InGaAs카메라와 열화상카메라
같은 검사 다른 기술…다양한 분야 ‘점령’
지난 8월호에 소개된 바 있는 InGaAs카메라는 적외선(IR)카메라 중에서도 다양한 활용성과 넓은 감지범위로 많은 애플리케이션에 사용된다. 일반 가시광선 카메라나 렌즈로는 할 수 없는 열 감지나 일정 영역 투과 등의 검사를 수행하는 InGaAs카메라는 항공·우주·감시·식품·의약품 등 다양한 분야에서 활용된다. 이러한 InGaAs카메라와 비슷한 역할을 하는 것이 바로 열화상카메라이다. InGaAS카메라와 열화상카메라는 같은 검사를 서로 다른 기술을 통해 수행할 수 있다. (이 기사는 열화상카메라와 InGaAs카메라를 전문적으로 다루는 트리비전의 도움을 받았다.)
지난 8월호<적외선 촬영의 선두 ‘InGaAs’카메라>기사에서 소개하였듯, InGaAs카메라는 적외선카메라 중 하나로 900nm에서 1700nm가량 되는 파장영역을 감지할 수 있다. 이 파장영역은 일반 렌즈와 카메라로는 감지할 수 없는 영역이다. 가시광선 영역은 400nm에서 700nm가량 범위를 감지할 수 있으며 이 영역을 벗어나면 감지가 불가능하다.
가시광선이 볼 수 없는 파장 영역은 특수한 원소 내지는 소자를 통해 감지할 수 있다. 이를테면 인듐(Indium)·갈륨(Gallium)·비소(Arsenide)가 그것이다. 이처럼 특정 소자를 가지고 있어 육안으로는 식별 불가능한 것들을 감지할 수 있다는 것이 IR(적외선)카메라가 가진 가장 큰 특징이다.
적외선카메라 중에서는 InGaAs카메라와 열화상카메라가 가장 널리 알려져 있다. 두 카메라는 각자 넓은 활용범위와 다양한 장점으로 여러 사람들을 사로잡는다.
팔방미인 InGaAs
InGaAs는 본래 군사용으로 개발되었다. 숨어있는 적을 찾아내거나 야간에 적을 감지하거나 흔적을 추적하는 등 다양한 분야에서 활약한다. 밀리터리 레이저 트래킹이나 야간 정찰, 위치 추적, 무인 항공기나 탱크 등 군사적으로 활용할 수 있는 여부는 무궁무진하다. 시간이 지나면서 InGaAs는 여러 민간 분야로 진출하였다. 그 대표적인 것이 보안 및 감시 분야였다. InGaAs센서는 어둠은 물론 인간의 시야를 방해하는 안개나 연기 등에도 영향을 받지 않아 기업 혹은 거리를 촬영하는 보안 분야에서 각광을 받았다. 이후 고급 차량이나 우주선, 공항 검색대 등에 설치되어 육안으로 보기 어려운 부분까지 정확하게 감지하는 임무를 도맡았다.
세계적으로, 특히 한국에 잘 알려진 예는 태양광 사업 분야에 사용된 InGaAs카메라이다. 열이나 빛 파장을 촬영할 수 있는 InGaAs센서는 태양광을 감지하거나 활용하는 각종 애플리케이션에 적합했다. 광파워미터, 태양광 전지, 발광 다이오드, 반도체 레이저, 포토다이오드, 초고속 트랜지스터 등 광전력을 이용하거나 태양광을 다루는 각종 분야에서 활약한다.
머신비전 분야에서 가장 유명한 것은 웨이퍼 검사이다. 실리콘 웨이퍼의 안쪽 혹은 뒷면을 투시하듯 감시하여 회로의 이상 여부를 판별할 수 있다. 전자여권 등 IC칩이 들어가는 분야에서도 제품을 투과해 뒷면의 회로 등을 감별한다. 이외에도 불투명 플라스틱 병의 내부 검사 등에 활용된다. 이는 생산라인 안에서 직접 용기를 열어 내용물을 확인하는 수고를 덜어주므로 검사시간 단축과 생산량 향상 그리고 인건비 절감에 큰 도움이 된다.
