센서를 바꾸면 조명도 다시 계산해야 합니다 — BSI 글로벌 셔터 센서의 940 nm 양자효율 15%가 실제로 뜻하는 것

OPTICS / LIGHTING

근적외(NIR) 조명으로 넘어가는 이유는 대개 분명합니다. 가시광에서는 인쇄·도장·라벨의 색이 배경 콘트라스트를 지배해 결함이 묻히지만, 940 nm 근처에서는 많은 유기 염료의 흡수가 급격히 떨어져 색이 사라지고 구조만 남습니다. 커넥터 하우징의 미세 크랙, 사출품의 이물 혼입, 접착층의 미충전 구간이 이 지점에서 갑자기 보이기 시작합니다.

그런데 현장에서 NIR로 전환한 라인의 상당수가 같은 문제에 부딪힙니다. 조명을 그대로 두고 파장만 바꿨더니 이미지가 어둡고, 노출을 늘렸더니 이동 중 대상에서 모션 블러가 생기고, 게인을 올렸더니 노이즈가 결함 신호를 덮습니다. 방치하면 결과는 한 방향으로 수렴합니다 — 검출 임계를 느슨하게 내려 미검출을 만들거나, 반대로 조여서 오검출을 폭증시키거나. 어느 쪽이든 오검출·미검출 0%라는 기준에서는 실패입니다.

원인은 대개 센서 선정이 아니라 조명 예산을 다시 계산하지 않은 것입니다. 2026년 9월 22일 공개된 신형 BSI 글로벌 셔터 센서의 공표 양자효율(QE)은 이 계산을 아주 구체적으로 할 수 있게 해 줍니다.

파장을 바꾸는 결정은 센서 카탈로그가 아니라 조명 전원 용량 표에서 끝납니다.

1. 표면 재질과 반사율을 먼저 확인합니다

Point. BSI 글로벌 셔터 센서를 검토하기 전에, 대상 표면이 940 nm에서 어떻게 반사하는지부터 확인해야 합니다.

Reason. 근적외에서 유용한 콘트라스트가 생기는 이유는 센서가 아니라 재질의 분광 반사율 차이입니다. 가시광에서 서로 다른 색으로 보이던 두 영역이 근적외에서는 같은 반사율로 수렴해 콘트라스트가 오히려 사라지는 경우도 흔합니다. 반대로 가시광에서 구분되지 않던 재질 경계가 근적외에서 드러나기도 합니다. 어느 쪽인지는 재질과 표면 처리에 따라 달라지므로 카탈로그 스펙만으로는 알 수 없습니다.

Example. 검정 안료가 카본 블랙 계열이면 근적외에서도 강하게 흡수해 여전히 어둡게 남지만, 유기 흑색 염료 계열이면 근적외에서 투과성이 올라가 그 아래 구조가 비쳐 보입니다. 같은 “검정 플라스틱 커넥터”라도 안료 계열이 다르면 정반대의 이미지가 나옵니다.

Point. 즉 근적외 전환의 첫 단계는 센서 선정이 아니라 실물 샘플의 940 nm 반사·투과 확인입니다. 특히 난반사가 심한 가공면이나 표면 처리 편차가 큰 로트에서는 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

2. BSI가 실제로 바꾸는 것 — 광자가 지나는 경로

Point. BSI(Backside Illuminated, 이면 조사) 구조의 이득은 “감도가 좋아진다”는 막연한 표현이 아니라, 광자가 배선층을 통과하지 않는다는 구조적 사실에서 나옵니다.

Reason. 전통적인 FSI(Front-Side Illuminated, 전면 조사) 구조에서는 입사광이 금속 배선층 사이를 지나 포토다이오드에 도달합니다. 픽셀이 작아질수록 배선이 차지하는 비율이 커지고, 유효 개구(fill factor)가 줄어들며, 비스듬히 입사하는 광선은 배선에 가려지거나 이웃 픽셀로 새어 크로스토크를 만듭니다. BSI는 웨이퍼를 뒤집어 포토다이오드를 입사면 쪽에 배치하므로, 이 경로 손실이 구조적으로 사라집니다.

