카메라 해부: 분해와 조립
1장에서 카메라를 여섯 개의 하위 시스템으로 나눠 보았다면, 이번 장에서는 실제로 나사를 풀어 봅니다. 전형적인 풀프레임 미러리스 바디와 24–70 mm 표준 줌 렌즈를 3D로 한 겹씩 뜯어내고, 각 부품이 왜 그 자리에 있는지, 얼마나 무거운지, 서로 어떻게 묶여 있는지, 그리고 공장에서 어떤 순서로 얼마나 정밀하게 다시 조립되는지 살펴봅니다.
- 바깥 조작부의 배치가 손의 구조와 내부 부품 배치에서 나온다는 것을 안다.
- 바디와 렌즈 속 주요 부품 15여 개의 이름, 위치, 역할을 말할 수 있다.
- 무게 예산에서 무엇이 지배적인지, 센서 포맷이 바디와 렌즈 무게에 어떻게 작용하는지 이해한다.
- 센서를 마운트 기준으로 수십 µm 이내로 맞춰야 하는 이유를 초점 심도로 설명할 수 있다.
겉에서 보는 카메라
카메라를 분해하기 전에 겉모습부터 읽어 봅시다. 버튼과 다이얼의 위치는 디자이너의 취향이 아니라 두 가지 제약이 만든 결과입니다. 하나는 사람의 손이고, 다른 하나는 그 안에 들어갈 부품입니다.
오른손은 카메라를 쥐고, 왼손은 렌즈 아래를 받칩니다. 그래서 셔터를 누르는 검지 주변에 셔터 버튼과 앞 다이얼이, 엄지 주변에 뒤 다이얼·AF 버튼·조이스틱이 모입니다. 손가락 하나가 한 가지 변수를 맡는 셈입니다. 노출 변수(조리개·셔터·ISO)를 이 다이얼들에 어떻게 나눠 주는지는 14장에서 다룹니다.
파노라마를 찍으려 카메라를 돌릴 때 회전축이 렌즈 중심선 가까이에 있어야 시차가 작습니다. 그리고 바디만 놓고 보면 무게 중심이 그립 쪽에 있지만, 렌즈를 끼우면 무게 중심이 광축 쪽으로 옮겨 오기 때문에 그 아래가 균형점에 가깝습니다.
바디를 열면
아래 모델은 최근 풀프레임 미러리스 바디와 f/4 표준 줌 렌즈의 전형적인 배치를 단순화해 만든 것입니다. 특정 제품을 옮긴 것이 아니라, 부품의 대략적인 크기·위치·쌓이는 순서를 여러 제품의 공통점에서 뽑았습니다. 슬라이더로 분해해 보고, 부품을 눌러 정보를 확인한 뒤, 조립 순서 버튼으로 공장의 순서대로 하나씩 다시 끼워 보세요.
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부품 목록
앞쪽: 마운트에서 센서까지
바디의 뼈대는 섀시(Chassis)라 부르는 마그네슘 합금 프레임입니다. 마그네슘 합금은 밀도가 약 1.8 g/cm³로 알루미늄(2.7)보다 가볍고 다이캐스팅으로 복잡한 모양을 만들 수 있어 카메라 프레임에 널리 쓰입니다. 이 프레임 앞면에 스테인리스강 마운트(Lens Mount) 링이 나사로 고정되고, 뒤에서 셔터 유닛과 센서 유닛이 차례로 붙습니다. 모든 광학 기준은 마운트 면 하나에서 시작합니다.
- 마운트와 접점 — 렌즈를 기계적으로 붙잡는 바요넷(Bayonet) 날개와, 렌즈에 전원을 주고 통신하는 금도금 마운트 접점(Mount Contacts)이 있습니다. 풀프레임 미러리스 마운트의 안지름은 대략 46–55 mm입니다. 미러리스는 거울 상자가 없어 플랜지 백이 16–20 mm 정도로, DSLR(약 44–47 mm)의 절반이 안 됩니다. 덕분에 DSLR 렌즈를 어댑터로 끼울 수 있지만 그 반대는 안 됩니다.
- 셔터 유닛 — 앞막·뒷막 두 장의 날개 묶음이 센서 바로 앞을 위아래로 달리는 포컬 플레인 셔터입니다. 막 하나가 화면을 가로지르는 데 수 ms가 걸리고, 정격 수명은 보통 20만~50만 회입니다. 동작 원리는 4장, 셔터 속도의 쓰임은 12장에서 다룹니다.
