적외선 촬영의 선두 ‘InGaAs’ 카메라

화합물 반도체 활용 … 군사부터 식품산업까지 ‘팔방미인’

InGaAs 카메라는 적외선 카메라(infrared camera, IR카메라)의 한 종류이다. 적외선 카메라란 말 그대로 가시광선이 아닌 영역의 빛도 포착하고 촬영할 수 있다. InGaAs 카메라는 적외선 카메라 중에서도 뛰어난 범용성으로 많은 이들에게 주목을 받고 있다. InGaAs 카메라란 무엇이며 어떤 특징이 있는지 알아본다.  

IR카메라가 가진 가장 큰 장점은 사람이 보지 못하는 빛과 열을 촬영할 수 있다는 점이다. 또한 특정 파장의 광선만을 받아들여 촬영할 수 있]어 실제 눈에 보이는 불필요한 부분들, 이를테면 안개나 수증기와 같은 부분을 제거할 수도 있다. 이러한 IR 카메라를 대표하는 것이 바로 InGaAs 카메라이다. 하지만 InGaAs 카메라에 대해 이해하기 전에 우선 IR 카메라라는 장비에 대한 이해가 필요하다.

IR카메라란

모든 빛에는 파장이 있다. 태양빛이나 형광등 조명 그리고 레이저 광선도 고유의 파장을 가지고 있다. 이 파장은 우리 눈에 보이는 종류도, 보이지 않는 종류도 있다.

파장 영역을 말할 때에는 보통 UV(Ultra Violet/자외선)/ Visible(가시광선)/IR(Infra Red/적외선)이라는 용어를 자주 사용한다. 가시광선 영역은 빛의 파장이 400~700nm (nano meter; 10억 분의 1미터)정도이다. 이 영역은 색상으로 치환했을 때 붉은색부터 보라색까지의 스펙트럼을 갖고 있다. 무지개를 보았을 때 빨강과 보라 이외의 색이 보이지 않는 것은 가시광선의 스펙트럼에 한계가 있기 때문이다.

그렇다면 그 외의 파장은 어떨까. 보라색보다 짧은 파장은 자외선(UV)이라고 부른다. 이 자외선에도 많은 구분이 있지만 여기에서는 논외로 한다. 그리고 붉은색보다 긴 파장을 적외선(IR)이라고 한다. 이 적외선 분야를 볼 수 있는 카메라가 바로 IR 카메라이다.

IR 카메라의 특징

UV카메라나 가시광선 카메라가 그렇듯 IR카메라 역시 기준에 따라 많은 제품군이 존재한다. 그렇다보니 적외선 카메라 종류를 규정하는 기준 역시 다양하다. 우선 파장대역에 따라서 카메라 종류가 나뉜다. 700~3000nm 영역은 근적외선(NIR, Near IR), 3~30 micrometer (1um=1000nm)영역은 중적외선(MIR Medium IR)으로 부르며 그보다 더욱 긴 파장의 빛을 원적외선(FIR, Far IR)이라고 부른다. 하지만 카메라를 나누는 기준이 조금 다른 경우도 있다. SWIR(Short Wave Infrared), MWIR(Medium Wave Infrared) 그리고 LWIR(Long Wave Infrared)으로 분류하는 것이 그것이다.

이 중 SWIR 카메라는 높은 투과성을 자랑한다. 카메라와 비슷한 파장 특성을 지닌 제품을 투과할 수 있는 특징이 있다. 실리콘 웨이퍼를 예로 들면 눈으로는 제품을 투과해서 볼 수 없지만 SWIR 영역을 촬영하는 카메라는 특정 파장으로 가려진 부분을 투과해 결과를 볼 수 있다. MWIR과 LWIR은 파장이 길어 열화상카메라로 많이 사용된다. 빛의 파장 영역은 자외선/가시광선/적외선으로 나뉜다. IR카메라는 적외선 영역을 볼 수 있는 카메라이다.

IR 카메라의 활용

IR카메라는 산업현장에서 없어서는 안 될 감초 역할을 톡톡히 하고 있다. 또한 산업 분야 이외의 각종 분야에서도 활약한다.

이야기했듯 IR카메라 중에서도 SWIR파장을 촬영할 수 있는 카메라의 특징은 ‘투과성’이다. 즉 특정한 파장 특성을 가진 제품을 투과해서 볼 수 있다는 것이다. 예를 들어 식료품 분야에서 IR카메라는 가시광선으로는 보이지 않는 과일 껍질 속이나 포장지 이면 등에 적외선을 투사하여 제품이 상하거나 이물질이 들어있는 등 불량 여부를 판단한다. 고속 라벨 검사 분야에서는 정상 라벨 이미지와 제품 투과 영상을 대조시키기만 하면 불량품을 고르는 것도, 합격품을 선별하는 것도 손쉽게 할 수 있다. IR카메라의 일종인 열화상 카메라는 인간의 눈으로 볼 수 없는 냉기나 열기 등의 온도를 시각화할 수 있다. 이는 냉각 제품 및 온도유지가 필요한 제품을 검사하는 데에 적합하다.

