이곳저곳 넘나드는 열화상카메라 (1)

공장자동화 및 공정제어부터 과학·연구개발용까지 ‘팔방미인’
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 걸쳐서 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, 온도가 자주색부터 적색으로 변할 수록 점차적으로 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 보내져서 영상으로 처리된다. 전자장치는 디텍터에서 전달되는 데이터를 이미지(E)로 만들어서 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 (1)

열화상카메라로 트랙터 성능 최적화

트랙터 기술자들은 트랙터의 소음 강도, 발열 문제, 내구성 등과 관련하여 제품을 최적화할 수 있도록 복잡하고 정교한 시험을 거친다. 독일 베르케 만하임에서는 이 측정 과정에 열화상카메라를 사용하고 있다.
이 회사의 제품검증 엔지니어 발데마르 슈타르크는 “엔진은 제품을 손상시키지 않는 비 침습적인 방법으로 시험한다”며, “이를 위해 열화상카메라의 특수한 성능을 이용하여 온도가 높은 부분을 검출하는 것을 포함하여 엔진 표면 전체의 온도 분포를 측정하고 있다”고 말했다.

자전거 재료의 결함 확인

최신 자전거 프레임은 대부분 탄소섬유 강화 플라스틱으로 제작된다. FLIR 열화상카메라로 펄스 서모그래피 품질관리 기법을 사용하면 탄소섬유 강화 재료에 생기는 결함을 사전에 발견하여 다양한 사고를 예방할 수 있다.
검사방법은 간단하다.  열을 펄스 형태로 가하면서 동시에 FLIR 열화상카메라로 그 열의 전달 과정을 검사한다. 이 열의 흐름이 순조롭지 못하면 재료 내부에 결함이 있는 것이라고 판단한다. 열화상카메라로 수집한 열 데이터는 탄소 섬유 강화 플라스틱 재료 내부에 대해 자세한 정보를 제공한다.

샴페인 속 탄산가스의 확산과정 연구

프랑스 랭스대학은 샴페인 연구로 유명하다. 랭스대학의 최근 연구 결과에 따르면, 기존에 샴페인 따르던 방법은 그 맛과 향취를 제대로 보존하지 못하는 단점이 있다.
연구자들이 주장하는 바에 의하면 샴페인도 맥주와 같은 방법으로 부어서 마셔야 맛이 좋아진다. 이와 같은 발견에는 열화상카메라가 가장 큰 공을 세웠다.
연구진들은 FLIR 열화상카메라를 사용하여 샴페인을 잔에 붓는 과정에서 탄산가스가 사라지는 것을 시각적으로 보면서 시험의 결과를 직접 눈으로 관찰하고 확인할 수 있게 되었다. FLIR 열화상카메라는 높은 유연성과 개방성으로 거의 모든 환경에서 기능을 발휘할 수 있다.

이탈리아 문화재 보호

이탈리아 알타무라에 있는 서베이 전문업체 IR HotSpot은 열화상카메라로 역사적인 건물을 검사하여 습기에 의한 손상이나 결함을 조사한다. FLIR 열화상카메라를 사용한 서모그래픽 검사를 통하여 얻은 정보로 이탈리아의 문화재를 보호하고 있는 것.
문화재는 자칫 손상되면 다시 복구하는데 상당한 노력이 필요하므로 보존이 중요하다.
IR HotSpot의 서모그래피 전문가인 로사리오 피에르지아니는 “프레스코 벽화와 조각 작품은 취약하기 때문에 일반적인 방법으로 검사하면 작품이 손상될 수 있다”며, “이를 방지하기 위해 우리는 직접 접촉하지 않는 열화상카메라를 사용하고 있다”고 말했다.

산소 탱크를 안전하게 충전

BAM의 연구원들은 베를린에 있는 연구소에서 각종 재료와 부품이 산소와 접촉할 때 일어나는 반응을 넓은 범위의 압력과 온도 조건에서 시험하고 있다.
연구원들은 FLIR 열화상카메라를 사용하여 물체의 온도 변화를 직접 접촉하지 않고도 측정할 수 있다. 온도를 측정할 수 있는 방법으로는 열화상카메라 이외에도 서모커플 센서와 스팟 파이로미터 등이 있다.
하지만 서모커플은 급격한 산소 반응이 일어나면 쉽게 손상되며, 스팟 파이로미터는 한 지점의 온도만 측정할 수 있다. 그에 비해 열화상카메라는 대상 면적 전체의 온도를 측정할 수 있어 각광을 받는다.

초음속 공기역학적 설계 돕다

영국 맨체스터 대학에서는 항공기 부품이 초음속에서 공기유동에 견딜 수 있는 성능을 시험하기 위하여 초음속 풍동시설에 FLIR Systems의 열화상카메라를 설치했다.
열화상카메라는 시험대상 물체의 전체 표면에 걸친 열 지도를 보여주는 유용한 도구로, 온도분해능이 높아 미세한 온도 차이도 검출할 수 있다. 뿐만 아니라 외부에서 촬영을 제어할 수 있으며 속도가 빠른 동영상을 촬영할 수 있는 도구로도 쓰인다.

지역난방 배관 네트워크를 공중에서 모니터링

스웨덴에서는 지역난방 배관망을 효과적으로 모니터링하기 위하여 FLIR Systems의 열화상카메라를 사용하여 공중에서 지상을 관찰하고 있다. 열화상카메라는 촬영범위 전체의 온도를 빠르게 파악할 수 있어 넓은 공간을 검사하고 관찰하는데 효율적이다.
FLIR 열화상카메라는 프레임 속도가 빠르고 노출시간이 짧아 공중촬영과 같은 용도에 적합하다. 100Hz의 프레임 속도로 뛰어난 분해능을 제공한다.

비접촉 방식으로 사회학적 연구 이루어내다

신경과학 분야에서는 인간의 사회적 상호작용, 그 중에서도 신경·혈관적 요소에 대한 연구를 진행하고 있다. 하지만 기존의 방법으로는 한계에 부딪히는 경우가 종종 있다.
지금까지 쓰였던 방법은 대개 전극 혹은 기타 방법으로 피부에 접촉하는 측정 도구를 사용하고 있으며, 이런 접촉 방식은 자발적인 거동을 방해하게 된다. 이런 경우에 열화상카메라를 사용하는 것이 해결책이 될 수 있다.

미세 신경섬유의 기능장애 진단

네덜란드의 기술연구재단인 STW의 후원을 받아 추진되고 있는 연구 중 하나는 열화상카메라를 사용하여 신경통 현상을 분석하고 고치고자 하는 것이다.
에라스무스 대학 메디컬 센터 서모그래피 전문가인 슈르트 니호프 박사는 “우리는 넓은 면적에서 작은 신경섬유의 장애를 신속하고 비 침습적인 방법으로 진단할 수 있도록 열화상 진단법을 개선해 나가고 있다”며, “이 방법은 시간과 비용을 절감할 수 있으며 환자에게 주는 스트레스를 최소화할 수 있다”고 밝혔다.

통증을 눈으로 확인하는 열화상카메라

네덜란드 에라스무스 대학에 있는 메디컬 센터에서는 통증의 측정 및 억제를 위한 연구를 진행하고 있다. 이 연구에 열화상카메라가 큰 역할을 하고 있다.
이 연구소의 슈르트 니호프 박사는 “인체의 피부는 방사율이 매우 높아 열화상카메라를 사용하는 연구에 매우 적합하다”며, “팔다리에 혈액이 순환되는 모양을 시각적으로 볼 수 있으며, 모세혈관의 혈액 순환까지도 조사할 수 있다”고 말했다.

>> 다음호에 계속