- 필터 스택 — 센서 앞의 1–2.5 mm 두께 유리 묶음입니다. 근적외선을 막는 IR 컷 필터(IR-cut Filter), 모아레를 줄이려 상을 아주 조금 번지게 하는 광학 로우패스 필터(OLPF)(요즘 고화소 기종은 생략하기도 함), 그리고 맨 앞의 커버 글라스가 겹쳐 있습니다. 가장자리의 압전 소자가 이 유리를 수십 kHz로 떨어 먼지를 털어 내는 것이 더스트 리덕션(Dust Reduction)입니다.
- 센서와 IBIS 스테이지 — 이미지 센서 칩은 세라믹 패키지에 실려 있고, 그 패키지가 자석·코일·홀 센서로 이루어진 IBIS 스테이지 위에 떠 있습니다. 손떨림을 상쇄하려고 센서가 상하·좌우·회전으로 밀리미터 단위까지 움직입니다. 센서 내부는 5장, IBIS의 구동은 4장에서 봅니다.
안쪽과 뒤쪽: 두뇌, 눈, 전원
- 메인보드 — 센서 유닛 바로 뒤에 놓인 다층 기판입니다. 가운데에 영상 처리 엔진(ISP·CPU·코덱이 한 칩에 든 SoC), 옆에 수 GB의 DRAM, 배터리 전압을 수십 가지 전압으로 나누는 전원 IC(PMIC)들이 있습니다. 데이터가 흐르는 길은 6장에서 따라갑니다.
- 카드 슬롯 — SD(UHS-II)나 CFexpress 카드 슬롯이 그립 옆면에 붙어 메인보드와 연결됩니다. 카드 쓰기 속도가 연사 버퍼를 비우는 속도를 정합니다(20장).
- EVF 모듈 — 대각 0.5–0.64인치 정도의 마이크로 OLED(Micro-OLED) 패널과, 그것을 크게 보여 주는 3–5장짜리 접안 광학계(Eyepiece Optics), 눈이 다가오면 LCD를 끄는 근접 센서와 시도 조절 기구로 이루어집니다. 화소 수는 수백만~900만 도트 안팎입니다.
- 틸트 LCD — 3–3.2인치 터치 패널이 경첩에 매달려 있습니다. 경첩을 지나는 얇은 플렉스 케이블이 수만 번의 접힘을 견뎌야 합니다.
- 윗면 커버와 핫슈 — 다이얼과 버튼, 그리고 플래시·마이크를 꽂는 핫슈(Hot Shoe)가 있습니다. 핫슈의 접점은 플래시 발광 신호와 통신(21장)을 실어 나릅니다.
- 배터리 — 리튬이온 셀 2개를 직렬로 묶은 약 7 V, 14–16 Wh 팩이 흔합니다. 무게 70–90 g으로 바디에서 가장 무거운 단일 부품 중 하나입니다. 촬영 가능 매수와 발열은 8장에서 다룹니다.
- 외장과 씰 — 섀시 위에 앞·윗·뒷·바닥 커버가 덮이고, 커버의 이음새·버튼·다이얼 축·덮개마다 고무 개스킷이 들어가 먼지와 빗방울을 막습니다(방진·방적). 완전 방수는 아닙니다.
IBIS 때문에 센서는 프레임에 단단히 붙어 있지 않습니다. 그래서 ① 센서에서 나오는 수십 쌍의 고속 신호선이 센서와 함께 움직여도 끊어지지 않도록 여유 있게 접힌 플렉스 케이블로 연결해야 하고, ② 센서의 열을 금속 프레임으로 직접 빼낼 수 없어 얇은 방열 시트나 공기를 통해 돌아가야 합니다. 동영상 발열 제한이 생기는 이유 중 하나입니다(8장).
