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적외선(赤外線, infrared)이란 우리 눈에는 보이지 않으면서 빨간색 보다 파장이 긴 전자기파 영역이다. 전자기파란
그림 1에 있는 바와 같이 사람이 들을 수 있는 매우 낮은 주파수의 음파에서부터 시작하여 초음파 영역, 라디오, 텔레비전, 휴대폰, 레이다에서
사용하는 라디오파 영역, 적외선 영역, 가시광선 영역, 자외선 영역, X-선 영역, 그리고 우주선 영역 등의 매우 광범위한 영역을 지칭한다.
사람이 볼 수 있는 전자기파의 영역은 가시광선 영역인데, 이는 전자기파의 영역에서 볼 때 매우 좁은 영역에 불과하다. 이처럼 자연에 존재하는
대부분의 전자기파를 사람은 느낄 수 없는 것이다. 이러한 전자기파는 잘 사용하면 인체에 좋은 것도 있지만 대부분 인체에 나쁜 것으로 알려져
있다. 특히 X-선 영역은 사람에게 너무나 위험하기 때문에 조사되는 한계량이 있으며, 이 외에도 자외선을 너무 많이 받으면 피부암의 원인이 될
수 있다. 그리고 휴대폰이나 텔레비전에서 나오는 전자기파도 한계량을 초과하게 되면 각종 병의 원인을 유발하는 것으로 알려져 있다. 그러나
적외선은 오히려 인체의 신진 대사에 도움을 주기 때문에 일부러 적외선을 쬐기 위해 많은 노력을 하고 있다.
이러한 적외선은 과연 무엇인가? 사실 모든 물체는 적외선을 내놓고 있다. 영하 273℃ 이상의 모든 물체는 물질을
이루고 있는 기본 단위인 원자들이 미소한 진동을 하고 있다. 이러한 원자들의 진동 에너지가 적외선 영역의 에너지와 동일하기 때문에 모든 물체는
적외선이 나오고 있는 것이다. 그리고 온도가 높으면 높을수록 더 많은 양의 적외선이 발산하게 되는데 이러한 이유 때문에 적외선을
열선(熱線)이라고도 부른다. 그러나 이러한 적외선도 너무 높은 온도에서는 인체에 오히려 해가 된다.
그러면 모든 물체에서 동일한 적외선이 나오는가? 물론 아니다. 적외선을 보다 잘 내놓는 물질이 있는가 하면 그렇지 못한
물질도 있다. 일반적으로 세라믹 계열인 벽돌, 진흙, 도자기, 황토 등에서는 많이 나오며, 금속 물질인 금, 은, 구리, 철 등에서는 별로
나오지 않는다. 이것을 방사율(emissivity)이라 한다. 방사율은 0에서 1까지의 값을 가지는 것으로, 이상적인 물체의 경우 방사율은 1이
된다. 이러한 물체를 흑체(黑體, blackbody)라고 부른다. 세라믹 계열의 재료들의 방사율은 대부분 0.9 이상의 값을 가지며, 금속
계통은 0.5 이하의 값을 가진다.
적외선과 온도와의 관계를 알려면 흑체의 적외선 방사 현상을 이해해야 한다. 이 물리 현상은 1900년대 초창기에 여러
물리학자들에 의해 연구되었으며, Planck라는 과학자에 의해 체계적으로 정립이 되었다. 흑체란 색깔이 검다는 것을 의미하는 것이 아니라 빛이
흑체 내부로 들어가게 되면 다시는 밖으로 나오지 않아 결국 흑체 내부에서 완전히 흡수됨을 뜻하는 것이다. 이것을 다른 말로 풀이하면 흑체에 열을
가하면 이 열은 모두 흑체에 흡수되어 흡수된 열은 적외선이라는 형태로 손실 없이 나온다는 것을 뜻한다. 흑체와 온도의 관계는 그림 2와 같다.
가로축은 파장(波長, wavelength)을 나타내며, 세로축은 적외선 복사량을 나타낸다. 즉, 온도가 올라가면 적외선이 나오는 파장의 최대값은
가시광 쪽으로 이동하고 보다 많은 양의 적외선이 나오며, 온도가 낮을수록 파장의 최대값은 긴 파장 쪽으로 이동하며 나오는 적외선의 양도 작아지는
것을 의미한다. 그리고 300K(27℃)인 상온에서는 파장의 최대값이 10 ㎛ 근처이며, 500K (223℃)의 온도에서는 5 ㎛ 근처에서
최대값을 가진다.