IR카메라는 산업 현장 외에도 여러 분야에서 활약하고 있다. 대표적으로 폐쇄회로 TV나 감시 카메라 그리고 보안과 같은 분야에서 많이 활약해왔다. 밤이나 새벽시간에도 거리나 후미진 곳을 놓치지 않고 촬영할 수 있기 때문이다.

InGaAs 카메라란

InGaAs 카메라는 인듐(Indium)과 갈륨(gallium) 그리고 비소(arsenide)로 구성된 화합물 반도체를 사용하는 카메라이다. 화합물 반도체란 서로 상이한 금속 원소의 원자들이 결부하여 금속 결정을 구성한 반도체이다. 최소 두 개 이상의 금속이 결정을 구성한 채 가전자대를 함께 채우기에 충분한 전자를 공급한다. GaAs·InSb·InAs·GaP 등이 화합물 반도체이다. InGaAs는 그 중 한 종류이다.

InGaAs 카메라는 Visible카메라에서 CCD라고 부르는 개념 대신 센서라는 개념을 사용한다. InGaAs가 파장을 감지하는 센서가 되어 빛과 파장 그리고 열을 감지해내는 것이다. 이 센서의 조합이나 비율에 따라 IR 영역 안에서도 특정 영역을 잘 받아들일 수 있는 등의 특성이 결정된다.

InGaAs를 구성하는 요소인 인듐과 갈륨 그리고 비소는 T.P.Pearsall이 1976년에 최초로 합성하였다. 말하자면 이 사람이 InGaAs 카메라 기술의 아버지인 셈이다. Pearsall은 여기에 그치지 않고 2년 후인 1978년에는 처음으로 고성능 p-i-n 탐지기를 시연하였고, 다시 2년이 지난 1980년에는 UTC(uni-traveling-carrier)를 제작하게 된다. 현재 이 기술들은 InGaAs 카메라는 물론이고 적외선 카메라를 사용하는 머신 비전에 전반적으로 널리 분포되어있다. 이런 특성덕분에 InGaAs는 높은 전력 및 고주파 전자에서 주로 사용된다. InGaAs 카메라는 IR카메라 중에서도 NIR(Near Infrared) 영역과 SWIR(Short Wavelength Infrared) 영역에 특화되어있다. 그렇다면 InGaAs 카메라는 어떤 특징을 가지고 있어 이러한 영역을 촬영하는 데에 특화되어있을까. InGaAs 카메라가 가진 특성을 이해하기 위해선 우선 화합이 일어난 물질들이 어떤 것인지 살펴야 한다.

In: Indium

원소기호 In인 인듐은 원자번호 49번이며 원자량은 114.82이다. 지각 중의 존재도 0.1ppm(65위), 녹는점은 156.63℃이며 끓는점은 약 2000℃이다. 비중 7.31(20℃)이고 주기율표 3B족에 속하는 금속원소의 하나이다. 1863년 독일의 F. 라이히와 H. T. 리히터가 섬아연석에서 발견했다.

인듐은 1960년에 개발한 분광분석법을 이용하여 확인된 원소이다. 스펙트럼선(線)이 선명하고 독특한 인디고블루의 색상을 띄어 원소명도 이에 연유하여 명명되었다. 인듐은 천연에서 홑원소물질 또는 인듐 광물로는 산출되지 않는다. 대신 아연·납의 광석에 갈륨과 함께 소량 함유되어 있어 아연·납을 제련할 때 함께 회수되는 귀중한 원소이다. 인듐은 아연이나 납 제련의 연회(煉灰)나 침출잔사처리(浸出殘渣處理) 공정에서 유기용매 추출 등의 방법으로 농축·회수된다. 인듐은 InP, InAs, InGaAs 등의 금속간화합물 반도체(金屬間化合物半導體)로서 광전자공학(optoelectronics)의 불가결한 재료이다. 또한 도금·저융점(低融點)합금에도 쓰인다. 단 인듐화합물의 인체에 대한 영향으로는 치아의 열화(劣化), 뼈·관절의 통증, 신경·위장 장애 등이 알려져 있으므로 사용에 주의하여야 한다.