식품 및 농수산물 분야에서도 인기가 있다. 곡물이나 과일 안쪽이나 식품의 케이스 안 등에 이물질 혹은 결함이 있는지 검사한다. 뿌리식물의 형태나 이물질 오염 여부, 크기 판단에도 적합하다. 제약 애플리케이션에서도 이물질이나 결함 등을 감지할 수 있다. 최근에는 의료업계에서도 InGaAs기술을 선호하고 있는 추세다. InGaAs카메라를 이용하면 신체 안에 있는 혈관이나 뼈 등을 손쉽게 촬영할 수 있다. X선처럼 기존에 방사능이 검출되던 기술을 대체할 수 있다.
InGaAs만? 열화상도 있다
앞서 InGaAs카메라의 활용 분야에 대해 자세히 설명하였다. InGaAs카메라는 가시광선 영역에서는 볼 수 없는 많은 것들을 감지하고 촬영할 수 있어 쓰임이 매우 다양하다. 하지만 앞서 나열한 분야에서 반드시 InGaAs카메라만 활용해야 한다는 것은 아니다. 불투명 플라스틱 병 내부를 검사할 때 InGaAs카메라가 아닌 일반 가시광선 영역 카메라를 사용하더라도 제품 뒤에서 강한 조명을 투과하면 내용물 영상을 획득할 수 있다. 즉 InGaAs카메라는 다양한 영상을 매우 손쉽고 정확하며 신속하게 촬영할 수 있을 뿐, 반드시 InGaAs카메라로만 모든 것을 해결할 필요는 없다.
예를 들어 InGaAs카메라는 안개나 밤 시야 등 사람이 육안으로 보기 어려운 영역을 투과하고 촬영할 수 있다. 즉 사람의 시야를 가로막는 부분까지 통과하여 촬영대상의 움직임을 포착함으로써 보안 및 감시 분야에서 활약하는 것. 하지만 InGaAs카메라만이 보안 및 감시 분야에 통용되는 유일한 카메라는 아니다.
InGaAs카메라와 함께 보안 및 감시 분야에서 각광받는 주인공은 바로 열화상 카메라이다. 열화상 카메라 역시 보안과 감시 업무를 훌륭하게 수행할 수 있다. 사람이나 동물이 들어오면 열화상 카메라는 그 온도를 감지하여 경보를 발생한다. 이 기능은 공항검색대나 병원의 전신체온검사 등 많은 곳에서 활용된다. 또한 제품온도나 실내온도·체온 등 다양한 열을 감지할 수 있어 전자제품의 접촉 불량, PCB기판의 불량 여부 등을 쉽게 감지해낼 수 있다. 즉 머신 비전 분야에서도 적극적으로 활약하고 있는 것. 이외에도 자동차 실험실을 비롯한 각종 실험실이나 건물의 화재 예방, 변압기의 과열 예방 등 많은 분야에 쓰인다.
분야는 같아도 기술은 달라
InGaAs카메라와 열화상카메라는 위에서 설명한 보안 분야를 포함해 몇몇 분야에서 동시에 활용할 수 있다. 예를 들어 PCB기판의 양품 및 불량품 여부를 검사할 때 InGaAs카메라는 필터로 내부를 투시하듯 검사해 오류를 잡아낼 수 있으며 열화상카메라는 해당 제품의 온도를 촬영하여 불량 여부를 판별한다. 이렇듯 InGaAs카메라와 열화상카메라는 같은 분야에서 활약할 수 있는 여지가 충분하다. 하지만 이 두 카메라에는 근본적인 차이가 있다. 영상을 획득하는 방법에서 차이가 나는 것.
