고속 열현상 조사 분석용 열화상 카메라
서모커플이나 스팟 고온계(spot pyrometer)로 온도를 측정하여 측정 대상의 열적 특성을 완전히 파악하기란 굉장히 어려운 과정이다. 특히 기존 방법은 고속으로 변화하는 열적 현상을 조사하는데 필요한 분해능이나 데이터 수집 속도를 지원하지 못한다. 반면, 적외선을 사용하는 열화상 카메라는 한 화면에 수 천, 수 만 개 이상의 점에서 각각 온도를 고속으로 측정하여 열이 발생하고 있는 부분과 발열 속도를 즉시 눈에 보여준다. 용도에 적합한 열화상 카메라를 사용하면 신뢰성 있는 측정 결과와 데이터로 연구를 수행할 수 있다.
적외선 열화상 카메라의 종류
현재 널리 사용되고 있는 적외선 열화상 카메라는 크게 두 종류로 구분할 수 있다. 고성능 냉각식, 광자-계수형(cooled photon-counting)과 저렴한 가격대의 비 냉각식 마이크로볼로미터 카메라이다.
현재 시판되고 있는 서모그래피용 냉각식 카메라는 대부분 안티몬화 인듐(InSb) 디텍터를 사용하는 것이다. 냉각식 카메라는 주로 파장이 3-5㎛인 중파장 적외선 대역의 에너지를 가진 광자의 숫자를 검출(계수)한다. 이 디텍터(센서)의 픽셀에 검출된 광자들은 전자로 변환되어 적분 커패시터에 저장된다.
픽셀은 적분 커패시터를 개폐하는 전자적 셔터로 개폐된다. 온도가 -20°C~350°C 정도인 물체를 촬영할 때 FLIR InSb 카메라의 적분, 즉 노출 시간은 카메라 모델에 따라서 약 6㎳ 내지 50μs이다. 이와 같이 짧은 노출 시간 덕분에 정지 동작은 물론 고속으로 변화하는 열 현상을 정확하게 측정할 수 있다.
비 냉각식 카메라는 냉각식 카메라에 비해 가격이 경제적이고, 크기가 작고 가벼우며, 전력 소비율이 높다. 비 냉각식 카메라의 디텍터 픽셀은 온도에 따라서 전기저항이 크게 변하는 물질로 만든다. 가장 널리 쓰이고 있는 물질은 산화바나듐 또는 비정질 실리콘이다. 카메라가 열에너지, 즉 적외선을 렌즈 초점 위치에 있는 픽셀에 전달하면 그에 따라서 픽셀의 온도가 변화하게 된다.
픽셀의 전기저항이 온도에 따라서 변화하므로, 교정 프로세스를 거쳐 그 값에서 대상 물체의 온도를 계산할 수 있다. 각 픽셀은 미세하지만 질량을 가지고 있으므로 열적 시간상수(thermaltime constant)를 가진다. 최신 마이크로볼로미터 기반 카메라의 시간상수는 보통 8-12㎳이다. 그러나 매 8-12㎳마다 픽셀의 값을 읽고 정확한 온도를 측정할 수 있는 것은 아니다. 대략 시간상수의 약 5배에 해당하는 시간이 필요한데, 그 이유는 이 시간 동안 픽셀의 상태가 안정되기 때문이다.
시간상수(TIME CONSTANT) 및 상상 실험
마이크로볼로미터의 응답속도를 이해하기 위해 두 개의 물 바켓을 예시로 들어보자. 한 바켓에는 섭씨 0도의 얼음물을 담아서 잘 저어준 상태이며, 다른 바켓에는 막 끓기 시작하는 섭씨 100도의 물이 담겨 있다. 마이크로볼로미터를 처음에는 얼음물 쪽으로 향하다가 빠르게 100도의 물이 담긴 바켓을 향하게 하고 그 온도를 측정한다고 가정하자. 이 경우, 입력에 섭씨 100도의 차이가 생겼다. 열적 시간상수 10㎳를 계산하기 쉽게 약 절반 정도의 시간인 7㎳를 기준으로 적용해보자.
