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 내용을 정리한다.
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 Illumination CCD 카메라, 저온 냉각 기능을 적용한 카메라 등이 활용됐다. 그러나 이러한 과정에서 부족함이 발견됐고, 근적외선(SWIR) 카메라의 필요성이 대두되기 시작했다.
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 Integrated Circuit)가 내장되어 있는데, ROIC는 회로 적층 구조를 지닌다. 때문에 현재까지 센서를 만드는 데 많은 노력을 필요로 해 왔다.
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 카메라는 온도와 노이즈에 많은 영향을 받기 때문에 냉각 과정과 마찬가지로 보정 기능이 필요하다.
NUC(Non Uniformity Correction)는 감도에 대한 선형 보정을 의미하며, 영상 품질에 영향을 주는 요소다. NUC는 그림 1과 같이 세 단계로 나뉜다.
▲ 그림 1. NUC(Non Uniformity Correction)
다양한 어플리케이션에 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.
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.
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 분석해 위조지폐 감별과 미술품 진품 감정 등에 활용될 수 있으며, 근적외선 반사 영상의 스펙트럼 분석을 통해 비파괴 농산품 검정에도 활용될 수 있다.
환경·재활용 분야에서는 재활용 플라스틱을 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.
이 외에 생체 인식 분야, 고온 분석 프로세스 분야, 보안·감시 분야에서도 폭넓게 활용될 수 있다.
정리 이솔이 기자(npnted@hellot.net)