InGaAs카메라는 특수 필터를 이용해 육안 검사를 가로막는 부분을 제거하여 해당 부분을 ‘투과하듯’ 영상을 촬영한다. InGaAs카메라가 웨이퍼 검사에 용이한 이유가 바로 육안으로는 볼 수 없는 웨이퍼 벽을 통과하여 안쪽 혹은 뒤쪽을 볼 수 있기 때문. 불투명 플라스틱 병이나 회로 뒷면의 IC칩을 검사할 수 있는 것도 특정 파장영역 안의 영상을 투과할 수 있기 때문이다.
반면 열화상카메라는 열 자체를 촬영하는 기술을 사용한다. 이 열을 ‘색’으로 치환하여 영상을 획득할 수 있는 것. 사용자가 특정 온도를 어떤 색으로 표현할지를 정해주기만 하면 열화상카메라는 열 정보를 획득하여 색상으로 시각화한다.
두 기술은 영상을 출력하는 방법에도 차이가 난다. InGaAs카메라는 오로지 흑백으로만 결과물을 출력한다. 이는 센서가 특정 영역만 촬영할 수 있는 반면 색 정보를 받아들이지는 않기 때문으로 추정된다. 병원에서 많이 사용되는 X-RAY를 떠올리면 이해가 빠를 것이다. 반면 열화상카메라는 특정 온도에 따라 색을 지정하므로 마치 무지개덩어리들이 떠다니는 것 같은 영상을 출력한다. 예를 들어 열화상카메라로 공항 검색대에서 사람을 촬영한다면, 사람이 서 있는 형태를 촬영할 수는 있으나 눈코입이나 몸의 모양 등 일반적으로 볼 수 있는 영상이 아닌 시각화한 열 정보만을 출력할 뿐이다. 따라서 인간의 모양을 한 색 덩어리로 보이게 된다.
어떤 것을 고를까?
InGaAs카메라와 열화상카메라는 이처럼 같은 검사를 하더라도 검사방법이나 출력물 등 여러 면에서 차이가 난다. 사용자들은 InGaAs카메라와 열화상카메라 중 한 기술을 선택하는 데에 신중을 기해야 한다.
예를 들어 식품 검사 현장에서 두 기술 중 한 가지를 선택해야 한다고 가정하자. 이때 InGaAs카메라는 과일 껍질이나 물건의 포장지 등을 투과하여 촬영함으로써 육안으로는 볼 수 없는 과일 안쪽, 불투명 밀봉된 식품 등의 오염 및 불량 여부를 판별할 수 있다. 상한 음식이나 품질이 떨어지는 제품 등을 선별하는 데에 도움이 된다. 반면 열화상카메라는 컨베이어 오븐의 온도를 지속적으로 감시하여 음식이 덜 조리되는 것을 방지할 수 있다. 또한 특정 음식 중 온도가 떨어지는 부분을 찾아내 다시 조리하거나, 냉장고나 냉동고 등의 온도 변화를 감지해 시설 오류로 인한 불량을 예방할 수 있다.
PCB기판검사 역시 검사방법이 사뭇 다르다. InGaAs카메라는 기판을 투과하여 뒤쪽에 있는 회로가 끊어지거나 부적절하게 작동하지는 않는지 여부를 검사하지만 열화상카메라는 기판에서 발생하는 열을 캡처한 뒤 시각화하여 출력함으로써 어떤 부분에서 과도한 발열이나 오작동이 일어나는지 판단한다.
이처럼 두 카메라가 같은 분야에서 활약한다고 해서 검사할 수 있는 영역이나 검사결과까지 모두 동일한 것은 아니다. 따라서 사용자들은 검사 성격에 가장 적합한 카메라를 선택하여 검사시간과 비용 모두를 절감할 수 있도록 해야 한다.
글 | 윤진근 기자(pen@automotivemnt.com)