Example. 2026년 9월 22일 Teledyne e2v가 공개한 Nexora 계열은 이 구조를 채택한 머신비전용 글로벌 셔터 CMOS 센서군입니다. 공표 사양은 12 MP(4,096 × 3,072)와 16 MP(4,096 × 4,096), 흑백·컬러 버전, 그리고 550 nm에서 QE 최대 73%, 940 nm에서 QE 15%입니다. 3D 적층(3D-stacked) 구조를 함께 적용했고, 패키지는 23 × 21.5 mm로 29 × 29 mm² 카메라와 표준 C마운트 광학계에 대응하며, 인터페이스는 LVDS입니다. 샘플과 문서는 공개 시점에 요청 기준으로 제공된다고 밝혔습니다.

Point. 여기서 주목할 숫자는 73%가 아니라 15% 쪽입니다. BSI로 개선된 뒤에도 실리콘은 940 nm에서 여전히 약하고, 그 약함의 정도가 이제 정량적으로 주어졌다는 것이 설계자에게 훨씬 유용합니다.

3. 조명 예산 — QE 비율을 그대로 배수로 읽습니다

Point. 같은 센서·같은 렌즈·같은 노출 시간에서 550 nm 조명을 940 nm로 바꾸면, 동일한 신호 전자수를 얻기 위해 필요한 방사 조도는 QE 비율만큼 올라갑니다.

Reason. 광전 변환 단계에서 생성되는 신호 전자수는 입사 광자수와 QE의 곱입니다. 다른 조건을 고정하면 QE가 73%에서 15%로 떨어질 때 필요한 광자수는 73 ÷ 15 ≈ 4.9배가 됩니다. 이것은 추정이 아니라 공표된 두 QE 값의 산술비이며, 렌즈 투과율·대상 반사율·대역폭 필터 손실은 아직 포함하지 않은 하한값입니다. 실제 설계에서는 이 위에 광학계 손실이 더 곱해집니다.

Example. 이동 중 검사에서 모션 블러를 억제하려고 노출을 1/3로 줄이는 설계를 함께 적용한다고 가정하면, 필요한 조도 배수는 4.9 × 3 ≈ 14.7배가 됩니다. 연속 점등 조명으로 이 배수를 감당하려면 발열과 전원 용량이 감당되지 않으므로, 실무에서는 대개 스트로브(펄스) 조명으로 전환해 듀티비를 낮추고 피크 전류를 올리는 방향으로 갑니다. 글로벌 셔터는 이 전환의 전제 조건입니다 — 롤링 셔터에서는 짧은 스트로브 펄스가 일부 행에만 걸려 밴딩을 만듭니다.

Point. 이 글의 핵심 통찰은 이것입니다. 센서의 NIR QE 수치는 센서 사양이 아니라 조명 전원 사양입니다. 카탈로그의 “15%”는 조명 설계자에게 “피크 출력을 약 5배로 잡으시오”라는 지시문으로 읽혀야 하며, 여기에 노출 단축 배수가 곱해진다는 점까지 함께 읽어야 실제 BOM이 맞습니다.

QE 15%는 센서의 약점이 아니라, 조명 예산표에 적어 넣어야 할 계수입니다.

4. 패키지와 마운트가 남기는 제약 — WD를 먼저 확인합니다

Point. 센서 패키지 치수와 마운트 규격은 곧 렌즈 선택 범위이고, 렌즈 선택 범위는 곧 확보 가능한 WD(Working Distance, 작동 거리)의 범위입니다.

Reason. 표준 C마운트 대응이라는 것은 플랜지 백 초점거리 17.526 mm 규격의 기성 렌즈군을 쓸 수 있다는 뜻입니다. 선택지가 넓다는 장점이 있지만, 동시에 대형 센서 대각선을 커버하면서 필요한 배율과 WD를 동시에 만족하는 조합은 생각보다 빠르게 좁아집니다. 특히 근적외에서는 색수차 보정이 가시광 기준으로만 이루어진 렌즈에서 초점면이 이동하므로, 가시광으로 맞춘 초점이 940 nm에서 어긋납니다.

Example. 16 MP 정사각 포맷(4,096 × 4,096)은 같은 화소수의 4:3 포맷보다 이미지 서클을 더 균등하게 요구합니다. 여기에 다방향 스트로브 조명 헤드가 광축 주변을 점유하므로, 조명 링과 대상 사이 간섭을 피하려면 WD는 처음부터 여유 있게 잡아야 합니다.

Point. 정리하면 센서 교체는 광학계 교체를 동반하는 경우가 많고, 그 판단은 WD 실측 확보 여부에서 갈립니다. 도면상 계산값이 아니라 조명 하우징과 치구를 포함한 실측으로 확인해야 합니다.

