비접촉 온도 측정을 위한 적외선 윈도우 (IR Windows for Non-Contact Temperature Measurem…
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작성자 관리자 조회2회 작성일 26-01-23 11:42본문
비접촉 온도 측정을 위한 적외선 윈도우
IR Windows for Non-Contact Temperature Measurement
적외선 윈도우는 파장에 따라 달라지는 특성을 가지며, 재료가 허용하는 스펙트럼 범위에 제한이 있습니다. 경우에 따라, 폐쇄된 반응 챔버, 오븐, 진공 시스템 등에서는 관찰용 창을 통해 온도를 측정해야 합니다.
이러한 특수 윈도우는 투명한 인터페이스로 작동하여, 열화상 카메라와 적외선 온도계가 표면에 직접 접근하지 않고도 정확한 측정을 할 수 있도록 합니다. 적절한 재료와 설계를 선택하면 엔지니어와 연구자는 신뢰할 수 있는 데이터 수집을 유지하면서, 동시에 폐쇄 환경의 구조적 안정성과 안전성을 확보할 수 있습니다.
윈도우의 투과율은 센서의 스펙트럼 민감도와 일치해야 합니다. 석영 유리(Quartz glass)는 열적 안정성 때문에 고온 환경에 자주 사용됩니다. 반면, 8–14 μm 파장 범위에서 측정하는 저온 환경(장파장 적외선 열화상)에 대해서는 게르마늄(Ge), AMTIR, 아연 셀레나이드(ZnSe)와 같은 재료가 선호됩니다. 각 재료는 고유의 투과 특성을 가지며, 반사 방지 코팅(anti-reflective coating)은 투과 효율을 최대 95%까지 높일 수 있습니다. 하지만, 투과 손실은 반드시 교정 과정에서 보정해야 합니다.
제조사가 특정 파장 범위에서 정확한 투과율 데이터를 제공하면, 이를 측정 설정에 직접 적용할 수 있습니다. 그렇지 않은 경우, 기준 광원(reference source)과 적외선 온도계를 이용한 실험적 측정이 필요할 수 있습니다. 제조사가 특정 파장에 대한 정확한 투과율을 명시하면, 소프트웨어가 이를 보정할 수도 있습니다. 또한, 가시광과 적외선을 모두 투과하는 광학 재료는 진공 챔버 내부에 센서를 배치할 때와 같이 시각적 정렬이 필요한 경우 유리합니다. 그림 1은 두께 3mm 기준으로 일부 인기 있는 윈도우 재료의 투과율을 나타낸 것입니다.
그림 1. 두께 3mm 기준 일부 윈도우 재료의 투과율 (코팅 없음)
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적외선 온도 측정을 위한 창을 선택할 때는 파장 호환성과 투과율 외에도 여러 가지 요소를 고려해야 합니다. 또한 창의 기계적 강도도 중요한 요소이며, 특히 압력 차, 진동, 고온, 물리적 충격 등에 노출될 수 있는 환경에서는 창의 두께가 이러한 스트레스를 견딜 수 있도록 충분히 설계되어야 하며, 변형이나 파손이 발생하지 않아야 합니다. 원형 창의 경우 지지되지 않은 반지름을 기준으로, 직사각형 창의 경우 길이와 너비를 기준으로 재료의 파단 계수(MOR, Modulus of Rupture)에 따라 양쪽 면의 압력 차를 견디기 위한 창의 두께를 계산할 수 있습니다. 설치 방식에 따라 계수 K를 적용하는데, 가장자리가 클램프에 의해 고정된 경우 K는 0.75이고, 고정되지 않은 경우 K는 1.125입니다. 또한 설계 시 안전 계수(SF)를 4에서 6 사이로 적용하여 충분한 여유를 두는 것이 일반적입니다.
엔지니어는 광학 투과율과 기계적 강도 사이의 균형을 맞춰야 합니다. 두꺼운 윈도우는 강도가 높지만 투과율이 낮고, 얇은 윈도우는 투과율은 높지만 내구성이 낮습니다. 측정 관점에서는 신호 품질을 위해 투과율을 최대화해야 하고, 기계적 관점에서는 장치 수명 동안 충분한 강도를 확보해야 합니다.
