근적외선 카메라의 활용

적외선이란 전자기 스펙트럼의 일종으로, 눈에 보이지 않는 열복사 에너지파를 총칭한다.
그 중 740㎛ 가시광선의 적색·바깥쪽 짧은 파장 영역의 빛을 근적외선이라 한다.
여기서는 이러한 근적외선을 활용하는 카메라에 대해
앤아이피 박수열 과장이 발표한 머신비전 세미나 내용을 정리한다.

▲ 박수열 과장

지금까지 열 방출에 의한 인간의 활동을 감지하기 위해 LWIR(원적외선), MWIR(중간 적외선) 센서 열상 카메라를 사용해 왔다. 또한, 기존 가시광 이상의 영역에 대한 실체 영상 검출을 위해 저조도 CCD 카메라, Back Illu-mination CCD 카메라, 저온 냉각 기능을 적용한 카메라 등이 활용됐다. 그러나 이러한 과정에서 부족함이 발견됐고, 근적외선(SWIR) 카메라의 필요성이 대두되기 시작했다.

▲ NUC(Non Uniformity Correction)

근적외선은 가시광과는 달리 사람의 눈으로 감지할 수 없지만, 반사·명암·그림자·투과 등에서 가시광 파장에 가까운 빛 특성을 보인다. 하지만 가시광과는 달리 실리콘과 플라스틱을 투과하며, 색상은 표현하지 못하고 명암만을 표현한다.

InGaAs란 무엇인가

InGaAs는 3족원소인 인디움(In), 갈륨(Ga)과 5족원소인 아세나이트(비소, As) 등의 복합 화합물 반도체로, 근적외선에 특화된 소자다.
InGaAs는 밴드갭 범위가 직접적이고, 광자 효율이 우수하다. 냉각이 필요한 HgCdTe(수은, 카드늄, 텔루라이드)와는 달리 비냉각 혹은 최소냉각이 가능하기 때문에 합리적인 가격 형성이 가능하다.
InGaAs의 내부에는 데이터를 처리하기 위한 ROIC(Read-Out Integ-rated Circuit)가 내장되어 있는데, ROIC는 회로 적층 구조를 지닌다. 때문에 현재까지 센서를 만드는 데 많은 노력을 필요로 한다.
근적외선 센서에는 다양한 종류가 있다. NIR Pass-through Filter CCD는 700∼950nm 영역의 근적외선에 사용된다. Enhanced Sensor Back Illumination CCD는 700∼1050nm, sCMOS는 700∼2015nm에 각각 적용되며, InGaAs FPA는 900∼1600nm 영역에 적용된다.
InGaAs 카메라 센서의 파장대는 두 가지로 나누어 볼 수 있다. 첫째는 가시광을 포함한 근적외선 영역이고, 다음은 순수하게 근적외선 영역만을 의미한다.

InGaAs 카메라의 냉각과 보정

적외선 카메라는 열에 노출될 경우 노이즈가 많이 발생한다는 특징이 있기 때문에, 항상 냉각에 대한 부분을 고려해야 한다. 냉각은 Dark Current Noise와 Effective Wavelength Range(파장대 범위)를 함께 고려해야만 한다.
InGaAs 카메라의 냉각 구조(센서 형태)는 크게 TE0(Uncooled), TE1 Cooled(1 Stage Metal Package), TE2 Cooled(2 Stage Metal Pac-kage), TE3 Cooled(3 Stage Metal Package) 등의 네 단계로 나뉜다.
또한 냉각 방식(카메라 형태)는 Heat Sink(Radiator, 자연 대류 순환), Passive Cooler(강제), Motor Fan(강제 대류 순환), TEC 강제 공압 순환, TEC 강제 수압 순환, TEC 강제 액체질소 순환 LN2 등으로 분류된다.
InGaAs 카메라는 온도와 노이즈에 많은 영향을 받기 때문에 냉각 과정과 마찬가지로 보정 기능이 필요하다.
NUC(Non Uniformity Correc-tion)는 감도에 대한 선형 보정을 의미하며, 영상 품질에 영향을 주는 요소다. NUC는 세 단계로 나뉜다. 1 Point Correction은 지정 수치만큼의 Dark Noise를 제거하는 최소 보정이다. 다음으로 2 Point Cor-rection은 특정 광학 조건에서 Dark noise와 Shot Noise를 제거하는 일반 보정을 말한다. 마지막으로 3 Point Correction은 다양한 노출 시간에 대한 Dark Noise와 Shot Noise를 제거하는 고급 보정이다.

다양한 애플리케이션에 적용되는 근적외선 카메라

근적외선 카메라는 다양한 어플리케이션에 폭넓게 적용된다.
근적외선 카메라는 1200nm 파장 이상의 실리콘웨이퍼를 투과할 수 있기 때문에 반도체 분야에서 효과적으로 활용될 수 있다. 주요 활용 분야는 웨이퍼 결함 검출, 솔더볼 배열(BGA) 결합 상태 검사, MEMS 장비, 웨이퍼 레벨 패키징(WLP) 검사, 웨이퍼 레벨 광학연결(Wafer-Level Optical Intercon-nect) 검사 등이다. 다중광자방출현미경(Muti-Scale Photon Emission Nano Microscope) 분석에도 사용될 수 있다.
또한 FPD가 적층·소형화되면서 적외선 카메라의 적용 가능성이 검토되고 있다. 조명 방식에 따라 AMOLED 패널 상부의 Pol층과 Glas층을 투과하며, AMOLED 유치증 상하부의 패턴, 표면 찍힘, 이물 등의 감별이 가능하다.
솔라셀 분야에서는 셀 내부의 결함을 찾고, EL(전계 발광)을 이용해 웨이퍼 내부를 검사할 수 있다.
근적외선 카메라는 일부 물의 영역을 투과할 수 없으므로, 이것을 이용하면 물이 있는지 없는지 확인할 수 있어 제지 공업 분야에서 제지의 수분 건조도를 관리하는 데 적용된다. 특히 제지 공업 건조기 출구 측의 수분 건조도 고속 웹 검사가 가능하다.
법의학·감식 분야에서는 안료 아래쪽의 밑그림 정보를 분석하여 위조지폐 감별과 미술품 진품 감정 등에 활용될 수 있으며, 근적외선 반사 영상의 스펙트럼 분석을 통해 비파괴 농산품 검정에도 활용될 수 있다.
또한 지표에 존재하는 식물이나 작물의 유형별로 나타나는 근적외선 스펙트럼 분광을 이용해 작물의 유형을 구분하는 Hyper-Spectral 이미지는 천문 우주 관측 분야의 활용 사례이다.
환경·재활용 분야에서는 재활용 플라스탁을 정렬하는 데에, 제약 분야에서는 캡슐 내부의 충진 상태를 검사하거나 비파괴 무독성을 검사하는 데에, 음료 패키지 분야에서는 플라스틱 용기 내의 물 충진량과 오염물을 검사하는 데에 각각 활용될 수 있다.

정리 이솔이 기자(npnted@hellot.net)