2. 적외선 영역의 응용
적외선을 파장으로 보면 매우 넓은 영역을 차지하기 때문에 몇 개의 영역으로 나누어서 설명하고 있다. 먼저 가시광선 바로
다음부터 2.5 ㎛ 영역까지를 단파장 영역(short wavelength infrared, SWIR)이라 하며, 3∼5 ㎛ 영역을 중파장
영역(middle wavelength infrared, MWIR)이라 하며, 8∼14 ㎛ 영역을 장파장 영역(long wavelength
infrared, LWIR)이라 한다. 그리고 이보다 더 긴 파장 영역을 원적외선 영역(far infrared)이라 부른다. 요즘 바이오
세라믹에 관련된 선전 문구를 보면 LWIR 영역의 적외선을 많은 사람들이 원적외선이라 표현하고 있다.
적외선을 여러 가지 영역으로 나누어 부르는 데는 다음과 같은 이유 때문이다. 적외선은 전자(electron)와 같이
파동이면서 입자인 성격을 가지고 있기 때문에, 물체에서 나온 어떤 영역의 적외선은 공기 중의 입자와 충돌하거나 흡수된다. 그림 3에 흡수 및
충돌을 일으키지 않고 대기를 무사히 통과하는 대기투과창을 나타내었다. 그림 3에서 가로축은 파장을 의미하며, 세로축은 대기를 투과하는 정도를
의미한다. 그림에서 보듯이 바로 SWIR, MWIR 그리고 LWIR 영역이 대기를 무사히 통과함을 알 수 있다. 그리고 MWIR은 온도가
500K에 해당하는 적외선이 최대로 나오는 파장 영역이며, LWIR은 300K에 해당하는 적외선이 최대로 나오는 영역이다. 우리 생활과 밀접히
관련된 파장 영역은 바로 LWIR이며 민수용으로 많이 응용되고 있으며, MWIR은 비행기나 미사일의 연기에서 나오는 온도와 일치하기 때문에
군수용으로 사용되고 있다. 또한 SWIR 영역은 광통신에 응용되고 있다.
그림 3. 적외선의 대기 투과창
적외선이 응용되고 있는 대표적인 분야를 그림 4에 나타내었다. 위의 그림은 사람의 눈을 통해 본 가시광 영상 사진이며,
아래 그림은 적외선 센서를 통해 본 적외선 영상 사진이다. 그리고 위와 아래의 첫 번째 그림은 사람 손바닥을 본 것인데, 가시광으로는 형체만
인식하지만 적외선으로 보면 손바닥의 형체 뿐만 아니라 손바닥 내의 온도 분포를 알 수 있기 때문에 이것은 의료용으로 응용될 수 있음을 나타내는
단적인 예이다. 그리고 두 번째의 위 그림은 파이프관 3개가 있음을 보여줄 뿐이지만, 적외선 센서를 통해 본 적외선 영상은 가운데 관이 다른 두
관보다 온도가 높은 물이 흐르고 있음을 보여주고 있다. 또한 관 내부가 막혀 있는지의 여부도 판정할 수 있기 때문에 공정제어 등에 응용될 수
있다. 세 번째의 위 그림은 밤이라 아무것도 보이지 않지만, 적외선을 통해 보면 사람이 두 명이 있음을 알 수 있다. 이로부터 밤에 무인 경비
시스템 등에 응용이 될 수 있음을 알 수 있다. 그리고 마지막 그림의 위 그림은 공장의 바깥 모습만을 알 수 있지만, 적외선으로는 창문 사이로
열이 빠져 나오고 있음을 보여 주고 있다. 이것은 건물의 단열 여부를 판정하는데 응용이 될 수 있다.
그림 4. 적외선이 응용되고 있는 분야의 예
비단 앞에서 예를 든 4가지 그림 이외에도 많은 응용이 가능하다. 불이 났을 때 불에 탄 후 연기가 자욱한 가운데서는
현장에 생존자나 상황 판단을 할 수 없지만 적외선 센서를 통해서 보면 연기가 없는 것과 같은 효과로 현장의 상황을 판단할 수 있기 때문에 신속한
응급 조치가 가능할 것이다. 그리고 집적회로 기판의 이상 여부를 판별하기 위해 적외선으로 보면 이상이 있는 부위는 열이 나기 때문에 잘못된
위치를 쉽게 찾을 수 있다. 또한 온도가 매우 높은 전기로 또는 용광로 등에서 온도를 읽고자 할 경우 기존의 열전대(thermocouple)를
로에 넣는 순간 높은 온도 때문에 녹아 내린다. 그러므로 비접촉식인 적외선 이외에는 방법이 없다. 그 이외에도 전기 배선의 이상 유무 등 열이
발생하는 모든 분야에는 응용이 가능한 것이다.