그림 2는 재료 두께에 따른 투과율 변화를 보여주며, 투과율은 두께와 파장에 따라 달라집니다.
그림 2. 코팅 없는 게르마늄(Ge) 재료의 두께별 투과율 예시
윈도우를 선택할 때, 재료의 최대 사용 온도(Maximum Operating Temperature) 또한 고려해야 합니다. 이 값은 재료가 물리적·화학적 손상 없이 작동할 수 있는 최고 온도를 나타냅니다.
환경 온도가 이 한계를 초과하면, 윈도우는 불투명해지거나, 연화로 인해 변형될 수 있으며, 취성화되어 균열이나 파손이 발생할 수 있습니다. 이는 온도 측정의 정확성과 신뢰성을 떨어뜨리고, 센서나 카메라를 손상시키며 산업 환경에서 안전 위험을 초래할 수 있습니다. 따라서 열적 허용도가 충분한 재료를 선택하는 것이 중요합니다.
윈도우의 환경적·기계적 내구성도 고려해야 합니다. 충격 저항, 먼지·습기 보호, 장착 방식(플랜지, 나사, 힌지형) 등이 실제 환경에서 성능에 영향을 미칩니다.
또한, 열팽창 및 열충격 저항, 표면 품질과 평탄도, 환경적 내구성(먼지, 습기, 화학물질), 밀폐성 역시 IR 윈도우 성능에 영향을 줍니다. 열팽창이나 급격한 온도 변화로 재료가 변형되면 측정 정확성이 떨어지거나 센서가 손상될 수 있습니다. 표면 품질과 평탄도가 낮으면, 적외선이 산란되거나 반사되어 신호가 약해질 수 있습니다.
다음 표는 적외선(IR) 윈도우 재료의 일반적인 특성값을 정리한 것입니다.
| Formula | Recommended IR Wavelength [μm] | Typical Transmission at 3mm thickness [%] | Maximal Operating Temperature [°C] | Transmissivity in Visible Spectrum | Chemical Resistance | UHV Suitable | Non-toxic Generally Safe Materials |
Notes | Price | Material Properties | |||||
| Young’s Modulus [Gpa] | Density [g/cm³] | Poisson’s Ratio | CTE [10⁻⁶/°C] | MOR | |||||||||||
| Amorphous | 0.7 – 13 | 70 | 300 | No | Moderate | Yes | Low toxicity (contains Ge compounds; fragile) | Chalcogenide glass, brittle, broadband IR glass | High cost, specialty material | 25 | 4,4 | 0,28 | 20,0 | 30–50 | |
| Al₂O₃ | 1 – 4 | 85 | 1800 | Yes | Very good | Yes | Non-toxic | Single crystal, high hardness | Very high cost, precision IR optics | 400 | 3,98 | 0,25 | 5,0 | 300–700 | |
| BaF₂ | 2 – 5.1 | 90 | 500 | Yes | Few | Yes | Potentially toxic (barium ions; harmful if ingested or inhaled) | Relatively soft, cleavable, Wide transmission range | High cost, specialty material | 53 | 4,89 | 0,34 | 18,1 | 30–50 | |
| CaCO₃ | 0.2 – 3.2 | 75 | 600 | Yes | Moderate | Yes | Non-toxic | Very brittle, cleaves easily, birefringent, polarization optics | High cost, specialty material | 70 | 2,71 | 0,16 | 25,0 | 10–30 | |
| CaF₂ | 2 – 8 | 92 | 600 | Yes | Few | Yes | Non-toxic | moderate strength, sensitive to thermal shock, low refractive index | Moderate cost | 75 | 3,18 | 0,26 | 18,85 | 40–70 | |
| CsI | 0.25 – 55 | 85 | 350 | Yes | Poor | Yes | Moderate hazard (cesium and iodide compounds can be toxic in soluble form) | Very soft, hygroscopic, Very broad transmission | High cost, specialty material | 12 | 4,51 | 0,28 | 55,0 | 10–20 | |