5. 핵심 골격 — 매칭표

구분	항목	사양 / 파라미터	근거·비고
① 최소 불량 사이즈	커넥터 하우징 미세 크랙	폭 30 μm, 길이 300 μm 이상	설계 가정. 근적외 투과 대비로 검출
① 최소 불량 사이즈	사출품 내부 이물	최대 치수 80 μm 이상	설계 가정. 투과 조명 기준
① 최소 불량 사이즈	접착층 미충전	면적 0.2 mm² 이상	설계 가정. 저주파 밝기 편차 대상
② 광학 셋업	조명 파장	940 nm 근적외, 대역폭 ±25 nm	센서 공표 QE 15% 지점
② 광학 셋업	조명 방식	스트로브(펄스) 구동, 글로벌 셔터 동기	연속 점등으로는 필요 배수 감당 곤란
② 광학 셋업	조도 배수(하한)	550 nm 대비 약 4.9배	공표 QE 73% ÷ 15%의 산술비. 광학계 손실 미포함
② 광학 셋업	노출 단축 동반 시	노출 1/3이면 약 14.7배	위 배수 × 노출 단축 배수
② 광학 셋업	센서	BSI 글로벌 셔터, 12 MP 또는 16 MP	공표 사양 4,096 × 3,072 / 4,096 × 4,096
② 광학 셋업	마운트·패키지	표준 C마운트, 패키지 23 × 21.5 mm	공표 사양. 29 × 29 mm² 카메라 대응
② 광학 셋업	WD(작동 거리)	180 mm 이상 실측 확보 필수	스트로브 조명 헤드·치구 간섭 포함 실측
② 광학 셋업	렌즈	근적외 보정(NIR corrected) 렌즈 필수	가시광 전용 렌즈는 940 nm에서 초점면 이동
③ 알고리즘	노이즈 처리	게인 상향 대신 조도 상향 우선	게인은 SNR을 개선하지 못함
③ 알고리즘	평탄화	스트로브 조도 불균일 보정용 플랫필드	940 nm 기준으로 별도 취득
③ 알고리즘	검출 임계	정상품 30장 기준 3σ	파장 변경 시 σ 재추정 필수

표 시사점. 이 표에서 실제로 설계를 지배하는 행은 “조도 배수” 두 줄입니다. 센서·렌즈·알고리즘 행은 선택의 문제지만, 4.9배라는 하한은 물리에서 나온 값이라 협상 대상이 아닙니다. 조명 전원 용량과 방열이 먼저 결정되고 나머지가 그 안에서 맞춰지는 순서가 맞습니다.

6. 관련 특허 (실존 확인분)

특허번호	명칭	출원인(assignee)	출원·등록
US 9,991,309 B1	CMOS image sensor having enhanced near infrared quantum efficiency	OmniVision Technologies, Inc.	우선일 2017-07-05 / 등록 유지
US 10,224,364 B2	CMOS image sensor having enhanced near infrared quantum efficiency and modulation transfer function	OmniVision Technologies, Inc.	우선일 2017-07-05 / 공개 2019-03-05
US 10,964,744 B1	Light control for improved near infrared sensitivity and channel separation	OmniVision Technologies, Inc.	우선일 2019-09-13 / 공개 2021-03-30
US 10,798,323 B2	Control method for an active pixel image sensor	Teledyne e2v Semiconductors SAS	출원 2017-01-13 / 등록 2020-10-06
US 10,587,830 B2	Method for controlling an active pixel image sensor	Teledyne e2v Semiconductors SAS	출원 2016-07-29 / 등록 2020-03-10

출원인이 명시적으로 확인되지 않은 특허는 인용에서 제외했습니다. 뒤의 두 건은 글로벌 셔터 모드에서 메모리 노드와 상관 이중 샘플링(CDS)을 다루는 제어 방법으로, 본문 3절의 스트로브 동기 설계와 직접 맞닿아 있습니다.

7. 반대 접근이 유리한 조건

• 가시광에서 이미 충분한 콘트라스트가 나오는 경우: 근적외 전환은 조명 예산만 약 5배 늘립니다. 파장을 바꿀 이유가 없습니다.
• 대상이 정지해 있고 택트에 여유가 있는 경우: 노출을 길게 가져갈 수 있으므로 글로벌 셔터와 스트로브 조합의 이점이 줄어듭니다. 롤링 셔터 + 연속 조명이 경제적입니다.
• 1,000 nm를 넘는 흡수 특성을 봐야 하는 경우: 실리콘 센서의 감도 한계 밖입니다. InGaAs 계열 SWIR 이미징이 물리적으로 맞습니다.
• 극저조도에서 개별 광자 수준의 신호를 세야 하는 경우: QE 개선으로 해결되는 영역이 아닙니다. 광자 계수 계열 센서가 적합합니다.