그래프에서, 마이크로볼로미터가 7㎳, 즉 1/2 시간일 때 50°C, 1/2 시간의 두 배(15㎳)일 때 87.5°C, 세 배(21㎳)일 때, 등으로 측정되는 것을 볼 수 있다. 이 마이크로볼로미터를 초당 100 프레임, 즉 10㎳ 시점에서 본다면 어떤 측정 결과가 나올까? 카메라가 측정한 온도는 63°C로서, 37°C의 오차가 나타난다. 카메라는 픽셀의 측정값을 정확하게 표시하지만, 픽셀 자체의 온도가 대상 물체의 온도에 아직 도달하지 못했기 때문이다. 일반적으로 마이크로볼로미터를 초당 30프레임 이상의 속도로 작동시키는 것은 무리이다.
실제 데이터
인쇄용지를 섭씨 60°C로 가열하는 인쇄 공정을 예로 들어 보자. 용지는 롤러에서 초당 50인치의 속도로 나와야 하며 폭과 길이 방향으로 온도가 균일해야 한다.
이 과정을 광자계수형 냉각식 카메라와 비 냉각식 마이크로볼로미터 카메라로 촬영했다.
<그림 3>은 이 두 종류의 카메라에서 측정된 데이터가 크게 다르다는 것을 보여준다. 마이크로볼로미터 카메라의 데이터는 길이 방향으로 온도가 비교적 일정하게 높아지는 것이 보인다. 이에 비해 냉각식 카메라의 그래프는 시간에 따라 온도가 크게 변화하는 것을 볼 수 있다.
냉각식 카메라는 가열된 롤러 뭉치가 종이와 접촉하면서 첫 번째 회전하는 동안 온도가 낮아지는 것을 보여준다. ON/OFF식 온도제어장치가 이 온도저하를 감지하고 히터 조절장치를 다시 켜준다. 그 결과로 롤러는 설정된 온도까지 다시 가열되고 프로세스가 다시 반복된다.
이 그래프 하나만으로도 연구개발 전문가들은 제품검사에 냉각식 카메라가 필요하다는 것과, 장치의 목적을 달성하려면 일반 ON/OFF식 온도 제어장치 대신 PID 제어방식의 온도제어장치를 사용해야 한다는 것을 알 수 있다.
두 번째 예로는 고속 회전하는 송풍기의 날개로서, 그 온도를 정확하게 측정할 수 있도록 정지 동작을 비교해보자. 본문의 앞에서 말한바와 같이, 충분히 짧은 노출시간과 고속 이미지 처리 성능이 뒷받침되지 않으면 송풍기 날개의 이미지가 번져서 정확한 온도를 측정할 수 없다.
냉각식 카메라는 노출시간이 짧아서 날개를 정지 동작으로 촬영할 수 있으며, 날개 표면과 히팅 코일의 표면 온도를 정확하게 측정할 수 있다. 이에 비해, 비 냉각식 카메라로는 고속 회전하는 날개의 움직임을 따라가지 못한다. 날개가 회전하면서 히팅 코일을 가리므로, 히팅 코일의 온도는 실제보다 더 낮게 측정되기 때문이다.
마지막으로, 이와 비슷한 예로 헬리콥터 회전익의 열적현상을 살펴보자. 회전익에는 공기의 저항 때문에 열이 발생하게 되며, 선속도가 높아지는 길이 방향으로 갈수록 더 많은 열이 발생한다.
마이크로볼로미터 디텍터를 사용하는 비 냉각식 열화상 카메라는 이와 같은 고속 동작 물체의 온도를 정확하게 측정할 수 없다.
가장 적합한 적외선 열화상 카메라 선택법
이상의 예를 통해서 사용 목적과 용도에 가장 적합한 디텍터를 선택하는 것이 얼마나 중요한 지 이해할 수 있다.
응답속도가 낮은 디텍터를 높은 프레임 속도가 필요한 측정 용도에 사용한다면 원하는 데이터를 얻을 수 없다. 일반적으로 마이크로볼로미터는 최고 초당 50 프레임 속도가 한계이다.
이보다 더 높은 프레임 속도나 고속 열적 변화를 측정하려면 고성능 냉각식 열화상 카메라를 선택하여야 한다. 물론 높은 프레임 속도가 불필요하다면 가격이 저렴한 냉각식 카메라가 당연히 더 유리하다.
자료제공 | 플리어시스템코리아(www.flirkorea.com)