Ga: Gallium

원소기호 Ga인 갈륨은 프랑스 화학자 L.드부아보드랑이 분광분석법에 의해 발견한 원소로 원자번호 31번을 차지하고 있다. 원자량은 69.723±4이며 지각 중의 존재도 15ppm로 34위. 녹는점과 끓는점이 각각 29.78℃와 2403℃이다. 액체의 비중 6.1(30℃), 고체의 비중 5913(25℃)을 자랑한다. 기존 물질 중에서 액체로 존재하는 온도범위가 가장 넓다. 수용액은 무색이다. 과냉각현상이 현저하고 알루미늄보다 반응성이 적다. 공기 속에서는 산화물의 피막에 둘러싸여 부식되지 않는다. 단 진한 산에는 서서히 녹으며 염산과 질산의 혼합물에는 빨리 녹는다.

보크사이트에서 산화알루미늄을 추출하는 공정(바이아법)에서 가성소다 수용액 속에 산화알루미늄과 함께 함유되어 산화알루미늄 분리 후 침출액에서 회수된다. 최근 갈륨도 인듐처럼 금속간 화합물반도체로서의 용도가 급증하고 있다. 화합물인 갈륨비소는 레이저라든가 고속 트랜지스터 재료로 이용되고 있다. 또한 실리콘(규소)에 불순물로서 첨가하면 P형 반도체를 만들 수 있다.

As: arsenic

비소는 원소기호 As이며 원자번호는 33번, 원자량은 74.9216이다. 지각 중의 존재도 1.8ppm으로 51위이다. 녹는점은 81.7℃이며 승화점은 613℃. 비중은 5.37이고 중요 산화수는 -3, 3, 5이다. 주기율표 5B족의 질소족에 속하는 원소의 하나로 오랜 옛날부터 알려진 원소이며 기원전 4세기경 아리스토텔레스가 안료에 이용하던 석웅황(남성적인 것)에 관해 기재하며 유명해졌다. 당시 비소는 화합물·홑원소물질과 함께 연금술사들에게 흥미를 끌었다.

한국에서는 비소화합물 중 유독한 것이 많아 옛날부터 쥐약이나 독약으로 사용되었다. 수소화비소는 극약이고 삼산화비소·염화물 등이 그 다음으로 유독하다. 그러나 금속비소나 유리에 함유된 삼산화이비소는 물에 용해되지 않으므로 독성이 약하다. 비소는 유리의 탈포(脫泡), 소포제(消泡劑), 촉매, 농약 등에 쓰인다. 예전에는 여러 가지 형태의 의약품으로 사용되었으나 최근들어 많이 시들해졌다.

합금재료로서 납-안티몬계 합금에 경도를 증가시키기 위해 구리에 첨가하는 경우도 있다. 고순도 비소가 만들어짐에 따라 화합물 반도체로서의 용도가 열리게 되었다. 실리콘을 대신하는 IC기판으로 유망하며 광전자공학 분야에서도 다방면으로 사용된다. 예를 들면 비소화칼륨 광전극면은 적외선 영역의 빛에 대해 가장 고능률인 광전자를 방출하므로 광전증폭관 등에 쓰인다. 인륨·갈륨·인·알루미늄·비소 등으로 만들어지는 반도체를 이용한 발광다이오드(LED)는 전자기기의 신호등이나 파이버를 이용한 비교적 단거리의 광통신 시스템에 널리 이용된다.[위 자료는 사이언스올 홈페이지(www.scienceall.com/ index.sca) 참조]

InGaAs의 특징

InGaAs 카메라는 열 이미지를 촬영하는 카메라이다. 다른 말로 이야기하면 촬영을 위해서는 일정 이상 열이 필요하다는 이야기이다. 그렇기에 InGaAs 카메라로 촬영을 하기 위해서는 자체적으로 열을 발산하는 제품을 촬영하거나, 에플리케이션이나 제품에 레이저를 투과시켜 열을 받아들이거나, 백라이트를 켜는 등의 과정을 통해 열을 만들어 단다.

또한 InGaAs 카메라를 사용하려 한다면 렌즈 역시 IR용 렌즈를 활용하여야 한다. 아무리 좋은 성능을 가지고 있는 카메라라도 렌즈에서 열화상을 감지하지 못하면 쓸모가 없다. 반대로 IR용 렌즈를 착용해 열화상 이미지를 감지해내더라도 그것을 분석하거나 받아들일 수 있는 IR카메라가 없다면 렌즈는 무용지물이 된다.

열화상카메라 제품군은 대체적으로 촬영 결과를 시야로 확인하는 데에 어려움을 겪는다. 열을 촬영하는 데에 최적화된 카메라들은 가시광선을 촬영하기 위한 일반 카메라와 용도가 다른 것이다. 하지만 InGaAs 카메라는 NIR(근적외선)과 SWIR(짧은 파장영역)을 모두 촬영할 수 있다. 즉 일반 카메라로 촬영할 수 있는 범위와 적외선 카메라로 촬영할 수 있는 범위를 함께 촬영할 수 있다는 것이다. 두 종류 카메라의 특징을 모두 가진 덕에 머신 비전 업계에서도 다양한 에플리케이션에 활용할 수 있다.

