과학자, 연구인, R&D 전문가들은 산업 R&D, 학술연구, 비파괴시험 및 재료분석, 군사 및 우주항공 등의 분야에서 광범위한 용도에서 열화상 카메라를 사용하고 있다. 그러나 모든 열화상 카메라가 다 같은 것은 아니며, 예를 들어 고속으로 변화하거나 진행되는 이벤트를 정확하게 관측하려면 고성능 열화상 카메라가 필요하다.

현재 열화상 카메라는 각종 과학 및 산업용 R&D 프로젝트에서 강력한 비침습적 분석 도구로 사용되고 있다. 또한 적외선 카메라 사용으로 설계 단계에서 문제점을 조기에 파악하고 이를 문서화함으로써 문제가 악화되어 수리에 큰 비용을 들이기 전에 즉시 시정조치를 취할 수 있다.

R&D에 사용되는 열화상 기술

적외선(IR)은 사람의 육안에는 보이지 않는다. 그러나 열화상 카메라는 적외선을 실화상으로 변환하여 대상 물체나 장면 전체의 온도 변화와 차이를 눈으로 볼 수 있게 해준다. 절대온도 이상의 모든 물체는 전자기파의 일부분인 적외선을 복사하며 그 복사강도는 온도의 상승과 함께 증가한다.
 
FLIR의 적외선 열화상 카메라는 모든 물체의 온도분포와 그 변화를 실시간 기반으로 측정하고 기록할 수 있으므로, 엔지니어와 연구원은 열 패턴, 분산, 각종 누설 등 장비, 제품, 공정상의 다양한 온도 관련 문제를 눈으로 볼 수 있을 뿐만 아니라 정밀하게 측정 기록할 수 있다. FLIR 열화상 카메라는 0.02°C의 미세한 온도 차이까지 측정할 수 있으며, 최고의 성능을 발휘할 수 있도록 최첨단의 디텍터 기술과 정교한 수학적 알고리즘을 사용하여 -80°C에서 3000°C까지의 넓은 온도범위를 정확하게 측정할 수 있다.

연구개발용 적외선카메라는 극히 높은 이미징 성능과 정밀한 온도측정, 그리고 강력한 툴과 소프트웨어로 측정 자료를 분석하고 보고서 작성을 지원한다. 이와 같은 성능을 바탕으로 다양한 분야의 연구, 열시험 및 제품 검증 등의 고급 용도에 사용할 수 있다.

사진 1. FLIR A6700sc. 냉각식 InSb 디텍터를 사용하는 초소형 열화상 카메라로서 부담 없는 저렴한 가격을 자랑한다. 냉각 디텍터를 사용하는 열화상 카메라는 고속으로 진행되는 이벤트도 선명하게 촬영할 수 있다.

사진 2. FLIR T650sc. 비냉각식 연구용 열화상 카메라로서 높은 분해능과 작은 스팟 사이즈로 정확한 온도측정 및 분석이 가능하다.

냉각식 및 비냉각식 열화상 카메라 

R&D 및 과학 연구용 열화상 카메라에는 성능과 가격 면에서 매우 다양한 종류가 있다. 그중에서도 가장 많은 질문은 “냉각식과 비냉각식 중에서 어느 것이 사용하고자 하는 용도에 가장 적합하며 또한 가격 대비 성능이 우수한가?” 하는 것이다. 실제로 현재 시판되고 있는 열화상 카메라는 냉각식과 비냉각식으로 크게 분류할 수 있다. 이 두 종류의 열화상 카메라는 가격에서 큰 차이가 있으므로 신중한 검토를 거쳐 선택할 필요가 있다.

냉각식 열화상 카메라

최신 냉각식 열화상 카메라는 cryocooler라는 극저온 냉각장치를 내장하고 있다. 이 장치는 센서의 온도를 극저온으로 냉각시켜 주는 것이다. 이렇게 센서 온도를 낮추는 이유는 회로내부의 열잡음을 측정대상 물체/장면의 열적 신호보다 더 낮은 수준으로 감소시켜야 초고정밀 측정이 가능하기 때문이다. 

Cryocooler는 기계적 허용오차가 극히 작은 고정밀 동작 부품을 사용하므로 시간이 지나면 마모될 뿐 아니라, 내부에 있는 헬륨가스도 조금씩 누설된다.

냉각식 열화상 카메라는 감도가 극히 높아서 물체의 미세한 온도 차이도 정확하게 검출하고 측정할 수 있다. 이런 종류의 열화상 카메라는 흑체물리학에 의하여 열적 콘트라스트(명암비)가 가장 높은 중파장(MWIR) 및 장파장(LWIR) 적외선을 이용하여 온도를 측정한다. 

열적 콘트라스트는 대상 물체의 온도 변화에 따라서 변화하는 신호의 강도를 말한다. 열적 콘트라스트가 높을수록 배경과 온도 차이가 작은 물체를 쉽고 정확하게 측정할 수 있다.

비냉각식 열화상 카메라
 
비냉각식 열화상 카메라는 센서(디텍터)를 극저온으로 냉각시키지 않는다.

