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적외선 복사와 전자기 스펙트럼 Infrared Radiation and the Electromagnetic Spectrum

파장 구분과 대기 창

인간의 눈은 가시광선만 볼 수 있으며, 이는 전자기 스펙트럼에서 아주 작은 부분에 불과합니다. 가시광선보다 긴 영역에는 대부분 눈에 보이지 않는 빛이 있으며, 이 빛은 다양한 정보를 담고 있습니다. 적외선 복사는 전파, 마이크로파, 자외선, X선, 감마선과 함께 전자기 스펙트럼에서 중요한 부분을 차지합니다. 전자기 에너지는 파장에 따라 구분됩니다. 적외선은 약 0.7 µm에서 1000 µm까지의 파장을 가지며, 가시광선과 마이크로파 사이에 위치합니다. 온도 측정을 위해 주로 관심을 가지는 범위는 약 0.5~14 µm입니다.

센서 반응 기준으로 적외선 파장은 다양한 탐지기와 대기 창의 특성에 따라 구분됩니다. 비접촉 온도 측정용 적외선 파장은 근적외선(NIR), 단파장 적외선(SWIR), 중파장 적외선(MWIR), 장파장 적외선(LWIR)으로 나뉩니다.

- 근적외선(NIR): 인간 눈이 감지하는 빛과 가장 가까운 파장

- 단파장 적외선(SWIR): 근적외선보다 약간 긴 파장

- 중파장 적외선(MWIR): 가시광선과 더 멀리 떨어진 영역

- 장파장 적외선(LWIR): 열적 적외선(Thermal Infrared)이라고도 불리는 영역

근적외선과 단파장 적외선은 반사 적외선(reflected infrared)으로 묶이기도 하며, 중파장과 장파장은 열적 적외선으로 주로 불립니다.

그림 1은 대기 적외선 창(Atmospheric Infrared Window)을 보여줍니다. 대기 적외선 창은 지구 대기가 열 복사를 거의 흡수하지 않고, 적외선 에너지가 우주로 빠져나갈 수 있는 파장 영역을 말합니다. 이 창의 경계는 주로 물(H₂O), 이산화탄소(CO₂), 오존(O₃)에 의해 결정됩니다. CO₂는 14.7 µm에서 흡수하며, 장파장 한계를 설정합니다. 물 분자의 진동 밴드는 단파장 한계를 결정합니다. 오존은 9.6 µm에서 강하게 흡수하여 일부 투과를 차단합니다. 대기 중 수증기 농도가 높으면 적외선 창이 좁아지거나 닫혀 IR 측정에 영향을 줄 수 있습니다.

그림1. 전자기 스펙트럼에서 주요 투과 창(primary transmission window)은 LWIR 영역에서 뚜렷하게 나타나며,

가시광선 영역에서 중파장 적외선(MWIR)까지는 부분적이고 단편적인 창이 형성되어 있습니다.

적외선 스펙트럼은 전자기파의 세기가 서로 다른 파장에 어떻게 분포하는지를 시각적으로 보여줍니다. 파장은 다양하지만, 모든 전자기파는 회절, 굴절, 반사, 편광이라는 동일한 기본 원리를 따릅니다. 일반적인 조건에서 전자기파는 빛의 속도로 이동합니다. 선형 매질에서는 파동 패턴을 서로 다른 사인파 성분들의 전파로 표현할 수 있습니다. 파장 λ와 주파수 f 사이의 일정한 관계는 매질 내 빛의 속도 v를 이용한 다음 식으로 나타낼 수 있습니다. 이 개념은 모든 전자기파의 거동에 기본이 됩니다 [1,2,3]:

υ=λ⋅f

요약

- 적외선(IR) 복사는 가시광선과 마이크로파 사이에 위치하며, 온도 측정에 사용됩니다(0.5–14 µm).

- 적외선 대역에는 근적외선(NIR), 단파장 적외선(SWIR), 중파장 적외선(MWIR), 장파장 적외선(LWIR)이 있으며, 각각 특성이 다릅니다.

- 대기창(atmospheric windows)을 통해 적외선은 최소 흡수로 통과할 수 있지만, 수증기, CO₂, 오존 등이 이에 영향을 줄 수 있습니다.

출처

- Hecht, Eugene. Optik, Berlin, Boston: De Gruyter, 2018. https://doi.org/10.1515/9783110526653

- Miller, J. L., Friedman, E., Sanders-Reed, J. N., Schwertz, K., & McComas, B. (2020). Photonics rules of thumb (No. PUBDB-2021-03249). Bellingham, Washington: SPIE Press. https://doi.org/10.1117/3.2553485

- De Witt, Nutter: Theory and Practice of Radiation Thermometry, 1988, John Wiley & Son, New York, https://doi.org/10.1002/9780470172575