| Ge | 2 – 16 | 50 | 100 | No | Good | Yes | Non-toxic | Brittle, depends on crystal orientation, high refractive index | Very high cost, precision IR optics | 102 | 5,32 | 0,28 | 6,1 | 70–120 | |
| TlBrI | 1 – 14 | 90 | 75 | Yes | Good | Yes | Toxic (contains thallium, which is highly toxic and regulated) | Soft, low mechanical strength, wideband IR | Extremely high, restricted | 15 | 7,37 | 0,41 | 37,4 | 15–30 | |
| LiF | 0.15 – 6 | 91 | 600 | Yes | Poor | Yes | Slightly toxic (ingestion or dust inhalation) | Cleavable, sensitive to thermal shock, UV to IR | Moderate cost | 64 | 2,64 | 0,25 | 37,0 | 40–80 | |
| MgF₂ | 0.12 – 6 | 94 | 1000 | Yes | Excellent | Yes | Non-toxic | Durable, harsh environments, moderate strength, used in coatings | Moderate cost | 138 | 3,18 | 0,27 | 13,7 | 80–120 | |
| NaCl | 0.25 – 16 | 92 | 800 | Yes | Poor | Yes | Non-toxic | Very soft, hygroscopic, wide transmission range | Low cost | 30 | 2,17 | 0,25 | 45,0 | 10–20 | |
| Si | 1.5 – 8 | 52 | 200 | No | Very good | Yes | Non-toxic | Brittle but stronger than Ge, lightweight | Moderate cost | 130 | 2,33 | 0,28 | 2,6 | 100–200 | |
| SiO₂ | 1 – 2.5 | 93 | 900 | Yes | Very good | Yes | Non-toxic (inhalation of dust is harmful) | Amorphous, good thermal shock resistance, low thermal expansion | Low cost, widely available | 73 | 2,2 | 0,17 | 0,55 | 50–100 | |
| ZnS | 2 – 14 | 75 | 250 | Yes | Good | Yes | Low toxicity (avoid inhalation of dust) | Multispectral grade stronger than standard, high refractive index | High cost, specialty material | 74 | 4,09 | 0,28 | 7,85 | 70–100 | |
| ZnSe | 2 – 14 | 70 | 250 | Yes | Good | Yes | Potentially toxic (selenium compounds; avoid dust or vapor exposure) | Softer than ZnS, IR-transmissive, low | |||||||
요약
- 적외선(IR) 윈도우는 반드시 센서가 민감하게 반응하는 파장 범위와 맞아야 합니다.
- 두꺼운 윈도우는 압력이나 진동에 강하지만, 빛 투과율이 낮아집니다. 반대로 얇은 윈도우는 신호 품질을 높일 수 있지만, 내구성이 떨어질 수 있습니다.
- 윈도우 재료가 견딜 수 있는 최대 사용 온도를 초과하면 균열이 생기거나 투명도가 떨어지는 등 손상이 발생할 수 있습니다.
- 윈도우와 장착 구조물 사이의 열팽창 차이로 인해 스트레스가 발생할 수 있으므로, 큰 온도 변화가 있는 환경에서는 열팽창 계수가 낮은 재료(예: 용융 실리카)를 사용하는 것이 좋습니다.
- 표면 품질(λ/4 평탄도, 스크래치-디그 <60-40)을 높이면 빛의 산란과 파면 왜곡을 최소화할 수 있습니다.
- 화학적/마모 저항도 고려해야 하며, 필요에 따라 코팅(예: Ge에 다이아몬드 유사 탄소 코팅)으로 부식이나 입자에 의한 손상을 방지할 수 있습니다.
- 윈도우를 통한 투과율 보정은 두 가지 방법 중 하나로 할 수 있습니다.
1. 제조사가 제공한 스펙트럼 투과율 데이터를 센서 소프트웨어에 입력
2. 블랙바디 기준과 알려진 IR 온도계를 이용해 실험적으로 교정
출처
- Hecht, Eugene. Optik, Berlin, Boston: De Gruyter, 2018. https://doi.org/10.1515/9783110526653
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