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XYZ 컬러 센싱에 관한 11가지 오해

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글/Tom Griffiths, Senior Marketing Manager, Emerging Sensor Strategies, ams AG

최근에 나노 광자 간섭 필터 기술이 적용 단계에 들어감에 따라서 XYZ 컬러 센싱이 연구 단계에서 스펙트럼 검출이나 조명 같은 좀더 주류적인 애플리케이션으로 진입하게 되었다. 이 글에서는 XYZ와 이의 적용에 관해서 11가지 오해를 살펴본다.

1. XYZ는 RGB와 같은 색이다. 그렇다면 무엇 때문에 XYZ가 필요한가?

빛은 단지 적색, 녹색, 청색(RGB)으로만 이루어진 것이 아니다. 실제로 인간의 시각에 비춰지는 자연의 광원은 가시 광의 넓은 스펙트럼 전력 분포로 이루어져 있다. 인간은 주된 가시 광원으로서 태양에 잘 적응되어 있으며 색을 꽤 잘 구별한다. 하지만 방사 광(emitted light)은 사람의 눈을 속일 수 있다. 그러므로 단순히 청색과 노란색을 혼합한 것으로서 초기의 LED를 백색으로 인식할 수 있었다. 하지만 반사 광(reflected light)은 우리 눈을 속이기가 쉽지 않다. 특히 색을 인식하는 것과 관련해서 더 그렇다.
우리가 특정한 색을 인식하는 것은 물체가 특정한 조합의 파장을 반사하기 때문이다. 단순하게 말해서 색은 먼저 빛이어야 한다. 어떤 파장들이 빠져 있으면 색을 정확하게 표현할 수 없다. 실제로 이것을 확인해 보려면, 자신의 모니터를 비어 있는 흰 바탕의 화면이 되게 하고 이것을 다소간 어두운 공간에서 빛으로 사용해 보라. 피부 톤은 이 급조된 RGB 광원을 시험해 볼 수 있는 좋은 예이다. 그러면 아마도 얼굴 빛이 너무 아파 보여서 병원에 가봐야 하지 않을까 생각될 것이다.
XYZ는 인간 시각의 표준적 응답 곡선을 모델링한 것이다. 다시 말해서 망막의 긴, 중간, 짧은 광수용 원추 세포가 빛의 스펙트럼 전력 분포에 응답한 결과이다. 대체적으로 가시 스펙트럼의 적색, 녹색, 청색 부분을 나타내기는 하나 실제 RGB 분포와 일치하는 것은 아니다.
색을 이루는 몇몇 반사 파장에 해당되는 수직선들을 그으면 XYZ 필터 셋으로부터 RGB 필터 셋과는 전혀 다른 채널 카운트를 얻을 것이다. 실제로 데이터셋으로 데이터가 존재하지 않는다면(파장을 검출하지 못한다면) 아무리 많은 양의 수학을 사용하더라도 정확한 값을 얻을 수 없다(그림 1).

2. XYZ 센서는 비싸다.

이것은 2015년에는 맞는 말이었다. 하지만 지금은 아니다. 간섭 필터 기술은 CMOS와 유사한 프로세스를 사용해서 필터를 층층이 구축하는 것으로서, 이제는 센서 통합 반도체를 양산할 수 있는 단계에 접어들었다. 그럼으로써 정확하면서도 가격대가 우수한 XYZ 센싱을 사용할 수 있게 되었다(대량 수량일 때 2달러 미만). 그럼으로써 상업용으로 이전에 가능하지 않았던 새로운 애플리케이션들이 가능하게 되었다.

3. XYZ 센서는 하이엔드 애플리케이션에만 적합하며 조명 같은 애플리케이션에는 타당성이 떨어진다.

XYZ가 색 검출에 더 뛰어난 것으로 인식되고 난 다음에는, 문제는 가격이다. 가격이 문제가 되지 않는다면, XYZ가 일반적인 상용 조명이나 교체용 램프나 튜브 같이 가격에 민감한 애플리케이션 용으로 적합하냐 않하냐 하는 논란은 사라질 것이다. 물론 가격은 중요한 문제이며, 단순히 흥미로운 새로운 기술이라는 이유에서 XYZ 센서를 도입하는 것은 합리적이지 않다. 예를 들어서 백색/컬러 조절가능 LED 조명으로 전체적인 수명에 걸쳐서 조명의 일관성이 중요하게 요구되는 경우에는 XYZ를 채택하는 것이 타당할 것이다. 인간의 시각은 색 구별에 매우 뛰어나서 단 0.2% 떨어진 2개의 인접한 색점(color point) 사이에 색 차이를 분명하게 알아차릴 수 있다. 그러므로 사람의 눈은 빛과 빛 사이에 차이를 금방 알아챌 수 있다. 그러므로 일관성을 위해서 센싱을 필요로 한다. 전반적인 소자 비용을 낮추거나, 좀더 저렴한 드라이버를 사용하거나, 화이트 또는 컬러 조절가능 디자인을 특정한 LED 또는 업체에 얽매이지 않도록 하고 싶으면, XYZ 센싱이 좀더 높은 가치를 제공할 수 있을 것이다.
센싱을 위해서 가장 먼저 해야 할 일은 무슨 일이 벌어지고 있는지 아는 것이다. 빛의 색과 관련해서 어떤 일이 벌어지고 있는지 알아야 하는 이유는, 이렇게 해야 조절을 할 수 있기 때문이다. 폐쇄 루프 센싱의 특별한 점은, 시스템 디자이너가 정밀도가 낮은 소자를 사용해서 더 높은 정밀도와 풍부한 기능을 달성할 수 있다는 것이다. 예를 들어서 자동차 전동 윈도우 디자이너는 극히 정밀한 윈도우 몰딩 및 제조 공정에 밀리미터 정밀도의 구동 모터를 사용하거나, 아니면 힘 피드백 센서를 추가해서 윈도우가 끝(위로든 아래로든)에 도달하면 모터가 정지하도록 할 수 있다. 후자의 경우에는 더 낮은 가격대의 모터와 유리에 대해서 더 느슨한 허용오차를 사용해서 마찬가지로 훌륭하게 일을 해낼 수 있으며, 부가적 이점으로서 손가락이나 이물체가 끼었을 때 자동 스톱을 할 수 있다. 그러므로 더 낮은 비용으로 더 우수한 제품을 달성할 수 있다.
그렇다고 해서 하이엔드 XYZ 센서가 필요 없다는 말은 아니다. 고객들은 감도, 동적 범위, 대역외 제거 면에서 지불한 만큼 얻을 것이다. 이들 사양은 특정한 스텍트럼 센싱이나 빛이 아주 낮은 수준에서의 컬러 센싱 같은 경우에 중요한 요인들이다(낮은 수준의 빛일 때 뭐하러 색에 신경쓰겠는가 하고 의아해 할 수 있으나, 앞으로 어떤 대단한 앱이 등장할지는 아무도 모른다)...(중략)