같은 파장이라도 안료 계열·표면 처리·로트 편차에 따라 근적외 반사·투과가 달라지므로, 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

현장 노트

커넥터 하우징 라인에서 940 nm로 전환하며 겪은 순서는 대체로 같았습니다. 먼저 조명을 그대로 두고 파장만 바꿔 보고, 어두워서 노출을 늘리고, 이동 구간에서 블러가 생겨 다시 줄이고, 그제서야 조도 계산으로 돌아옵니다. 그 왕복을 한 번에 건너뛰는 방법은 센서 데이터시트의 QE 곡선에서 목표 파장 값을 먼저 읽고, 그 비율을 조명 사양서 맨 위에 적어 두는 것뿐이었습니다. 다만 연속 주행 스트립 라인처럼 대상이 계속 움직이는 구간에서는 스트로브 펄스 폭과 허용 변위가 다시 얽히므로, 이 계수만으로 설계가 닫히지는 않습니다. 안료 계열이 로트마다 바뀌는 사출품에서는 특히 그렇고, 결국 샘플 테스트 전 확언 불가라는 단서를 붙여 두게 됩니다.

현장 체크포인트

• WD 180 mm 이상이 실측으로 확보되는가 — 스트로브 조명 헤드 하우징과 치구를 포함해 확인할 것.
• 대상 표면의 940 nm 반사·투과를 실물 샘플로 확인했는가 — 안료 계열에 따라 결과가 정반대로 나옵니다.
• 조명 조도 배수를 QE 비율에서 역산했는가 — 공표 QE만으로 약 4.9배, 노출 단축을 더하면 그 이상입니다.
• 렌즈가 근적외 보정 사양인가 — 가시광 전용 렌즈는 940 nm에서 초점면이 이동합니다.
• 셔터가 글로벌 셔터인가 — 롤링 셔터에서는 짧은 스트로브 펄스가 밴딩을 만듭니다.
• 파장 변경 후 정상품 기준 σ를 다시 추정했는가 — 가시광 기준 임계를 그대로 쓰면 오검출·미검출이 동시에 늘어납니다.
• 조명 전원 용량과 방열이 피크 출력 기준으로 설계됐는가 — 평균 출력 기준으로 잡으면 펄스 구동에서 부족해집니다.

참고 동향 (2026-09-16 ~ 09-23)

• Teledyne e2v, Nexora 계열 BSI 글로벌 셔터 CMOS 이미지 센서 공개(2026-09-22, 스페인 세비야). 12 MP·16 MP, 흑백·컬러, QE 550 nm 73% / 940 nm 15%, 3D 적층 구조, LVDS 인터페이스, 패키지 23 × 21.5 mm, 표준 C마운트 대응. VISION 2026(슈투트가르트, 10월 6~8일) Hall 8 Booth 8B10 전시 예정.
• Teledyne Adimec·Teledyne DALSA, Sony IMX927 기반 100 Gbit/s 이미징 플랫폼 공개(2026-09-17, 네덜란드 아인트호벤). S-105A110 카메라(105 MP, 110 fps, CoaXPress over Fiber) + Xtium3-QSFP28 프레임그래버(듀얼 QSFP28, PCIe Gen 4). 평가용 프로토타입은 2027년 1분기 예정.
• LYNRED, CAPT640 열화상 센서 공개(2026-09-21, 프랑스 그르노블). AutoSens 바르셀로나(9월 22~24일) 공개.
• Excelitas, VISION 2026에서 광학 검사용 렌즈·과학용 카메라 시연 예고(2026-09-22). LINOS d.fine HR-M 렌즈와 pco.dimax 3.6 ST 고속 카메라로 2,000 fps 이상 촬영 시연 포함.
• Tucsen, CIOE 2026에서 XT 시리즈 빔 품질 분석기, Libra 27105·Libra 5505 고처리량 카메라, Aries 6504 단일광자 수준 고속 시리즈 공개(2026년 9월).
• Specim(Konica Minolta), VISION 2026 개막에 맞춰 신형 초분광 카메라 공개 예고.
• Edmund Optics, 정밀 광학 정렬용 포인트 소스 마이크로스코프 제품군 확대.