3. 적외선 영상 시스템의 원리
어떤 물체의 형태를 인식하고자 하려면 사람의 눈을 생각하면 쉽게 이해가 된다. 눈으로 넓은 영역을 보려면 얼굴을
돌리거나 눈알을 굴리면서 전체를 인식한다. 여기에서 눈은 적외선 센서에 해당하며, 눈알을 굴리는 것은 적외선 광학계에 해당한다. 그리고 얼굴은
적외선 영상 시스템 전체를 의미한다. 이와 같은 원리를 응용하여 두 가지 방법의 광학계를 이용하여 영상을 획득한다. 먼저 그림 5와 같은 수평,
수직 거울을 돌리면서 전체를 인식하는 주사 방법(scanning type)과 그림 6과 같이 수평, 수직 거울 없이 인식하는 주시
방법(staring type)이 있다.
주사(Scanning) 방법은 모니터에 나오는 물체를 실시간으로 보고자 하면 수평, 수직 거울을 고속으로 움직이도록
해야 한다. 왜냐하면 모니터의 주사선을 250선으로 보고, 영상을 무리 없이 보고자 하면 초당 24 프레임은 되어야 하므로, 기본적으로 세로
축으로는 24×250에 의해 초당 6000번을 움직여야 한다. 그리고 가로축도 같은 비율로 움직여야 하므로 세로축은 6000×250에 의해 약
1MHz 이상의 주기로 움직여야 한다는 결론에 도달한다. 그러므로 거울이 이렇게 빨리 움직이려면 구동 부분이 특수 설계로 이루어져야 한다.
보통의 평면 거울로는 이 속도를 도저히 낼 수 없기 때문에 8각형 또는 그 이상의 각을 이룬 거울을 사용한다. 이 방법의 장점은 주사하면서
신호를 증폭하여 신호 대 잡음비를 높일 수 있는 것과 센서의 소자 개수가 작아도 된다는 것이다. 그러나 광학계의 복잡성 때문에 시스템 자체의
크기와 무게 때문에 이 방법보다는 주시 방법으로 기술이 옮겨가고 있다.
주시(Staring) 방법은 주사 방법과는 달리 거울이 없는 대신에 센서의 소자 하나 하나가 모니터의 한 픽셀에
해당하도록 설계되어 있다. 그러므로 센서의 소자 개수가 많으면 많을수록 화면에 나타나는 화질은 그만큼 향상되며, 복잡한 광학계가 없기 때문에
크기 및 무게에서 많은 이점을 갖고 있다. 주시 방법에 사용되는 적외선 센서는 256×256 이상의 이차원 배열을 갖는 소자가 필요하며, 현재
센서의 재료에 따라 다르지만, PtSi를 사용한 경우 1024×1024 배열을 갖는 센서가 개발되어 실용화되었으며, 가장 성능이 우수한
HgCdTe 반도체형 센서인 경우 512×512 배열까지 개발되어 있다.
주사 및 주시 방법으로 광학계에서 센서에 적외선을 집속시켜 주면 센서는 적외선과 반응하여 전압 또는 전류를 발생시킨다.
그런데 센서의 소자 개수가 많아지게 되면 소자 각각의 특성들이 일정하지 않기 때문에 신호처리기에서는 각 소자의 신호 크기를 보상해 주거나 반응을
하지 않는소자의 신호도 보상해 주어 모니터에 깨끗한 영상이 구현되도록 해야 한다. 이러한 역할의 내용을 그림 7에 나타내었다. 첫 번째 그림은
각 소자의 특성들이 서로 다른 특성을 갖고 있음을 나타내고 있다. 주위 온도에 변화에 대해 반응하는 정도와 기준점인 offset이 모두 다르다.