일반적으로 열화상 카메라의 디텍터는 마이크로볼로미터(microbolometer)를 사용한다. 이것은 큰 온도계수를 가진 작은 산화바나듐 저항기를 열용량이 작고 단열이 잘 되어있는 넓은 규소 소자 위에 장착한 것이다. 대상 물체의 온도가 변화하면 볼로미터의 온도가 변화하고 이 변화는 전기적 신호로 변환되어 다시 열화상으로 만들어지는 것이다.

비냉각식 디텍터 센서는 지구상의 거의 모든 물체가 열에너지의 대부분을 방사하는 장파장 적외선을 측정한다. 

비냉각식 열화상 카메라는 냉각식 열화상 카메라보다 가격이 훨씬 더 저렴하다. 

비냉각식 센서는 냉각식 센서보다 제조 공정이 간단하고 수율이 높고 진공 포장 비용이 낮을 뿐만 아니라 매우 고가의 장치인 극저온 냉각기가 필요 없기 때문이다. 또한 비냉각식 열화상 카메라는 냉각식 열화상 카메라에 비해 작동하는 부품 수가 적어 고장이 잘 발생하지 않으며 수명이 더 길다.

R&D용 냉각식 열화상 카메라

이와 같은 비냉각식 카메라의 장점을 고려하면 이런 질문이 따르게 된다 - 어떤 R&D 용도에 냉각식 열화상 카메라를 사용하는 것이 더 좋은가? 그 대답은 용도에 따라서 다르다는 것이다. 미세한 온도 차이를 측정하고 싶은 경우, 고화질을 원할 때, 고속 촬영이 필요할 때, 아주 작은 물체의 온도 프로파일이나 온도를 측정하고자 할 때, 전자기파 스펙트럼에서 아주 특정한 부분의 열적 현상을 가시화하고자 할 때, 또는 열화상 카메라를 다른 측정 장치와 동기화할 필요가 있을 때에는 냉각식 열화상 카메라를 선택하는 것이 좋다.

그림 1. 회전하는 타이어를 냉각식 열화상 카메라로 촬영한 사진

회전하는 타이어를 비냉각식 열화상 카메라로 촬영한 사진

속도

냉각식 열화상 카메라는 비냉각식에 비해 촬영 속도가 훨씬  더 빠르다. 고속 열화상은 마이크로초 단위의 노출 시간이 가능하므로 고속의 동작을 정지한 상태로 촬영할 수 있다. 초당 62,000 프레임 이상의 고속 촬영이 가능하다.

이 기술은 제트엔진 터빈 블레이드, 초음파 발사체, 폭발 등 다양한 현상의 열적 및 동적 분석에 사용된다. 냉각식 열화상 카메라는 응답 속도가 매우 빠르고 전역 셔터(global shutter)를 사용한다. 비냉각식 카메라는 촬영 대상 장면을 한 줄씩 측정하고 촬영하는데 비해 전역 셔터는 전체 장면을 동시에 측정하고 촬영한다. 그러므로 고속으로 동작하거나 변화하는 물체 및 현상을 이미지가 번지지 않게 촬영할 수 있는 것이다.

그림 1의 적외선 열화상은 시속 20 mile(약 32km)로 주행하고 있는 자동차의 타이어를 촬영한 것이다. 위의 이미지는 냉각식 열화상 카메라로 촬영한 것이다. 그냥 보기에는 타이어가 회전하지 않고 있는 것 같지만 고속 촬영이 가능한 냉각식 카메라로 촬영한 이미지는 마치 정지한 것처럼 보인다. 비냉각식 열화상 카메라는 속도가 낮으므로 휠 스포크들이 투명하고 희미하게 나타난다. 이렇게 번진 이미지로는 정확한 측정이 불가능하다.

공간 분해능(SPATIAL RESOLUTION)

냉각식 카메라는 대부분 더 짧은 파장대역의 적외선을 이용하므로 긴 파장대역의 적외선을 이용하는 비냉각식 카메라보다 확대 성능이 더 우수하다. 

이렇게 냉각식 카메라는 민감도가 더 우수하므로 광학부품 수가 더 많거나 더 두꺼운 부품을 가진 렌즈 시스템을 사용해도 잡음 대 신호비가 저하되지 않으며, 따라서 더 높은 확대 배율을 얻을 수 있다. 

그림 2의 열화상은 냉각식과 비냉각식 열화상 카메라로 각각 가능한 최대의 확대 배율로 촬영한 결과이다. 왼쪽 이미지는 4배 클로즈업 렌즈를 사용하는 15μ 피치 냉각식 카메라로 3.5μm 스팟 사이즈를 구현한 것이다. 오른쪽 이미지는 1배 클로즈업, 25μ 피치 비냉각식 카메라로 25μm 스팟 사이즈를 구현한 것이다.

그림 2. 전자회로 기판을 냉각식 열화상 카메라로 촬영한 사진

전자회로 기판을 비냉각식 열화상 카메라로 촬영한 사진

감도

냉각식 열화상 카메라는 감도가 더 우수하지만 그 차이나 효과를 확실하게 느낄 수 없는 경우도 있다. 감도가 50mK인 비냉각식 열화상 카메라와 감도가 20mK인 냉각식 열화상 카메라의 차이를 확인하기 위해서 간단한 감도 실험을 실시했다(그림 3 참조). 이 비교 시험에서는 손바닥을 몇 초 동안 벽에 붙여서 열 지문을 남겼다. 
 