렌즈를 열면
렌즈는 '유리 몇 장을 담은 통'이 아니라, 모터와 센서와 컴퓨터를 품은 또 하나의 기계입니다. 24–70 mm f/4 표준 줌은 보통 10~15장의 렌즈를 몇 개의 렌즈 군(Lens Group)으로 묶고, 줌과 초점에 따라 군들이 서로 다른 거리만큼 움직입니다. 군의 순서와 개수는 설계마다 다르지만 기능 단위로 보면 대체로 아래와 같습니다.
| 부분 | 하는 일 | 움직임과 구동 |
|---|---|---|
| 앞군 | 가장 큰 유리. 넓은 화각의 빛을 받아들이고 전체 굵기(필터 지름)를 정한다 | 줌할 때 통째로 앞뒤로 나오기도 한다 |
| 변배군·캠 통 | 군 사이 간격을 바꿔 초점거리를 바꾼다 | 줌 링이 캠 통을 돌리면, 기울어진 캠 홈을 따라 핀이 미끄러지며 각 군이 정해진 곡선대로 이동 |
| OIS 군 | 손떨림 반대 방향으로 상을 옮긴다 | 광축에 수직으로 이동. 보이스 코일 + 홀 센서, 렌즈 속 자이로 또는 바디 자이로 신호 |
| 조리개 유닛 | 빛의 양과 심도를 조절(11장) | 7~11장의 날개, 스테핑 모터로 1/8스톱 안팎까지 미세 구동 |
| 초점 군 | 초점 거리를 맞춘다(16장) | 가볍게 만든 1~2장. 리니어 모터(Linear Motor)나 스테핑 모터가 가이드 봉을 따라 광축 방향으로 직접 민다 |
| 뒷군 | 상을 센서 크기에 맞게 정리하고 수차를 마저 보정 | 대개 고정 |
| 마운트·제어 기판 | 바디와 기계적·전기적 연결. MCU와 펌웨어가 모터·센서를 제어하고 보정 데이터를 보낸다 | 고정. 펌웨어는 바디를 통해 업데이트 |
초점 군을 작고 가볍게 만드는 것이 현대 렌즈 설계의 중요한 목표입니다. 움직이는 질량이 작을수록 모터가 빨리 가속·정지할 수 있고, 동영상에서 초점이 움직일 때 화각이 출렁이는 포커스 브리딩도 줄이기 쉽습니다. 왜 유리를 여러 장 써야 하는지는 3장, 모터의 종류와 속도는 4장에서 다룹니다.
렌즈 기판의 마이크로컨트롤러는 초점 군과 조리개의 현재 위치를 엔코더로 읽어 바디에 보고하고, 바디가 보낸 명령대로 모터를 움직입니다. 또 왜곡·주변 광량 저하·색수차 같은 보정 데이터를 바디에 넘겨 JPEG 처리와 RAW 현상에 쓰게 합니다. 그래서 렌즈도 펌웨어 업데이트를 받습니다.
무게와 부피의 예산
분해 뷰어의 숫자를 모으면 풀프레임 미러리스 바디는 배터리와 카드를 포함해 대략 600–750 g입니다. 놀랍게도 그 무게의 절반 가까이는 센서나 칩이 아니라 구조물(섀시·외장 커버·마운트)과 배터리가 차지합니다. 전자 부품은 작고 가볍지만, 그것을 붙잡고 보호하고 손에 쥐게 하는 데 무게가 듭니다.
| 하위 시스템 | 대략적 질량 | 무엇이 정하나 |
|---|---|---|
| 섀시·외장 커버·마운트 | 250–350 g | 바디 크기, 소재(마그네슘 vs 플라스틱), 방진·방적 수준 |
| 배터리 | 70–90 g | 촬영 매수·동영상 시간 목표 |
| 전자부(메인보드·슬롯·잡부품) | 70–110 g | 방열판·차폐, 카드 슬롯 수 |
| 센서 유닛 + IBIS | 40–90 g | 센서 크기, 보정 이동량 → 자석·코일 크기 |
| EVF + LCD | 50–90 g | 뷰파인더 배율, 화면 크기·관절 방식 |
| 셔터 유닛 | 15–35 g | 센서 크기, 최고 속도, 내구 등급 |
그렇다면 센서가 작아지면 카메라는 얼마나 가벼워질까요? 바디에서 센서 크기를 직접 따라 줄어드는 부품(셔터, IBIS, 센서·필터, 마운트 일부)은 일부일 뿐이고, 버튼·다이얼·화면·배터리는 사람 손과 사용 시간이 정하므로 잘 줄지 않습니다. 렌즈는 사정이 더 미묘합니다. 아래 시뮬레이터에서 직접 확인해 보세요.
