적외선이란 전자기 스펙트럼의 일종으로, 눈에 보이지 않는 열복사 에너지파를 총칭한다. 그중 740 나노미터(nm) 가시광선의 적색 바깥쪽 짧은 파장 영역의 빛을 근적외선이라 한다. 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 카메라가 사용됐다. 또한, 기존 가시광 이상의 영역에 대한 실체 영상 검출을 위해 저조도 CCD 카메라, 저온 냉각 기능을 적용한 카메라 등이 활용됐다. 그러나 이 카메라들의 부족함이 발견되면서 근적외선(SWIR) 카메라의 필요성이 대두되기 시작했다. 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.
InGaAs는 3족 원소인 인디움(In), 갈륨(Ga)과 5족 원소인 아세나이트(As) 등의 복합 화합물 반도체로, 근적외선에 특화된 소자다. InGaAs는 밴드갭 범위가 직접적이고, 광자 효율이 우수하다. 냉각이 필요한 HgCdTe(수은카드뮴텔루륨)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 한다. 근적외선 센서에는 다양한 종류가 있다. NIR Pass-through Filter CCD는 700∼950nm 영역의 근적외선에 사용된다. InGaAs 카메라 센서의 파장대는 크게 가시광을 포함한 근적외선 영역과 순수한 근적외선 영역으로 나눌 수 있다.
다양한 분야 적용 ‘근적외선 카메라’
근적외선 카메라는 다양한 애플리케이션에 폭넓게 적용된다. 이 카메라는 1200nm 파장 이상의 실리콘웨이퍼를 투과할 수 있기 때문에 웨이퍼 결함 검출, 솔더볼 배열(Ball-Grid Array, BGA) 결합 상태 검사, 다중광자방출현미경(Muti-Scale Photon Emission Nano Microscope) 분석 등 반도체 분야에서 효과적으로 활용될 수 있다.
솔라셀 분야에서는 셀 내부의 결함을 찾고, EL(전계 발광)을 이용해 웨이퍼 내부를 검사할 수 있다. 근적외선 카메라는 일부 물의 영역을 투과할 수 없기 때문에, 제지 공업 분야에서 제지의 수분 건조도를 관리하는 데 적용된다. 특히 제지 공업 건조기 출구 측의 수분 건조도 고속 웹 검사가 가능하다.
감식 분야를 포함한 법의학 분야에서는 안료 아래쪽의 밑그림 정보를 분석해 위조지폐 감별과 미술품 진품 감정 등에 활용될 수 있다. 지표에 존재하는 식물이나 작물의 유형별로 나타나는 근적외선 스펙트럼 분광을 이용해 작물의 유형을 구분하는 Hyper-Spectral 이미지는 천문 우주 관측 분야의 활용 사례이다.
이외에도 생체 인식·고온 분석 프로세스·보안 분야에서도 폭넓게 활용될 수 있다.
정리 이솔이 기자(npnted@hellot.net)
