전기적 특성을 활용한 이미지 센서로, 높은 감도와 빠른 응답성을 자랑함.
  • 그래핀 센서는 현재 연구 단계에 있으며, 향후 디지털 이미징 및 센싱 기술에서 혁신적인 변화를 가져올 수 있음.
• OLED 및 MicroLED 기술:
  • 디스플레이 분야에서 OLED와 MicroLED 기술이 계속해서 발전하고 있으며, 퀀텀닷 기술과 함께 차세대 디스플레이의 주도권을 두고 경쟁하고 있음.
  • OLED는 뛰어난 색 재현력과 유연성을 제공하며, MicroLED는 높은 밝기와 에너지 효율을 자랑함.

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참고: 메가픽셀과 디스플레이 해상도

• Full HD (1920x1080) 해상도는 약 2.07메가픽셀에 해당.
• 4K 해상도(3840x2160) 는 약 8.29메가픽셀임.
• 8K 해상도(7680x4320) 는 약 33.18메가픽셀에 해당함.

즉, 8메가픽셀 이미지는 4K 해상도를 완전히 커버할 수 있으며, 33메가픽셀 이미지는 8K 해상도를 커버할 수 있음.

100메가픽셀 이상의 고해상도 이미지는 현재의 디스플레이 해상도를 초과함.