무게 예산: 센서 포맷을 바꾸면
같은 화각·같은 F값으로 비교하면 렌즈는 크롭 팩터의 세제곱으로 작아집니다. 하지만 배경 흐림과 총 빛의 양까지 같게 하려면(11장의 등가 조리개) 입사동 지름을 그대로 둬야 하므로 렌즈가 기대만큼 작아지지 않습니다. 같은 사진을 찍으려면 같은 크기의 '빛 구멍'이 필요하다는 물리입니다.
부품이 서로 묶이는 방식
분해한 부품들을 다시 하나의 시스템으로 만드는 것은 세 종류의 연결입니다. 신호(데이터와 명령), 전력, 그리고 눈에 잘 띄지 않는 열입니다.
신호: 플렉스 케이블
카메라 내부의 배선은 대부분 폴리이미드 필름 위에 구리선을 새긴 플렉스 케이블(FPC, Flexible Printed Circuit)입니다. 얇고 접을 수 있어 좁은 틈을 돌아 나갈 수 있습니다. 가장 바쁜 길은 센서 → 엔진입니다. 2,400만 화소 × 14비트 × 초당 30장만 해도 \(24\times10^6 \times 14 \times 30 \approx 10\) Gbit/s, 고속 연사·고해상 동영상이면 그 몇 배가 됩니다. 이 데이터는 여러 쌍의 고속 차동 신호선(레인)으로 나뉘어 흐르고, 레인 사이 길이와 임피던스를 맞추도록 설계됩니다.
렌즈와의 대화: 마운트 통신
렌즈를 끼우면 바디는 먼저 마운트 접점으로 렌즈에 전원을 주고, 렌즈의 종류·초점거리 범위·조리개 범위·보정 데이터를 읽습니다. 그다음부터는 직렬 통신으로 쉬지 않고 대화합니다. 바디는 "초점 군을 이만큼, 이 속도로 움직여라", "조리개를 f/5.6으로"를 보내고, 렌즈는 현재 초점 위치·줌 위치·조리개 상태·OIS 상태를 보고합니다. 현대 마운트는 이 교환을 센서 프레임 주기에 맞춰 초당 수십~수백 번 반복하며, 고속 AF와 동영상 중의 매끄러운 초점 이동이 여기에 달려 있습니다. 통신 규격은 대부분 회사별 비공개이고, 그래서 서드파티 렌즈와 어댑터는 이를 역설계하거나 라이선스를 받습니다. 3A 제어 루프는 7장에서 다룹니다.
접점은 대략 세 무리로 나뉩니다. 전자회로용 전원과 접지, 모터처럼 순간 전류가 큰 부하를 위한 별도 전원과 접지, 그리고 클록·데이터·핸드셰이크 같은 통신선입니다. 모터 전류가 통신선 전압을 흔들지 않도록 전원과 접지를 따로 둡니다.
열의 길
열원은 크게 둘입니다. 동영상이나 연사 중 수 W를 쓰는 영상 처리 엔진과, 판독 속도가 높을수록 뜨거워지는 센서입니다. 엔진의 열은 열전도 패드 → 금속 방열판 → 마그네슘 섀시 → 외장 커버 → 공기 순으로 퍼집니다. 마그네슘 섀시는 뼈대이면서 동시에 방열판입니다. 센서는 앞서 말했듯 떠 있어서 길이 좁습니다. 동영상 특화 기종 일부가 팬과 공기 통로를 넣는 이유입니다(8장).
조립 순서와 공차
공장에서 카메라는 대체로 안에서 밖으로, 앞에서 뒤로 조립됩니다. 핵심은 순서보다 기준입니다. 모든 정밀 부품은 마운트 면 하나를 기준으로 위치를 잡습니다.
| 단계 | 작업 | 왜 이 순서인가 |
|---|---|---|
| 1 | 섀시에 마운트 고정 | 모든 광학 기준면을 먼저 확정 |
| 2 | 셔터 유닛 장착 | 센서보다 앞에 있어 먼저 들어가야 함 |
| 3 | 센서 유닛(센서·필터·IBIS) 장착과 위치·기울기 조정 | 마운트 면 기준 거리와 평행도를 측정하며 나사·심(shim)으로 맞춘 뒤 고정 |
| 4 | 메인보드·카드 슬롯, 플렉스 연결 | 센서 조정이 끝난 뒤 덮어야 다시 열 일이 없다 |
| 5 | 상판(EVF·다이얼·핫슈), 후면(버튼·LCD), 앞 커버·그립, 바닥판 | 외장은 마지막. 씰도 이때 들어간다 |
| 6 | 보정과 검사 | 자이로·IBIS 보정, 센서 결함 화소·쉐이딩·색 보정, AF 보정, 기능 검사 |
3단계가 가장 까다롭습니다. 렌즈는 "마운트 면에서 정확히 이만큼 뒤에 센서가 있다"고 가정하고 설계됩니다. 센서가 그보다 앞이나 뒤에 있으면 무한대에 초점이 맞지 않고, 한쪽으로 기울어 있으면 화면 한쪽은 선명한데 반대쪽은 흐릿해집니다. 그래서 제조사는 센서를 마운트 면 기준 대략 ±10–20 µm(머리카락 굵기의 1/5 정도) 안에 넣고, 기울기도 같은 수준으로 맞춥니다. 얼마나 정밀해야 하는지는 초점 심도(Depth of Focus)가 정합니다.