이것을
그림 7. 신호처리기에서 하는 역할
두 번째 그림에서 기준점인 offset을 모두 맞추고, 세 번째 그림에서처럼 소자의 특성을 모두 균일하게 맞추어 주면,
온도 변화에 대한 반응 정도가 모두 동일하게 나타나게 되어 깨끗한 상을 얻을 수 있는 것이다.
4. 적외선 센서의 원리 및 종류
적외선 영상 시스템에서 가장 핵심이 되는 기술은 사람 눈에 해당되는 적외선 센서의 개발이다. 적외선 센서의 재료에는
작동 원리에 따라 크게 양자형(photon)과 열형(thermal)으로 나눌 수 있다. 양자형은 주로 반도체 재료이며, 열형은 반도체 이외의
재료들이다. 반도체 재료들은 특성은 좋으나 액체 질소 온도(-193℃)에서 작동한다는 단점이 있는 반면에, 열형 재료들은 성능은 반도체에 비해
다소 떨어지지만 대부분 상온에서 동작한다는 장점이 있다. 그리고 반도체 재료들은 대부분 낮은 온도에서 작동하고 열형 재료들은 상온에서 동작하기
때문에, 작동 온도에 따라 냉각형과 비냉각형으로 구분하기도 한다. 이러한 이유로 냉각이 필요한 양자형 재료들은 주로 군수용의 목적으로 연구되고
있으며, 비냉각형(uncooled)인 열형 재료들은 민수용으로 개발 중에 있다.
이러한 적외선 센서 재료들의 작동 온도 및 반응하는 적외선 파장 영역을 그림 8에 요약하였다. 이 그림에서 가로축은
적외선 파장을 나타내며, 세로축은 센서의 성능을 나타내는 값으로 탐지도(Detectivity, D*)라고 정의된 값이다. 이 값의 의미는 센서에
입사한 적외선을 전기적 신호로 얼마나 잘 변환시켜 주는가 하는 것과 미세한 온도 차이를 얼마나 잘 구분하는가를 표시해 주는 값이다. 그러므로 이
값이 클수록 성능이 우수한 적외선 센서이다. 그리고 그림 8에 있는 두 개의 점선은 이론적으로 접근이 가능한 가장 높은 탐지도를 나타낸다.
그러나 그림 8에 있는 탐지도는 단일 소자에 대한 값이므로 일차원 또는 이차원 배열의 센서인 경우는 각 소자에서 나오는 신호들을 적분해서
신호처리를 하기 때문에 이론적인 값보다 높게 나온다.
반도체 재료들은 적외선에 반응하여 전기적 신호로 기여하는 전자가 내인성(intrinsic),
외인성(extrinsic), 그리고 자유전자형(free electron)인가에 따라 분류가 되며, 열형 재료들은 작동 원리에 따라
열전효과(thermoelectric), 볼로미터(bolometer), 그리고 초전효과(pyroelectric)를 이용한 재료들로 분류된다.
내인성 반도체 재료에는 PbS, PbSe, InSb, HgCdTe 등이 있으며, 외인성 반도체 재료에는 Si:In, Si:Ga, Ge:Hg 등이
있으며, 자유전자 반도체 재료에는 PtSi, Pt, Si 등이 있다. 이들의 작동 온도는 대부분 저온에서 작동하는 냉각형 재료들이다. 이러한
반도체 재료의 작동 원리는 입사한 적외선의 에너지를 흡수하여 여기된 전자(excited electron)가 신호로 기여하는
광전도(photoconductive) 현상이다. 여기된 전자가 가전도대(valence band)에 있는 전자가 전도대(conduction
band)로 천이(transition)한 경우를 내인성 반도체라 부르며, 여기된 전자가 불순물 준위(impurity level)에서 온 경우를
외인성 반도체라 한다. 그리고 가전도대 내에서 여기되거나 Schottky 장벽 효과를 이용한 경우를 자유전자형 반도체로 분류한다. 또한 소자
형태에 따라 단순한 저항 형태로 된 경우를 광전도형(photoconductive, PC) 소자라 하며, 다이오드 형태를 이룬 경우를
광기전력형(photovoltaic, PV) 소자라 부른다. 이외에도 양자 우물(quantum well) 구조를 가진 GaAs/GaAlAs
반도체는 상온에서 동작하며, 양자우물 내에 존재하는 준위들의 에너지 차이가 입사하는 적외선 에너지와 비슷하게 하여 신호를 생성하게 하는 반도체
재료이다.
