이곳저곳 넘나드는 열화상카메라 (2)

공장자동화 및 공정제어부터 과학·연구개발용까지
열화상카메라는 전자기파 스펙트럼 중에서도 적외선 대역의 복사를 감지하여 기록하고, 이것을 실제 눈으로 볼 수 있는 이미지로 만드는 장비다. 일반 가시광선 카메라가 볼 수 없는 것을 감지하기 때문에 다방면으로 쓸 수 있다. 최근에는 공장자동화는 물론이고 학술 및 연구분야에까지 그 영역을 넓히고 있다. 이에 본지에서는 플리어시스템에서 제공한 자료를 토대로 열화상카메라가 실생활 속 어느 분야에 쓰이고 있는지 총 4회에 걸쳐 알아본다.
자료 | 플리어시스템(www.flir.com/cs/apac/kr)

적외선이란?
사람의 눈은 전자기파 스펙트럼 중에서 가시광선 영역을 볼 수 있도록 설계된 센서에 비유할 수 있다. 그렇기에 가시광선 이외의 파장대역인 적외선 등의 전자기파는 우리 눈으로 볼 수 없다.

적외선은 1800년에 천문학자인 윌리엄 허셀 경이 처음 발견했다. 허셀은 광선의 색상에 따라 열적 효과가 달라지는 현상에 주목하고, 광선을 유리 프리즘에 통과시켜 스펙트럼으로 분리한 다음 각 색상 별로 온도를 측정하였다. 그 결과, 자주색부터 적색으로 변할수록 온도가 점차 높아진다는 것을 발견했다.

이러한 현상을 발견한 허셀은 스펙트럼에서 적색을 넘어 색상이 나타나지 않는 부분의 온도를 측정했다. 그 결과 적색 영역을 지난 외부의 온도가 가장 높게 측정되었다.

적외선은 전자기파 스펙트럼에서 가시광선과 마이크로파 사이에 있는 광선이다. 온도가 있는 물체, 즉 열을 가진 물체는 그 열을 적외선으로 방출한다. 절대온도(섭씨 -273.15℃ 또는 0℃ Kelvin) 이상의 온도를 가지는 모든 물체는 적외선 영역의 광선을 복사한다. 심지어 온도가 아주 낮은 물체, 예를 들면 얼음도 적외선을 복사한다.

열화상카메라
물체에서 방출되는 적외선 에너지(A)는 광학장치(B)에 의하여 디텍터(C) 위에 그 초점이 모이게 된다. 디텍터에서 검출된 정보는 센서의 전자회로(D)로 보내져 영상으로 처리된다. 전자장치는 디텍터에서 전달되는 데이터를 이미지(E)로 만들어 뷰파인더나 표준 비디오 모니터 또는 LCD 화면으로 출력한다.

적외선 서모그래피는 적외선 열화상을 라디오메트릭 이미지로 변환하여 온도 값을 읽을 수 있는 기술을 말한다. 그러므로 라디오메트릭 이미지에 있는 모든 픽셀은 실제로 하나의 온도 측정값을 나타내는 것으로 볼 수 있다.

라디오메트릭 이미지로 변환하기 위하여 열화상카메라에는 고도의 정교한 알고리즘을 내장하고 있다. 열화상카메라는 전기·기계 설비의 진단과 검사에 이상적인 기능을 제공한다.

학술 및 연구개발용 열화상카메라 적용 사례 (2)

열화상카메라, 앨러지 억제 약물의 효과를 검증하다

독일 하리테 의과대학 마르쿠스 마우러 교수는 피부의 두드러기와 발적 반응을 연구한다. 이 과정에서 FLIR 열화상카메라를 사용하여 체온을 측정하고 있다. 열화상카메라를 사용하면 일반 체온계보다 직관적이고 쉬운 방법으로 체온을 파악할 수 있다. 구체적으로 숫자와 함께 색으로도 온도를 표현해 시각적으로 정확히 체온을 알 수 있는 것. 의학 분야에 열화상카메라가 도움이 되는 이유다.
보조연구원인 엘레나 아이델 레안은 “인체의 반응을 객관적으로 검사하는 데는 열화상카메라가 최고의 도구”라고 밝혔다.


화산의 움직임을 감시하는 열화상카메라

화산은 지구상에서도 거대한 열 현상 중 하나로 손꼽힌다. 그렇기에 화산의 움직임과 변화 과정은 흥미로운 연구 대상이다.
화산이 가지고 있는 가장 위험한 부분은 바로 분화한다는 것이다. 화산이 폭발할 경우 엄청난 피해를 초래하게 되는 것. 이를 예측하기 위해 전 세계에서 많은 연구가들이 화산과 화산 활동의 다양한 측면을 연구하고 있다.
연구에 FLIR Systems의 열화상카메라를 사용하는 연구원들은 화산 활동을 모니터링하는 데 최고의 장비라고 말한다. 연구원들은 열화상카메라를 사용하여 화산의 열을 관찰할 수 있을 뿐만 아니라 안전한 거리에서 화산의 온도를 측정할 수 있다.