처음 두 개의 이미지는 벽에 열 지문을 찍은 직후에 촬영한 것이다. 그리고 다음 두 개의 이미지는 2분 후에 다시 촬영한 것이다. 사진에서 볼 수 있는 것처럼 냉각식 카메라는 손바닥의 열 지문을 여전히 선명하게 쵤영 할 수 있지만 비냉각식 카메라는 이미 그 일부분만 남아있을 뿐이다. 냉각식 카메라는 비냉각식보다 훨씬 더 작은 온도 차이를 더 오랫동안 측정할 수 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 냉각식 카메라가 더 디테일한 이미지 촬영이 가능하며 따라서 극히 미세한 온도 차이도 선명하게 보여 줄 수 있다는 것을 의미한다.

그림 3. 벽에 있는 손바닥 지문을 냉각식 열화상 카메라로 촬영한 사진 - 최초이미지

벽에 있는 손바닥 지문을 비냉각식 열화상 카메라로 촬영한 사진 - 최초이미지

벽에 있는 손바닥 지문을 냉각식 열화상 카메라로 촬영한 사진 - 2 분 후의 이미지

벽에 있는 손바닥 지문을 비냉각식 열화상 카메라로 촬영한 사진 -  2 분후의 이미지

스펙트럼 필터링(SPECTRUM FILTERING) 

냉각식 열화상 카메라의 큰 장점 중 하나는 비냉각식 열화상 카메라로는 불가능한 세부적인 부분을 촬영하고 온도를 측정할 수 있도록 해주는 스펙트럼 필터링이 가능하다는 것이다. 그림 4에서는 스펙트럼 필터를 홀더에 넣고 렌즈 뒤에 삽입하거나 또는 냉각 디텍터 어셈블리에 내장시켜서 화염 뒤쪽의 이미지를 촬영할 수 있게 한 것이다. 이 방법으로 화염 내에 있는 석탄입자의 연소를 측정하고 그 특성도 파악할 수 있다.

이와 같은 화염을 ”투시하는“ 스펙트럼 적외선 필터를 사용하면 화염이 투명하게 나타나는 파장대역만을 선택하여 석탄입자가 연소하는 것을 볼 수 있다. 첫째 이미지는 화염 필터를 사용하지 않아서 화염 밖에 보이지 않는다. 둘째 동영상은 화염 필터를 사용하여 석탄입자가 연소하는 것을 볼 수 있게 한 것이다.

그림 4. 스펙트럼 플레임 필터링을 적용하지 않은 냉각식 열화상.  스펙트럼 플레임 필터링을 적용한 냉각식 열화상

동기화(SYNCHRONIZATION) 

카메라를 정확하게 동기화하고 셔터를 작동시키면 고속으로 변화하는 현상이나 움직이는 물체를 높은 감도로 촬영할 수 있다. FLIR A6750sc는 스냅샷 모드에서 모든 픽셀의 데이터를 동시에 캡처하여 적외선 열화상을 촬영한다. 

이 기능은 비냉각식 디텍터를 사용하는 열화상 카메라에서는 이미지가 번지게 되는 고속 동작 물체를 촬영할 때 특히 유용하다. 그림 5의 이미지가 그 좋은 예이다.

그림 5. 두 개의 같은 동전을 낙하시켜 카메라가 동시에 작동하게 하여 매번 같은 위치에서 촬영한 사진

이 이미지에서는 동전을 낙하시키면서 센서가 카메라를 작동시킨다. 두 개의 같은 동전을 낙하시켜 카메라가 동시에 작동하게 하여 매번 같은 위치에서 촬영되도록 하였다. 비냉각식 마이크로 볼로미터를 사용하는 카메라에서는 센서를 작동시킬 수 없으므로 동전을 전혀 촬영할 수 없거나, 우연하게 촬영하더라도 이미지가 완전히 번져서 나타날 것이다.

FLIR의 열화상 카메라 

A6750sc, A8300sc, SC6000, SC7000, SC8000, X6000sc 및 X8000sc 등의 고급 냉각식 열화상 카메라는 중파장 및 장파장 적외선 대역에서 초고속 및 초고감도의 성능을 제공하며, FLIR A6250sc 모델은 근적외선 파장대역에서 사용된다. 

이 카메라들은 고속 동작 및 열적 현상, 넓은 온도 범위, 미세한 변화, 멀티스펙트럼 분석 또는 미세한 물체 등의 측정과 분석에 탁월한 성능을 발휘한다.

또한 FLIR에서는 초보자용부터 FLIR T650sc와 같은 전문가용에 이르기까지 다양한 종류의 비냉각 열화상 카메라도 생산 공급하고 있다. 전용렌즈와 소프트웨어를 사용하면 원하는 목적을 충분히 달성할 수 있을 것이다,

*자료 제공: 플리어시스템코리아