기술 자료실

적외선 온도계 및 열화상 Infrared Thermometry and Imaging

시스템 설계 및 검출기 기술

파이로미터 (Pyrometer)
적외선 온도계, 즉 파이로미터는 물체에서 방출되는 적외선 복사를 감지하여 거리에서 표면 온도를 측정합니다. 일반적으로 접촉 없이 단일 지점의 온도를 측정하는 데 사용됩니다. 모든 파이로미터는 기본적인 작동 원리가 유사합니다. 광학 시스템(렌즈)이 목표 물체에서 방출되는 열 복사를 모아 특정 적외선 파장대에 민감한 적외선 검출기에 집중시킵니다. 검출기는 목표 온도에 비례하는 작은 전기 신호로 복사를 변환합니다. 이 신호는 장치의 전자회로로 전달되어 증폭 및 처리되며, 처리된 신호는 내장 디스플레이 또는 다른 시스템과 통합할 수 있는 아날로그/디지털 인터페이스를 통해 온도 값으로 출력됩니다.

그림1. 파이로미터 블록 다이어그램. 물체가 적외선 복사를 방출하면 광학 렌즈로 검출기에 집중됩니다.

아날로그-디지털 변환기(ADC)가 신호를 디지털화하기 전에 증폭됩니다. 교정 데이터를 통해 작은 신호가 정확한 온도 정보로 변환됩니다.

그림 1은 전형적인 파이로미터 신호 체인을 보여줍니다. 물체의 적외선 방출이 렌즈에 의해 검출기로 집중되며, 약한 전기 신호가 생성됩니다. 이 신호는 증폭된 후 ADC를 통해 디지털화됩니다. 마이크로프로세서에서 교정 데이터와 선형화 알고리즘이 적용되어 디지털 신호가 정확한 온도로 변환되며, 디스플레이에 표시되거나 출력으로 전달됩니다. 2차 주변 센서는 파이로미터 자체의 온도를 모니터링하여 보상합니다. 전체 측정 과정은 거의 즉시 이루어지며 지속적으로 업데이트될 수 있습니다.

현대 파이로미터는 내부적으로 세 가지 주요 처리 과정을 수행합니다:

  1. 적외선 → 전기 신호 변환: 검출기가 들어오는 적외선을 전기 신호로 변환합니다.

  2. 배경 보정: 참조 센서 또는 교정 알고리즘을 사용하여 장치 자체 온도나 주변 방사선 같은 배경 영향을 보정합니다.

  3. 선형화 및 출력: 원시 신호(온도에 따라 비선형)를 교정 곡선에 맞춰 선형화하여 정확한 온도를 산출하고, 원하는 형식(디지털, 아날로그 등)으로 출력합니다.

파이로미터는 측정 지점을 정확히 겨냥하고 목표 크기 및 거리 영향을 보정하는 기능을 갖추기도 합니다. 많은 장치에서 내장 레이저를 사용해 측정 위치를 표시합니다. 예를 들어, 두 개의 레이저가 교차선을 형성하여 측정 영역의 중심과 경계를 표시합니다. 일부 고급 파이로미터는 정밀한 목표 정렬을 위해 광학 스코프 대신 비디오 카메라 모듈을 사용하기도 합니다.

파이로미터는 고정 초점 렌즈 또는 가변 초점 렌즈를 사용할 수 있습니다. 고정 초점 파이로미터는 특정 거리에서 최적 초점과 측정 지점을 제공하도록 설정되어 있으며, 다른 거리에서는 광학 해상도가 줄어듭니다. 가변 초점 파이로미터는 사용자가 원하는 측정 거리에서 초점을 계속 조정할 수 있어, 거리마다 최소 측정 지점과 최적 광학 해상도를 유지할 수 있습니다.

현대 적외선 파이로미터는 다양한 스펙트럼 밴드, 온도 범위, 응답 속도를 갖추어 산업용 측정에 적합합니다. 소형 저비용 모델부터 고급 광학과 검출기를 갖춘 고성능 모델까지 있으며, 아날로그 신호(4–20 mA, 0–10 V)와 디지털 필드버스 통신 등 출력 인터페이스가 제공됩니다. 파장 필터와 검출기 유형 선택에 따라 특정 재료나 환경에 최적화할 수 있습니다.