국소 마취제의 효과를 입증한다

네덜란드 로테르담에 있는 에라스무스 대학 의료센터의 연구원들은 환자를 국소적으로 마취하는 마취제의 효과를 측정하는 데 열화상카메라가 훌륭한 역할을 한다고 발표했다.
이 센터의 마취학과 슈르트 니호프 박사는 “열화상은 즉각적인 반응을 보여준다”며, “의료진은 열화상카메라로 국소 마취의 효과를 객관적으로 확인할 수 있게 되었다. 마취의 효과가 불완전한 부분은 열화상에 선명하게 나타나기 때문”이라고 설명했다.

우주행 극저온 연료탱크 설계에 투입

극저온 연료는 휘발성이 매우 강한 성질을 띠고 있다. 또한 우주 공간에서는 중력이 작용하지 않아 궤도상을 비행하는 우주선에서 극저온 연료를 사용하는 것은 더욱 어렵다.
독일의 ZARM 연구소에서는 열화상카메라를 사용하여 이 문제에 대한 해결책을 찾고 있다. 이 연구소의 밍 장 연구원은 “이 실험을 실시하고 그 결과를 열화상카메라로 기록하기 전까지는 극저온 액체가 모세관 효과를 발휘할 것인지, 또한 액체의 증발에 의하여 어떠한 영향을 받을 것인지 알려지지 않았다”고 말했다.
열화상카메라가 극저온 연료탱크 개발에 핵심 열쇠였던 셈이다.

고온 생물학에 쓰이는 열화상카메라

조류와 포유류의 온열생리학(Thermal Physiology)에도 열화상카메라를 쓰고 있다.
야생동물을 연구하는 학자들은 온열생리학에 대하여 더 많은 지식을 필요로 하고 있다. 영국 스코틀랜드에 있는 글라스고 대학 생물다양성·동물건강·비교의학 연구소에서는 이 분야의 지식을 넓히기 위해 다양한 연구를 진행하고 있다.
이 대학의 선임강사 도미니크 맥케퍼티 박사는 “야외에서든 실내에서든 가리지 않고 동물의 체온 및 발열현상에 대하여 열화상카메라는 많은 데이터를 제공한다”고 밝혔다.

층류(Laminar) 설계 평가에 쓰이는 열화상카메라

프랑스의 다소 아비아시옹(Dassault Aviation)사는 팰콘 7X 항공기에 층류와 난류를 분간할 수 있는 열화상카메라를 설치했다. 이후 항공기를 시험 비행하여 비행 도중 날개 표면에 형성되는 층류를 조사했다.
마찰이 많은 날개의 난류 구역에서는 층류 구역보다 온도가 더 높아진다. 그러나 그 온도 차이는 0.5~3℃ 정도에 불과하다.
따라서 이 연구를 위해서는 미세한 온도 차이를 감지할 수 있는 신뢰성이 높은 열화상카메라가 필요하다.

운동선수들의 통증을 완화하다

운동화, 의류 및 트랙 슈츠, 공 등 운동 용품을 제조하는 아디다스는 운동선수들의 요구를 만족시킬 수 있는 새로운 재료와 디자인을 끊임없이 연구 개발하고 있다. 이러한 연구에 FLIR Systems의 열화상카메라가 사용되고 있다.
이 회사의 카르슈텐 베스트팔은 “처음에는 운동화의 온도를 몇 군데에 국한하여 온도계로 측정해야 했다. 이 방법은 운동화를 통해 방출되는 열에 대하여 기본적인 아이디어는 얻을 수 있지만 그 전제적인 면모는 알 수 없었다”며, “우리는 이를 극복하기 위해 열화상카메라를 사용하였고, 그 결과 목표를 완전히 달성할 수 있게 되었다”고 만족감을 드러냈다.

레이저 사고를 예방하다

레이저는 그 출력등급에 따라서 인체에 해를 끼치거나 화재를 일으킬 수도 있다. 그만큼 위험한 물체인 셈. 이런 레이저 설비를 가동할 때에는 안전조치가 필요하다. 영국 글라스고 대학 연구원들은 FLIR Systems의 열화상카메라를 사용하여 테라헬츠 고출력 레이저 시설의 안전을 유지하고 있다.
글라스고 대학 마이크로 시스템 기술연구 그룹의 용 마 연구원은 “테라헬츠급 레이저 장치를 시동하기 전에 혹시 방향이 잘못된 레이저 광선이 있는지 확인하기 위해 모든 부분을 열화상카메라로 촬영하고 있다”며, “현재는 레이저 장치 외에 전자장치의 과열·가스 밸브·가스관과 탱크 등 여러 장치에 열화상카메라를 사용하고 있다”고 설명했다.

연구의 꽃, 대학 연구소

리키교수와 그의 연구 팀은 FLIR Systems의 열화상카메라를 사용하여 항공기 날개와 같은 공기역학적 구조물의 경계층 분리현상을 시각적으로 연구하고 있다. 구체적으로 말하자면 낮은 레이놀즈 수와 마하 수 조건에서의 공기역학적 거동을 서모그래픽 방법으로 조사하고 있는 것. 주로 층류박리 기포(laminar separation bubble)의 발생을 조사한다.
층류박리기포의 존재 여부를 조사 하는 일반적인 방법으로 하중 밸런스, 압력계수 분석, 연기 및 오일 가시화 기법 등이 사용되어 왔다. 그러나 최근 사용되고 있는 열화상카메라는 비접촉 방식이며 현상을 실시간으로 보여준다는 점에서 획기적인 기법이다.