열화상(적외선) 센서 (Digital Thermopile Sensor) 사용해보기 (이론편)

 

 

안녕하세요.

 

 이번에 열화상 센서 관련해서 작업을 해보았습니다. 그래서 열화상 센서를 다뤄보기 이전에 열화상(적외선) 먼저 이해하기 위해 내용을 정리해 보았습니다.

 

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1. 열화상(적외선) 이해

 

 적외선(IR, 赤外線)이라고 한자 풀이로 보면 붉은빛의 바깥쪽에 존재하는 영역이라고 합니다. 스펙트럼에서 보는 것처럼 가시광선 붉은빛의 우측 범위를 가리키고 있습니다.

 

 이론적인 연구들은 윌리엄 허셀, 슈테판 (Stefan)과 빈(Wien), 그리고 볼쯔만(Boltzmann) 등을 거쳐 1900년에 맥스 플랑크(Max Planck)에 의해 파장과 온도의 함수로 된 복사 법칙(Radiation Equation)으로 완성되었다고 합니다. 이러한 사실로부터 적외선 센서는 주로 온도 측정용으로 사용이 되었습니다.

 

 물체에서 복사하는 전자기파의 파장이 짧으면 에너지가 높기 때문에 물체의 온도는 높으며, 물체에서 복사하는 파장이 길면 에너지가 낮아서 물체 온도는 낮습니다.

  적외선은 위험한 것은 아니고 모든 물체에서 자연적으로 방사되는 에너지를 측정하는 것입니다.

 

스펙트럼

 

 

2. 적외선 센서 재료에 따른 분류

 

 "열형은 온도에 따른 재료의 물리적인 변화를 이용한 것이다. 대표적으로 온도에 따라 재료의 저항이 변하는 원리를 이용한 것이 볼로미터 (Bolometer)이며, 온도에 따라 재료 내의 분극(Polarization)의 변화를 이용한 것이 초전체 (Pyroelectrics)와 강유전체(Rerroelectrics) 센서이며, 온도에 따라 기전력의 변화를 이용한 것이 서모 파일(Thermopile) 센서이며, 온도에 따라 길이의 변화를 이용한 것이 바이메탈(Bimetal) 센서이다."

 

  열형 센서는 대부분 상온에서 동작하기 때문에 냉각을 위한 진공이 필요 없고 센서 가격이 저렴합니다. 그러나 상온의 온도 때문에 기본적인 열적 잡음이 높아 신호 대 잡음비(S/N)가 냉각형인 양자형에 비해 떨어집니다. 그래서 열형 센서는 민수용으로 주로 사용됩니다.

 

전통적인 적외선 센서 재료

 

<자료> 정용택, “센서원리 및 응용기술”, 진샘미디어, 2017. p.100.

 

 

3. 온도 측정에 왜 적외선을 사용하는가?

 

 1) 직접 접촉하여 측정할 수 없는 경우 – 고온의 물체, 챔버 안에 있는 반도체, 움직이는 상태의 물체

 2) 빛을 통한 모든 물체에 대해서 온도 측정 – 절대온도 -273 이상의 모든 물체는 그 온도에 해당하는 적외선을 방출하므로 광자의 양을 측정하면 역으로 물체의 온도를 예측 가능함

 3) 거울 반사로 측정하는 경우 – 공기를 포함한 매질을 통한 온도 측정보다 빛을 통한 측정이 유리할 때 거울을 통해 안쪽 온도를 측정 가능

  

 

4. 적외선 온도 측정 원리

 

 

 

 1) 렌즈(Lens) : 대상 물체에서 발산하는 빛을 모아 줍니다.

 2) 필터(Filter) : 디텍터가 읽을 수 있는 영역의 파장만 남깁니다.

 3) 디텍터(Detector) : 마이크로 브리지라는 판에 IR 광자가 부딪히고 부딪힌 광자의 수가 물리적으로 많고 적음에 따라 양 끝단의 전기적인 크기 차이를 발생시킵니다.

 4) 증폭 회로(AMP) : 디텍터에서 얻은 전기신호세기가 너무 작기 때문에 신호를 증폭시켜 줍니다.

 5) 선형 회로(Linear Circuit) : 측정된 광자의 양이 항상 선형적인 온도가 될 수 없기 때문에 일정하게 측정될 수 있도록 광자의 양에 대한 데이터로 선형화합니다.

 6) 출력 : 선형 회로에서 나온 데이터와 물체마다 다른 방사율(Emissivity), 측정 거리, 반사 온도 등 적용,  보정하여 대상 물체의 온도에 해당하는 전류값/전압값을 디스플레이 장치로 보냅니다.

 

 

<참고자료>

1. 주간기술동향, ICT 신기술, “적외선 센서의 최신 기술 동향” , 2019.5.1

2. 원우시스템즈

https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=wwsoptic&logNo=221390227421&categoryNo=12&parentCategoryNo=0