초소형 전자장치의 열 특성을 조사하는 FLIR 열화상 카메라

일반 전자장치와 마이크로-전자장치를 개발하는 과정에서 열적 현상 변화에 관한 정보는 해당 장치 또는 부품의 정상적인 동작을 판단하는데 필수적인 정보이다. 뿐만 아니라 차세대 마이크로-전자장치의 성능은 사용되는 재료의 열-물리학적 특성을 얼마나 규명할 수 있는가에 달려 있다.
미국 텍사스대학 미세구조 열-물리학 연구실(Microscale Thermophysics Laboratory) 책임자인 안쿠르 야인(Ankur Jain) 박사가 리드하는 연구팀은 미세 규모의 열전달 현상에 관하여 광범위한 연구를 수행하고 있다. 이 연구실에서 플리어의 열화상 카메라가 특히 중요한 역할을 하고 있는데, 이 글을 통해서 플리어의 열화상 카메라의 활용 방법에 대해 알아본다.

전자제품의 소형화 추세에 따라서 전자부품과 기판의 소형화는 핵심적이며 가장 기본적인 목표가 되고 있다. 전자장치는 소형화될수록 속도가 빨라지며 또한 사용이 간편해진다. 소형화를 이루기 위해 나노 기술과 박막가공 기술의 발전으로 태양전지, 열-전기 재료, 마이크로 전기-기계 시스템(MEMS) 분야의 발전 속도가 가속화되고 있다. 이러한 발전을 위한 재료와 장치의 열적 특성은 엔지니어링 시스템을 개발하는데 매우 중요한 자료이다. 그러나 이런 시스템에는 열의 전달과 관련된 많은 요소들이 있다. 이런 요소들을 효율적으로 처리하기 위해서는 재료 내부의 열전달 현상을 마이크로-수준에서 조사할 필요가 있는 것이다.

입체 IC의 열방산
안쿠르 야인 박사가 지도하는 미세구조 열-물리학 연구실에서는 마이크로 규모의 열전달 현상, 에너지 변환 시스템, 반도체의 발열 관리, 생체 열전달 및 이런 현상들과 관련된 주제를 연구하고 있다. 입체 IC 의 열 방산은 결코 쉽지 않은 기술 분야로서 지난 20여 년 동안 많은 연구가 수행 되었지만 아직도 미해결 문제가 많이 남아 있는 분야이다.
안쿠르 야인 박사의 연구실 멤버들은 입체 IC의 주요 열적 특성을 측정하고 내부의 열전달을 규명할 수 있는 해석 모델을 개발하고 있다.

온도장(Temperature field)의 측정

박막 물질 기술은 그 시초부터 마이크로-전자장치에 필수적인 기술이 되었으며 IC 에서 다양한 기능을 수행하고 있다.
박막 필름의 열적 거동을 정확하게 파악하려면 열을 방출하는 미세구조 및 열적 특성에 관련된 증착 프로세스와 관련된 형태학 사이의 상호관계를 조사할 수 있어야 한다. 이 상호관계를 규명함으로써 열전도도 (Conductivity), 체적 탄성계수(Bulk modulus), 두께 및 열 경계면의 저항 등을 조사할 수 있게 된다. 안쿠르 야인 박사는 “우리 연구팀은 특히 초소형 전자장치에서 시간에 따른 온도의 변화를 집중적으로 연구하고 있으며,  기판의 열적 특성을 측정하여 미세 구조의 열전달 현상을 조사하고 있다.”고 말했다. 전자장치에서는 열이 장치의 기본 기능과 관계가 없는 바람직하지 않은 부작용으로 취급되는 경우가 많다. 그러므로 박막 필름 내부의 과도적인 열 현상을 충분히 파악할 필요가 있는 것이다. 또한 야인 박사의 말에 따르면 미세 구조 내부의 열 흐름을 이해하면 전자부품의 과열 문제를 해결할 수 있게 된다. 따라서 더 우수한 마이크로-시스템을 설계할 수 있게 되며 더 적합한 재료를 선택할 수 있게 되는 것이다.

안쿠르 야인 박사는 “예를 들어 다양한 종류의 박막에 대해서 열전달 특성을 측정, 비교하는 연구를 수행해 오고 있다.”며, “예를 들어 한 실험에서는 기판의 마이크로 히터 선을 전원에 연결하고, 아주 미세한 전류를 인가하여 장치에서 줄 열이 발생하도록 한다. 이렇게 하면 기판의 온도 장이 시간에 따라서 변화한다.”고 덧붙였다.열화상 카메라