열화상 카메라(Thermal Camera)
열화상 카메라는 장면의 작은 영역마다 온도를 나타내는 픽셀로 이미지를 생성합니다. 단일 지점 온도만 제공하는 파이로미터와 달리, 열화상 카메라는 전체 시야의 2D 온도 맵을 만듭니다.

열화상 카메라는 일반적으로 비냉각(uncooled)과 냉각(cooled) 시스템으로 구분됩니다. 비냉각 카메라는 일반적으로 상온에서 동작하는 VOx(바나듐 산화물) 또는 비정질 실리콘 기반의 마이크로볼로미터를 사용합니다. 소형이며, 냉각기가 필요 없고 유지보수가 필요 없지만, 냉각 카메라에 비해 민감도가 낮고 응답이 느립니다.

냉각 적외선 카메라는 InSb, HgCdTe 등 양자 검출기를 사용하며, 진공 Dewar 안에 넣어 극저온으로 냉각하여 높은 민감도와 빠른 응답을 제공합니다. 냉각 카메라는 미세 온도 차이를 감지하고 빠른 열 이벤트를 포착할 수 있지만, 크기가 크고 비용이 높으며 냉각 장치 유지보수가 필요합니다.

작동 원리는 일반 디지털 카메라와 유사하지만, 가시광선 대신 적외선을 사용합니다. 적외선 렌즈가 들어오는 적외선을 검출기 배열(FPA)에 집중시키며, 각 픽셀은 장면의 해당 지점에서 방출된 적외선에 비례하는 전기 신호를 생성합니다. 모든 물체는 절대 영도 이상에서 열복사를 방출하므로, 완전한 어둠에서도 열 차이를 포착할 수 있습니다.

검출기 배열의 신호는 증폭, 디지털화, 처리되어 일관된 이미지를 생성합니다. 비냉각 카메라에서는 일반적으로 셔터 또는 유사한 교정 장치가 있어 주기적으로 검출기를 균일한 온도로 노출시키고, 센서 편차와 드리프트를 보정합니다(비균일성 보정, NUC). 주변 센서는 카메라 자체 온도를 모니터링하여 보정합니다. 이후 소프트웨어가 각 픽셀의 데이터를 교정 곡선에 맞춰 온도로 변환합니다.

완성된 열화상 이미지는 색상을 달리해 온도를 표시할 수 있습니다. 예를 들어, 뜨거운 영역은 흰색/노란색, 중간 온도는 빨간색/녹색, 차가운 영역은 파란색으로 나타낼 수 있습니다. 많은 카메라는 특정 지점 온도 측정 및 임계 온도 초과 시 알람 기능도 제공합니다.

그림 2. 적외선 카메라 블록 다이어그램. 물체가 방출한 적외선이 광학 렌즈로 검출기 배열에 집중됩니다.

셔터는 주기적인 오프셋 보정을 위해 사용되며, 카메라 또는 외부 컴퓨터에 의해 제어됩니다. 신호가 ADC로 디지털화되기 전에 증폭되며,

교정 데이터를 통해 원시 신호가 온도 정보로 변환됩니다. 구성 파일에는 개별 응용을 위한 카메라 설정이 포함됩니다.

비냉각 산업용 열화상 카메라에서는 모터 구동 초점 조절이 일반적으로 사용됩니다. 핸드헬드 카메라는 자동 초점(AF)을 사용하는 경우가 많지만, 고정 설치 산업용 카메라는 일반적으로 수동 또는 원격 제어 초점이 더 신뢰할 수 있습니다. 열 장면은 온도 대비가 낮은 경우가 많아 자동 초점 알고리즘이 실패할 수 있기 때문입니다. 이러한 경우, 신호 명료도 또는 미리 정의된 위치를 기준으로 수동/소프트웨어 지원 초점 조정이 더 안정적입니다.

열화상 카메라는 성능 클래스, 스펙트럼 범위, 민감도(NETD), 프레임 속도, 해상도가 다양하며 응용 분야에 따라 선택됩니다.

적외선 검출기(Infrared Detectors)

파이로미터와 열화상 카메라의 성능은 적외선 검출기에 의해 좌우됩니다. 적외선 검출기는 열 복사를 전기 신호로 변환하는 장치이며, 크게 열 검출기(Thermal Detector)와 양자 검출기(Quantum Detector)로 나뉩니다. 각 유형은 여러 하위 유형과 특성을 갖습니다. 양자 검출기가 빠른 속도를 갖지만, 열 검출기도 신뢰성, 상온 동작, 넓은 스펙트럼 범위 때문에 여전히 많이 사용됩니다.