InGaAs의 광학 및 기계적 성질은 인듐·갈륨·비소의 비율을 변화시킴으로써 다채롭게 변환할 수 있다. 이를테면 InP의 격자 상수와 일치시키고 기계적인 변형을 방지하기 위해 구성을 달리 함으로써 1.68μm의 주파수를 차단한다. 이때 Ga(갈륨)의 비율을 높이면 최대 2.6μm까지 주파수를 차단할 수 있다. 다만 이 경우에는 기계에 미치는 부담을 줄이기 위한 방안 및 조치가 필요하다.

GaAs는 일반적으로 격자 상수에서 Ge와 0.08%가량 불일치한다. 이때 1.5%의 합금을 더하면 InGaAs는 Ge와 완벽하게 일치할 수 있게 된다. 필름 스트레스를 완벽히 배제하면 EPI InGaAs 층과 직선 InGaAs의 결함률을 비교적 크게 줄일 수 있다. InGaAs 카메라는 열을 주로 촬영하기에 뜨거운 곳에 있어야 하는 경우가 자주 생긴다. 빛과 열을 지속적으로 받아들이면 과열되거나 오작동을 범하는 등 오류가 발생할 수 있다. 그렇기에 InGaAs 기술은 ‘쿨링(Cooling)’ 기술이 매우 중요하다. 다른 CCD 카메라보다 크기가 큰 이유가 여기에 있다.

InGaAs의 활용

InGaAs는 약 20여 년 전부터 사용되던 카메라이다. 하지만 처음 개발하던 당시부터 태양광 시스템이나 머신 비전에 사용될 목적인 것은 아니었다. InGaAs가 개발될 당시에는 주로 군사 목적으로 사용되었다. 현재에도 전쟁이나 전투에서 넓은 범위를 수색하고 흔적을 추적하는 용도로 주로 활용된다. 이를테면 밀리터리 레이저 트래킹 분야나 야간 정찰 분야 그리고 위치 추적 분야 등에서 각광을 받고 있다. 무인 항공기에도 자주 사용된다.

Goodrich는 미국 항공우주·방위산업 시스템 및 서비스 전문 업체로 Sensors United의 자회사이다. Goodrich에서는 InGaAs 기술을 이용한 카메라를 제작해 미군 등에서 도입하기 시작하였다고 밝혔다. Goodrich는 “InGaAs의 기술이 농업·군수·과학 등 각종 산업에 폭넓게 사용될 수 있을 것”이라고 전망했다. 또한 미국항공우주국(美國航空宇宙局, NASA)에서는 우주 영상을 촬영하기 위해 InGaAs 카메라를 우주선에 장착시키기도 하였다.

또한 InGaAs기술은 CCTV 등 보안이나 항공 운항 분야에서도 폭넓게 사용되고 있다. 광전력(光電力)을 감지하여 빛에너지를 전력에너지로 변환하는 센서부를 가진 광파워미터에도 InGaAs 센서가 들어간다. 자외선을 관찰하고 감지하는 데에 그치지 않고 태양광을 받아들여 에너지로 축적할 수 있는 전지로도 개발이 이루어지고 있다. 원래 혼정반도체로 제품인 만큼 발광 다이오드, 반도체 레이저, 포토다이오드, 초고속 트랜지스터의 동작에도 응용되고 있다. 분광기에서도 없어서는 안 될 요소이다. 최근에는 NIR쪽 카메라가 각광을 받기 시작하며 NIR카메라의 범위를 뛰어넘는 카메라로 부각되고 있다. NIR 범위인 800~1000nm의 경우 센서 감도가 매우 낮으나 InGaAs는 900~ 1700nm범위 안에서 특정 물체를 90%이상 감지 및 감별해낼 수 있다. 머신 비전 분야에서는 원래 태양광 사업 쪽에 많이 들어가던 제품이었다. 열이나 빛 파장을 촬영할 수 있는 카메라다보니 태양광 관련 에플리케이션에 없어서는 안 될 제품이 되었던 것이다.

이밖에도 InGaAs 카메라는 열 관련 검사에 많이 활용된다. 즉 곡물이나 식품 혹은 제약 에플리케이션 등에서 이물질이나 결함을 찾아내는 데에 이용되고 있다. 안구 검사 등 의학 분야에서도 활용된다.

글 |윤진근 기자 pen@automotivemnt.com