안쿠르 야인 박사 팀은 마이크로-전자장치의 온도를 측정하기 위해 서모커플을 비롯하여 다양한 온도 측정기기를 사용해왔다. 그러나 서모커플은 한 지점의 온도만 측정할 수 있다는 기능상의 제한이 있다.
그래서 안쿠르 야인 박사는 온도 장의 전체적인 분포와 시간에 따른 변화를 조사하기 위해서 FLIR의 열화상 카메라를 사용하기로 결정했다.
FLIR A6703sc 열화상 카메라는 전자회로 검사, 의료기기용 서모그래피 분석, 생산 공정 모니터링, 비 침습 시험 등의 용도에 적합하다.
또한 이 카메라는 고속 열 현상의 촬영과 고속으로 동작하는 물체의 열분석에 이상적인 도구이다.
노출시간이 짧아서 고속의 움직임을 정지한 상태로 관찰할 수 있으며 또한 온도를 정확하게 측정할 수 있다. 카메라의 이미지 출력을 최대 초당 480 프레임으로 높여서 빠르게 변화하는 열적 현상을 정확하게 관찰하고 측정할 수 있으므로 종래의 기술로는 불가능했던 데이터를 얻을 수 있다.
안쿠르 야인 박사는 “전자장치 내부에서 우리가 조사하고자 하는 열 현상은 매우 빠르게 변화하는 반면, 우리는 한 지점이 아니라 온도 장 전체의 분포와 변화를 조사하는 것이 목적이다. 따라서 FLIR A6703sc 열화상 카메라는 이런 용도에 아주 이상적인 장치이다.”라고 말했다.

학술 연구 및 제품 개발용 열 분석 소프트웨어

또한 안쿠르 야인 박사의 연구팀은 FLIR의 학술연구용 ResearchIR 분석 소프트웨어도 함께 사용하고 있다. ResearchIR은 강력한 기능과 뛰어난 사용자 편의성을 제공하는 열화상 분석용 소프트웨어 패키지로서, 카메라 시스템의 명령과 제어, 고속 데이터 녹화, 실시간 또는 사후 분석, 보고서 작성 등의 기능을 제공한다.
안쿠르 야인 박사는 “FLIR의 ResearchIR 소프트웨어는 우리 연구에 큰 도움을 주고 있다. 특히 온도 측정치를 기록하고 데이터를 공유할 수 있어서 여러 대의 PC로 시험 결과를 분석하는데 필수적인 도구가 되고 있다.”며 “이 ResearchIR 소프트웨어는 우리 팀 멤버들 사이는 물론 다른 팀과의 협업에 큰 도움이 되고 있다.”고 말했다.

자료제공 | 플리어시스템코리아(www.flirkorea.com)

플리어시스템, 초보자용 휴대형 스팟 열화상 카메라 'TG130' 출시

혁신적인 FLIR 렙톤 마이크로카메라 코어 탑재

전 세계 열화상 카메라 시장 점유율 1위인 열화상 전문기업 플리어시스템 한국지사가 최근 초보자도 저렴한 비용으로 손쉽게 열화상 기술을 활용할 수 있도록 설계한 휴대형 스팟 열화상 카메라 신제품 FLIR TG130을 출시했다. 저렴하고 합리적인 스펙으로 소비자의 이목을 집중시킬 것으로 예상된다.

사용하기 쉬운 열화상 카메라 TG130
TG130 가장 큰 장점은 사용하기가 매우 쉽고 간단하며 비용이 저렴하다는 점이다. 구입비용은 건물의 냉난방 비용 절감을 통해 단시일 내에 회수할 수 있을 정도로 저렴하다.
또 다른 TG130 스팟 열화상 카메라의 장점은 플리어의 혁신적인 렙톤(LeptonⓇ) 마이크로카메라 코어를 탑재하였다는 것이다. 렙톤은 동전보다 작은 크기의 카메라 몸체로 현재 시중에 판매되고 있는 OEM용 장파장 적외선 센서 중에서 최소형의 크기를 자랑하며 80×60 픽셀의 분해능을 제공한다. 또한 렙톤 카메라 코어는 고정 설치형 카메라 시스템은 물론 이동용 및 휴대형 장치에 지금까지는 볼 수 없었던 차세대 열화상 이미징 가능을 구현할 수 있도록 개발되었다.

스팟 열화상 카메라의 장점
TG130은 문틈이나 바닥, 벽체, 배관, 창문 등을 통한 열 손실이나 외부 냉기 침입, 단열재가 없거나 손상된 부분 등 겨울철과 여름철에 가정이나 사무실의 에너지 진단에 이상적인 도구이다. 냉난방 및 공조 시설(HVAC)의 성능 및 기능 진단이나 가정용 전기 시설에 영향을 미치는 전기적 문제를 신속하게 파악할 수 있게 함으로써 주택의 냉난방 관련 문제의 탐지 및 해결에 드는 시간과 비용 절감에 유용할 것으로 보인다. 이 외에 냉장고 온도가 적절하게 설정되어 있는지, 식품 안전에 요구되는 적정 온도가 유지되고 있는지도 쉽게 확인이 가능하다.

TG130의 스펙
TG130은 별도의 교육이나 연습 없이 누구나 곧바로 사용할 수 있을 정도로 쉽고 편리하다. 측정 대상을 향해 버튼을 누르기만 하면 된다. 측정 온도 범위는 -10 ~ +150°C이다. 장비 무게는 배터리 무게를 포함하여 0.21kg으로 가볍고 크기도 169×113×48㎜로 작아 휴대하기 용이하다. 이 장비는 쉽게 교환할 수 있는 표준형 AAA(LR03) 배터리 3개로 동작하며 새 배터리 교체 후 4시간 연속 사용이 가능하다.