적외선 열화상 카메라(2015, 고3, 10월A)

적외선 열화상 카메라

적외선 열화상 카메라는 피사체로부터 방출되는 적외선 복사 에너지를 검출해서 피사체의 표면 온도를 측정하고, 그 온도에 따라 다른 색상으로 화면에 구현해 주는 장치이다. 이것은 절대 영도, 즉 –273°C보다 높은 온도를 갖는 모든 물체는 적외선을 방출하고 있으며 물체의 온도가 높을수록 방출량이 많다는 사실에 착안하여 제작되었다. 적외선 열화상 카메라는 크게 렌즈, 검출기, 신호처리장치, 모니터 등으로 구성되어 있다.

적외선의 파장은 가시광선의 파장보다 길기 때문에 일반 카메라 렌즈는 적외선이 잘 통과하지 못한다. 따라서 적외선은 잘 통과하고 가시광선은 잘 통과하지 않는 물질인 게르마늄과 규소를 사용하여 적외선 열화상 카메라 렌즈를 만든다. 렌즈를 통과한 적외선은 검출기에 도달한다.

검출기는 적외선 복사 에너지를 전기적 신호로 바꾸어 주는 역할을 하며, 주로 볼로미터 방식을 많이 사용하고 있다. 이 방식은 마이크로볼로미터를 규칙적으로 배열하여 적외선 복사 에너지를 측정하는 방식이다. 마이크로볼로미터는 <그림>에서 보듯이 신호처리회로(ROIC)기판 위에 적외선 복사 에너지를 감지하는 사각형 모양의 구조체와 이를 받치는 두 개의 지지대로 이루어져 있다. 구조체 속에는 적외선 감지 재료가 있으며 각 지지대 속에는 금속 전극이 하나씩 들어 있는데, 금속 전극 중 하나는 감지 재료와 Y-금속층에 연결되어 있고, 다른 하나는 감지 재료와 ROIC기판에 연결되어 있다.

검출기의 구조체는 적외선 복사 에너지를 잘 흡수하고 그에 반응하여 온도도 상승해야 한다. 하지만 구조체가 적외선 복사 에너지를 흡수해서 발생하는 열은 수 나노와트(nW) 정도로 매우 작기 때문에 이 열이 효과적으로 전기적 신호로 변환되기 위해서는 외부로 빠져나가는 열 손실을 최대한 억제해야 한다. 따라서 지지대는 단면적이 작고, 열전도율이 작은 물질로 이루어져 있으며, 구조체와 ROIC기판 사이는 진공 상태로 되어 있다. 구조체의 감지 재료는 미세한 온도 증가에도 예민하게 반응하는 반도체를 사용하며, 그중 ㉠음(-)의 저항 온도 계수가 높은 산화 바나듐을 많이 쓴다. 저항 온도 계수란 온도 상승에 따라 저항 값이 변화하는 비율을 말하며, 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 감소하는 물질은 음의 저항 온도 계수를, 전기 저항이 증가하는 물질은 양(+)의 저항 온도 계수를 가진다. 결국 적외선 복사 에너지를 흡수한 구조체는 온도가 올라가며, 구조체 속 감지 재료의 온도도 상승한다. 이로 인한 감지 재료의 전기 저항 감소는 출력 전압의 증가로 이어지고, 증가된 전압은 지지대의 금속 전극을 통해 ROIC기판에 전류를 흐르게 한다.

ROIC기판과 연결된 신호처리장치는 전류의 세기에 따라 물체의 표면 온도를 판별한다. 그런데 물체에서 방출된 적외선 복사 에너지는 렌즈에 도달하기도 전에 대기 중 입자에 흡수되거나 산란되어 손실될 수 있으며, 거리가 멀수록 손실 정도가 더 커진다. 따라서 피사체와의 거리, 대기 상태 등을 고려하여 온도 값을 프로그램을 통해 다시 보정하고, 그 온도 값에 따라 각각 다른 색상으로 모니터 화면에 피사체의 열화상을 구현한다. 마이크로볼로미터 하나가 모니터 화면의 한 픽셀에 해당하도록 설계되어 있기 때문에 검출기의 마이크로볼로미터 개수가 많을수록 화면에 나타나는 화질은 그만큼 향상된다.

― 정용택, ‘적외선 열화상 카메라’