검출기 (Thermopile)

열전쌍 전지(thermopile) 검출기는 여러 개의 작은 열전쌍을 연결해서 온도 변화로 생기는 전압을 키우는 장치입니다. 열전 효과를 이용하는데, 서로 다른 두 금속이 만나는 접합부를 가열하면 제벡 효과(Seebeck effect) 때문에 전압이 생깁니다.

열전쌍 적외선(IR) 검출기에서는, 예를 들어 비스무트/안티몬(Bi/Sb) 같은 작은 열전쌍을 칩 위에 배열하고, 적외선을 흡수하는 영역과 연결합니다. 적외선이 이 영역에 흡수되면 접합부의 온도가 올라가고, 그에 따라 측정할 수 있는 전압이 발생합니다. 여러 개의 열전쌍을 쓰면 단일 열전쌍보다 신호가 커져 더 민감하게 측정할 수 있습니다.

열전쌍 검출기는 오랫동안 비접촉 온도 측정에 사용되어 왔습니다. 초퍼나 변조 장치가 없어도 되고, 일정한 복사량도 바로 측정할 수 있어 물체의 절대 온도를 잴 때 적합합니다. 측정 결과는 보정을 거치면 대상 온도에 비례하는 DC 전압으로 나오며, 안정적이고 상온에서 바로 쓸 수 있습니다. 다만 반응 속도는 수십 밀리초 정도로 아주 빠르지는 않습니다.

그림 3. Optris의 Thermopile TS80

파이로일렉트릭(Pyroelectric) 검출기

파이로일렉트릭 검출기는 삼글리신 황산염(triglycine sulfate)이나 탄탈산 리튬(lithium tantalate)과 같은 파이로일렉트릭 결정으로 만들어집니다. 이 결정은 자발적인 전기 분극(spontaneous electrical polarization)을 가지며, 온도가 변하면 분극도 변합니다. 적외선이 결정에 흡수되어 온도가 변하면, 분극 변화로 인해 일시적인 표면 전하(surface charge)가 발생합니다. 즉, 파이로일렉트릭 효과는 온도 변화를 전기 신호로 바꾸는 역할을 합니다. 검출기는 결정 표면에 전극을 설치해 이 전하 변화를 수집하고, 신호는 내장 FET나 프리앰프(preamp)를 통해 증폭됩니다.

파이로일렉트릭 검출기의 중요한 특징은 입사 복사선의 변화에만 반응한다는 점입니다. 복사선이 일정하면, 결정이 열적 평형에 도달하면서 전하 이동이 멈추어 출력은 결국 0이 됩니다. 따라서 파이로일렉트릭 센서는 일반적으로 초퍼(chopper)를 사용하거나 신호를 변조(modulated)하는 회로와 함께 사용됩니다. 예를 들어 회전 셔터나 전자적인 방법으로 적외선을 주기적으로 차단하면, 센서는 동적인 상태를 유지하여 AC 신호를 만들어 내고, 이를 AC 증폭 회로로 증폭할 수 있습니다. 초퍼와 AC 증폭 사용은 저주파 잡음을 줄이고 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시키는 데도 도움됩니다.

파이로일렉트릭 검출기는 동작 속도가 빠르고 상온에서 작동하며, 적외선 분광(IR spectroscopy) 같은 응용에서는 감도와 속도의 균형이 잘 맞습니다. 그러나 신호가 반드시 변화해야 하기 때문에, 정적 온도를 측정하는 용도에는 적합하지 않습니다. 이런 경우에는 열전쌍 전지(thermopile)나 볼로미터가 더 적합합니다.

볼로미터(Bolometers)

볼로미터는 온도에 따라 저항이 변하는 감지기입니다. 볼로미터는 적외선을 흡수하면 온도가 올라가는 흡수 요소(absorptive element)로 구성되며, 온도가 오르면 전기 저항이 변합니다. 이 요소를 회로에 연결하면, 저항 변화에 따라 전압이나 전류가 변하고, 이를 통해 입사 복사선의 세기를 측정할 수 있습니다.

