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“휴대폰이 아니고 열화상 카메라?” 세 번째 이야기

열화상 카메라에 대한 오해와 진실

삼성전자 김윤래 | 기사입력 2020/03/20 [14:20]

“휴대폰이 아니고 열화상 카메라?” 세 번째 이야기

열화상 카메라에 대한 오해와 진실

삼성전자 김윤래 | 입력 : 2020/03/20 [14:20]

열화상 카메라와 야간투시경(night vision) “같은 거 아냐?” 

“학술적으로는 맞는 말이지만 사용하는 재료나 기동 방법으로 따지면 아닙니다” 이는 무슨 뜻일까요? 학술적으로 야간투시경(Night vision)은 야간에 상대를 볼 수 있는 역할을 하므로 열화상 카메라도 야간투시경의 범주에 속하긴 합니다.

 

열화상 카메라(Thermal Imaging)뿐만 아니라 영상 증폭(Image Intensification), 수동조명(Active Illumination)도 야간투시경의 범주로 볼 수 있습니다. 그런데 사용하는 재료가 다릅니다. 야간투시경은 가시광선과 가까이 있는 적외선(NRI, Near-infrared) 영역으로 반사된 빛을 증폭해 이미지화 되는 특성을 가진 파장을 이용합니다.

 

▲ [그림 1] 야간투시경 영상(출처 Wikipedia)

 

남자분들이라면 군대에서 한 번쯤 야간투시경을 사용해 보셨을 거로 생각합니다. 돌이켜보시죠. 혹시 완전한 어둠 속에서 동작하던가요? 제가 사용했을 땐 완전한 어둠 속에서는 동작하지 않더라고요. 이거 망가진 거 아닌가? 혼나는 거 아닌가? 엄청나게 고민했었어요. 실은 동작하지 않는 게 맞는 건데 그때는 잘 몰라서…

 

▲ [그림 2] 길거리에 있는 적외선 감시 카메라

 

NRI를 사용하는 야간카메라(Night vision)는 야간투시경 말고 하나 더 있습니다. 길거리에서 [그림 2]와 같은 카메라들을 보셨을텐데요. 이 카메라도 야간투시경과 같이 NRI 영역을 사용합니다. 대신 LED로 특정 파장을 내뿜어 반사돼 오는 파장을 증폭해 보여줍니다.

 

평상시 카메라로 찍을 땐 오른쪽처럼 LED가 하얗게 보이지만 야간에는 빨갛게 보이는데요. 이런 차이로 IR camera가 동작 중인 걸 확인할 수 있습니다. 신기하죠? 

 

그런데 ‘경찰청 사람들’ 같은 TV 프로그램에 나오는 야간 적외선 감시카메라[수동조명(Active Illumination)]의 영상을 보면 아시겠지만 화질이 깨끗하지 않고 가까운 거리에서만 사용이 가능합니다. 이렇듯 야간투시경이나 야간감시카메라는 해상도나 거리에 대한 제약이 있습니다.

 

야간투시경의 경우 밝은 빛을 주면 매우 밝아지면서 앞이 하얗게 보이는데 바로 증폭기 기능 때문입니다. 그런데도 간단하게 만들 수 있어 많이들 사용하고 있습니다. 

 

정리하면 군대에서 써본 야간투시경은 적외선(infrared)을 사용하지만 열화상은 아니라는 겁니다. 적외선에 실려 오는 열에너지를 이용해 이미지화하는 게 아닌 적외선 중 NRI라는 영역을 사용해 빛을 엄청나게 증폭해 보여주는 기기입니다.

 

▲ [그림 3] 어두운 곳에서의 수동조명 카메라(night vision)와 열화상 카메라 영상

 

이해를 돕고자 밤에 나가 영상을 찍어 봤습니다. [그림 3]은 야간에 필자가 가진 저가의 수동조명 카메라(Night vision camera)와 열화상 카메라로 찍은 영상입니다. 수동조명 카메라로 찍은 영상을 보면 실루엣이 제대로 촬영되지 않는 걸 알 수 있습니다.