열전효과는 두 종류의 금속을 접촉해 놓고, 접촉점에 열을 가하면 열에 의해 기전력의 차이가 발생하는 현상을 이용한
것으로 열전대(thermo-couple)와 이러한 열전대를 직렬로 모아 놓은 열전기더미(thermopile)가 있다. 볼로미터 효과는 입사한
적외선에 의해 재료의 온도가 상승하여 저항이 급격히 변하는 효과를 이용한 것으로 Si, Ge, V2O5, 초전도체(Superconductor)
등이 있다. 그리고 초전효과는 유전체(dielectrics)의 양면에 금속판을 만든 후 적외선을 입사하면 내부 분극이 바뀌어 금속판의 전하량이
바뀌는 현상으로 BaSrTiO3, PZT 등의 초전체(pyroelectrics) 등이 있다.
양자형과 열형은 각각의 장점이 있기 때문에 응용 분야에 따라서 사용하는 재료가 달라진다. 군수용처럼 가격보다는 성능
위주로 적외선을 감지하고자 하면 반드시 양자형의 재료를 사용해야 한다. 그러나 민수용은 성능보다는 가격도 고려되어야 하므로 열형 재료를 많이
사용하고 있다. 이러한 적외선 센서들은 가격면에서 보면 수 만원에서부터 수 천만원까지 다양한 층을 이루고 있다. 그러므로 적용하고자 하는 목적을
명확하게 해야만 가격 대 성능이 우수한 적외선 센서를 채택할 수 있을 것이다.
5. 맺음말
적외선 센서는 다른 말로 표현하면 어떤 물체에서 나오는 미소한 온도 변화를 전기적 신호로 바꾸어 주는 것이다. 그러므로
적외선 센서의 핵심 기술은 온도의 변화에 민감하게 변하는 재료를 어떻게 구현하는가 하는 것이다. 적외선 센서의 역사는 1800년경
Herchel이 열전대를 사용하여 적외선 방사를 탐지한 것을 시작으로 하여 꾸준한 연구를 거듭하다가, 1950년대 중반에 Ge:X와 InSb
반도체가 개발되었고, 1959년에 Lawson등이 에너지갭을 조절할 수 있는 HgCdTe 반도체를 발견한 이후로 선진국에서는 매우 활발히
연구되고 있는 분야이다.
현재 적외선 센서의 기술 추이는 크게 두 가지 분류인데, 하나는 냉각형인 반도체 재료를 이용하여 성능이 우수한
515×512 이상의 이차원 배열 소자를 개발하는 것이고, 다른 하나는 비냉각형 재료의 개발을 들 수 있다. 냉각형인 반도체 재료는 소자 제조가
매우 어렵고 온도를 내리기 위한 진공 용기와의 조립 기술도 어렵기 때문에 가격이 매우 비싼 것이 단점으로 지적되고 있다.
이러한 단점을 극복하기 위해 성능이 우수한 비냉각형 재료 개발에 많은 연구가 진행되고 있다. 뿐만 아니라 비냉각형인
열형 재료들은 입사한 적외선에 의해 재료 내부의 특성이 바뀌는 것이기 때문에 반응한 후에는 빨리 원래의 상태로 되돌아가야 한다. 그러므로 발생된
열을 외부로 빨리 내 보낼 수 있는 구조로 이루어져야 한다. 이러한 구조를 구현하기 위해 두께가 매우 얇은 박막 형태를 MEMS(Micro
Electro Mechanical System) 기술을 이용하여 구현하고 있다.
지금까지 적외선 센서의 원리 및 재료에 대해 개략적인 내용을 소개하였다. 사람의 오감은 자연의 웅장함에 비하면 극히
일부분에 제한되어 있다. 자연에 감추어진 여러 가지 자연 현상을 밝혀내어 이용하면 그 응용 범위는 사람의 상상을 초월할 만큼 매우 광범위할
것이다. 적외선 영역도 사람이 느낄 수 없는 영역이지만 적외선 센서를 이용한다면 또 다른 세계를 경험할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 원리를
이용하여 많은 사람이 연구하다 보면 새로운 학문의 영역도 개척될 것이다. 이 자연의 도구를 어떻게 사용할 것인가? 우리에게는 또 다른 과제가
남아 있다. 센서의 개발도 중요하지만 어떻게 사용할 것인가 하는 것도 매우 중요한 문제이다. 이 글을 통해서 적외선에 대한 많은 관심을 갖게
되기를 바란다.
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