센서가 이상적인 초점면에서 \(\delta\)만큼 어긋나면, F값 \(N\)인 빛 원뿔이 센서에 지름 \(b\)의 원을 그립니다. 이 원이 허용 착란원 \(c\)보다 작으면 선명해 보입니다.
$$b \approx \frac{|\delta|}{N}, \qquad \text{초점 심도 } = 2Nc \;(\pm Nc)$$즉 허용되는 센서 위치 오차는 F값에 비례합니다. f/8에서는 넉넉하지만 f/1.2에서는 6배 이상 빡빡합니다.
플랜지 백 오차와 초점 심도
센서 기울기나 렌즈 군의 미세한 기울기(편심)는 f/8에서는 심도 속에 숨지만, f/1.4로 개방하면 바로 드러납니다. 렌즈 리뷰에서 "개방에서 좌우 해상력이 다르다"는 말이 나오는 이유입니다. 렌즈 쪽 군의 조립 정렬은 3장, 센서 칩 자체의 평탄도는 SensorBook의 모듈 장에서 더 볼 수 있습니다. 스마트폰 카메라 모듈은 렌즈를 센서에 맞춰 능동 정렬하는데, 이는 PhoneBook에서 다룹니다.
핵심 정리
- 조작부 배치는 손(검지·엄지가 닿는 범위)과 내부 부품(그립 속 배터리, 광축 위 EVF)이 함께 정한다.
- 광축을 따라 마운트 → 셔터 → 필터 스택 → 센서(IBIS 위) → 메인보드 → 후면 LCD 순으로 쌓인다. 마운트 면에서 센서까지가 플랜지 백(미러리스 약 16–20 mm)이다.
- 필터 스택은 IR 컷·OLPF·커버 글라스와 먼지 털기용 압전 소자로 이루어지며, 그 두께까지 렌즈 설계에 들어간다.
- 렌즈는 앞군·변배군(캠 통)·OIS 군·조리개·초점 군·뒷군·마운트 기판으로 이루어진 기계이자 컴퓨터다. 초점 군은 작고 가볍게 만든다.
- 바디 무게의 큰 몫은 구조물과 배터리다. 센서가 작아져도 손과 화면이 정하는 부분은 줄지 않고, 등가 조리개를 유지하면 렌즈도 기대만큼 작아지지 않는다.
- 부품은 플렉스 케이블(신호), 마운트 접점(렌즈 전원·통신), 방열 경로(엔진 → 섀시)로 묶인다. 떠 있는 센서는 배선과 방열을 어렵게 한다.
- 센서는 마운트 면 기준 ±10–20 µm 수준으로 위치와 기울기를 맞춘다. 허용 오차는 초점 심도 ±Nc에 비례하므로 밝은 렌즈일수록 엄격하다.
확인 퀴즈
미러리스 카메라의 배터리가 대개 그립 속에 들어가는 이유로 가장 알맞은 것은?
미러리스는 DSLR 렌즈를 어댑터로 쓸 수 있지만 그 반대는 어렵다. 그 이유는?
허용 착란원 c = 9 µm일 때 f/1.2 렌즈의 초점 심도(±Nc)는 대략?
센서가 미세하게 기울어 조립되었다. 센서면 AF로 가운데에 초점을 맞추면 어떻게 될까?
배경 흐림까지 같은 '등가' 표준 줌을 M4/3용으로 만들면, 풀프레임 f/4 렌즈에 비해 무게는?
IBIS가 있는 바디에서 센서를 메인보드에 잇는 데 플렉스 케이블을 쓰는 가장 큰 이유는?