볼로미터에는 온도계수가 높은 금속이나 반도체가 사용됩니다. 초기 볼로미터는 검게 칠한 금속 스트립을 사용했지만, 현대 볼로미터, 특히 이미징용 볼로미터는 바나듐 산화물(VOx)이나 비정질 실리콘(a-Si) 박막을 마이크로브리지(microbridge)에 증착하여 만듭니다. 이 박막은 열적으로 절연되어 있어, 적외선이 흡수되면 온도가 올라가지만 기판으로 열이 거의 전달되지 않아 측정이 용이합니다. 여러 개의 박막을 배열하면, 무냉각 열화상 카메라(Uncooled thermal camera)의 마이크로볼로미터 포컬 플레인 어레이(FPA)를 만들 수 있습니다. MEMS 기술 발전으로, 이러한 마이크로볼로미터 FPA가 이전의 스캐닝 열화상기를 대체하며, 완전 전자식 고체 상태 열화상기를 가능하게 했습니다.

볼로미터는 상온에서 동작하며, 반응 속도는 수십 밀리초 정도입니다. 영상용으로도 충분히 감도가 좋으며, 성능은 주로 NETD(Noise Equivalent Temperature Difference)로 평가됩니다. 재료 개선과 픽셀 소형화 덕분에, 최신 마이크로볼로미터 카메라는 몇십 mK 수준의 NETD를 달성할 수 있습니다. 일반적인 배열 해상도는 160×120, 320×240, 640×480 픽셀이며, 픽셀 간격(pitch)은 과거 약 35 µm에서 최근에는 17 µm나 12 µm까지 줄어들었습니다. 볼로미터는 정확도를 유지하기 위해 보정과 내부 셔터를 사용하는 경우가 많습니다.

포톤 검출기(Photon Detectors)

포톤 검출기는 반도체 내에서 광자와 상호작용하여 전기 신호로 바로 변환됩니다. 크게 두 가지로 나뉩니다:

1. 광도전(Photoconductive) 검출기: 광자를 흡수하면 전도도가 변합니다.

2. 광전(Photovoltaic) 검출기: 광자 흡수로 전압이 발생하며, 대표적으로 포토다이오드가 있습니다.

재료는 일반적으로 협대역 반도체로, 적외선 광자를 흡수할 수 있습니다. 대표적인 예는 다음과 같습니다.

- 3–5 µm 중간파 적외선(MWIR): 인듐 안티몬(InSb)

- 중파/장파 적외선(MWIR/LWIR): 수은 카드뮴 텔루라이드(MCT, HgCdTe)

- 근적외선/단파 적외선(SWIR): 인듐 갈륨 비소(InGaAs)

- 기타 특수 구조: 양자우물 적외선 검출기(QWIP), 타입-II 초격자(Type-II Superlattice) 검출기

적외선 포톤이 검출기에 도달하면, 전자가 가전자대(valence band)에서 전도대(conduction band)로 이동하거나 양자우물 구조에서 허용된 에너지 준위 사이를 이동합니다. 이 과정에서 측정 가능한 전기적 변화가 생깁니다. 포토다이오드에서는 광자 수에 비례하는 전류가 흐르고, 광도전체에서는 조명 시 저항이 감소합니다. 포톤 검출기는 열적 시간 상수에 의존하지 않기 때문에, 열 검출기보다 반응 속도가 매우 빠릅니다.

그러나 열적 잡음이 발생할 수 있습니다. 특히 장파 적외선(LWIR) 이미징에서는 포톤 신호와 열 잡음을 구분하기 위해 검출기를 냉각해야 합니다. 예를 들어 MCT 검출기는 77 K로 냉각하거나, 유사한 저온에 도달할 수 있는 폐쇄형 냉각기를 사용합니다. 냉각은 암전류(dark current)를 억제하여 신호 대 잡음비(SNR)를 크게 향상시킵니다.

요약

- 파이로미터는 집중된 적외선 방사선을 전기 신호로 변환하고, 배경 보정을 적용하며, 교정 데이터를 이용해 출력을 선형화합니다.

- 열화상 카메라는 적외선을 전기 신호로 변환하고, 셔터를 통한 오프셋 보정을 수행하며, 교정 데이터를 사용해 정확한 온도 이미지를 생성합니다.

- 검출기는 열 검출기(thermopile, pyroelectric, bolometer)와 양자 검출기(quantum detectors)로 분류됩니다. 열 검출기는 냉각 없이 동작하며 온도 변화에 반응하고, 양자 검출기는 광전 효과(photoelectric effect)를 사용하며, 높은 민감도와 빠른 응답을 위해 냉각이 필요합니다.

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