 

수동조명 카메라는 IR 파장을 발산해 돌아오는 파형을 보여주는 원린데 고가의 장비를 사용하더라도 원거리를 찍는 건 불가능합니다. 참고로 왼쪽 그림은 만 원대 카메라로 촬영했는데 5m 정도의 거리에서도 제대로 촬영이 되지 않았습니다.

 

그에 반해 열화상 카메라 white mode(화면상에 열이 많은 쪽을 흰색으로, 열이 적은 쪽을 검은색으로 표시하는 기능)로 찍은 오른쪽 그림을 보면 거리가 멀어도 별 무리 없이 실루엣이 확인되는 걸 알 수 있었습니다(이번 글을 쓰면서 알게 됐는데 심령학회에서도 열화상 카메라를 이용한다고 하네요).

 

▲ [그림 4] 적외선 종류에 따른 광학 영역


마지막으로 적외선(IR) 영역과 야간투시경에 대해 다시 한번 설명하면 NIR은 반사된 적외선(reflected infrared)을 사용해 야간투시경, 수동조명으로 사용하고 열화상 카메라의 경우 자체 방출(emit)되는 영역인 SWIR(온도 대역 1797–693°C), MIDIR(온도 대역 693–89°C), LWIR(온도 대역 89~-80°C)을 사용합니다. 이것만 정확하게 아신다면 열화상 카메라와 야간투시경을 확실히 구분하실 수 있을 거로 생각됩니다.

 

투시가 될까?

“영화를 보면 벽을 투과해, 보면서 테러 단체를 저격하기도 하던데 투시도 되나요?” 

 

아쉽지만 투시는 안 됩니다. 다만 공기와 연기 등 열을 피부로 느낄 수 있는 환경이라면 열화상도 보이게 됩니다. 

 

[그림 5]를 보면 검은색 비닐봉지 정도는 투시(?)되는 걸 볼 수 있습니다. 만약 연기로 가득 찬 곳에 침투하면 열화상 카메라로 정확한 표적 확인이 가능하단 거죠. 여기서 야간투시경은 의미가 없겠죠? 

 

▲ [그림 5] 안경을 쓰고 비닐봉지를 든 사진과 열화상 이미지(iron mode를 사용해 비교한 영상)


복사열, 투과되는 곳이 있을까?

 

▲ [그림 6] 열화상 모드 중 black mode를 사용해 비교한 이미지 영상


[그림 6]과 같이 안경이나 창문 등 유리는 투과되지 않습니다. 손바닥 잔열이 남은 것은 확인이 가능하죠. 따라서 화재 현장에 들어갔을 때 농연에서 유리를 벽으로 착각할 수 있다는 점을 꼭 기억하시기 바랍니다.

 

화재 현장에서 거울이나 유리에 비친 본인의 모습을 볼 수도 있는데 미리 이런 현상을 알고 있으면 놀랄 일이 없겠죠? 자, 그럼 궁금한 점이 생깁니다. 

 

“열화상 카메라 케이스 앞쪽에 유리로 된 렌즈가 있는데 이것도 투과하지 못하는 것 아닌가요?” 

 

그렇죠. 저도 엄청 궁금했습니다. 열화상은 적외선(IR) 중 특정 주파수를 사용하는데요. 이 주파수가 가진 특성 중 특정물질로 구성된 렌즈(게르마늄)는 통과한다는 겁니다. 그래서 열화상 카메라 모듈을 보호하기 위해 게르마늄렌즈를 다이아몬드로 코팅해 사용하고 있습니다. 

 

열화상 카메라는 어디에 사용될까?

이 정도면 열화상 카메라가 어떤 장비인지 다들 아셨을 거로 생각합니다. 그런데 과연 어디에 쓰일까요? 

앞에서 설명했던 야간투시경이나 감시카메라 등에서 열화상 카메라가 쓰이는 건 경험해 봤거나 영화로 봤을테니 아시리라 생각합니다.

 

그런데 이건 단편적일 뿐, 보다 더 다양한 곳에서 사용하고 있답니다. 물론 열을 보는 정확도 차이나 동작하는 곳에 따라 최적화돼 있기는 한데요. 그럼 한번 알아볼까요?

 

일단 일반인이 사용하는 곳은 어디일까요? 고깃집에서 불판이 달궈졌는지 확인하는 기계를 본 적이 있으실 텐데요. 열화상 카메라라고 하긴 좀 애매하지만 같은 원리를 이용해 한 포인트의 열만 측정하는 ‘열화상 포인터’입니다. 또 가정집 단열이 제대로 되는지 확인하는 데에 사용됩니다.

 

한전 같은 곳에서는 변압기가 이상이 있는지 뜯어볼 수 없는 경우 열화상 카메라로 비파괴검사를 합니다. 완공된 건물이나 댐 등에서도 비파괴검사로 노후한 곳이나 크랙을 검사할 수 있습니다. 요새 자율주행자동차 얘기가 많이 나오는데 자율주행자동차에서 야간주행을 위한 충돌방지 센서로도 활약하고 있답니다.

 

그럼 공업용으로는 어떻게 활용될까요? 자동화된 공장에서 사람이 일일이 확인하기 힘든 전자제품들의 회로 검사를 자동으로 하기 위해 많이 사용됩니다. 회로에 오류가 생기면 그 부분이 정상적인 것보다 열이 발생하는 현상을 이용한 겁니다.

 

또한 화학물질을 쓰는 공장이나 반도체 제조 자동화 공정 라인 모니터링, 완제품 비파괴검사 등으로 사용되고 기계나 전기장비의 조기 고장 확인 모니터링용으로도 사용됩니다. 대학교 연구실에서도 쓰이는데 열에 민감한 화학물질 연구에 모니터링용으로 사용되고 있습니다.

 

의학용으로는 독감이 유행할 때 입국이나 출국심사 시 열화상 카메라를 활용해 독감 의심자를 판별하고 있습니다. 메르스가 사회적 이슈로 떠올랐던 2015년. 해외 출장에서 복귀할 때 입국장에서 고열로 판명돼 인천공항병원에 갔던 경험이 있습니다. 열화상 카메라가 있는 건 봤지만 실제 동작한다는 건 그날 처음 알게 됐죠.

 

의학적 신체 모니터링에도 사용되는데 사람의 몸에서 나오는 열이 좌ㆍ우가 다르면 뭔가 문제가 있는 거라는 판단이 가능합니다. 경마장에서도 열화상 카메라가 등장하는 경우가 있는데 말을 찍어 좌ㆍ우가 불균형한 말은 이상이 있는 것으로 판단하는 거죠. 이렇게 열화상 카메라로 말을 촬영하는 건 한국은 불법이 아니지만 외국 경마장에서는 불법이라고 합니다. 

 

군사용으로는 대부분의 미사일, 비행기 등 엔진을 이용한 제품 감시, 조준경 등으로 사용됩니다. 야간감시용으로도 거리 제약이 적어 기지방어용으로도 많이 사용되고 있죠. 

 

마지막으로 소방용으로는 화재 예방이나 진압, 잔불 확인, 조난자 수색ㆍ구조작업 등에 사용됩니다. 

 

지금까지 열화상 카메라의 이론에서부터 쓰이는 곳까지 설명해 드렸습니다. 이해가 잘 되셨나요? 다음 호에서는 소방에 특화된 열화상 카메라에 대한 스펙과 기준들에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 


ref

https://en.wikipedia.org/wiki/Infrared

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermographic_camera#Theory_of_operation

https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_imaging_camera


 

삼성전자_ 김윤래

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2019년 9월 호에서도 만나볼 수 있습니다.> 

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