적외선이란?

적외선이란?

적외선은 전자파의 한 종류이다.

가시광선(인간이 볼 수 있는 빛)의 파장은 0.36 µm에서 0.83 µm이고 적외선은 0.83 µm보다 파장이 긴 빛이다.

적외선과 온도는 밀접한 관계가 있으며, 적외선이 가지는 에너지는 물체에 부딪혔을 때 그 일부가 흡수되어 온도 상승을 일으키는 특징이 있다.

흡수되지 않은 적외선은 반사되거나 투과된다.

또 물체는 적외선을 흡수하는 한편 적외선을 방사하고 있다.

적외선은 파장에 따라 조금씩 다른 성질을 보인다.

파장 길이가 짧은 것부터 근적외선(0.83 µm3 µm), 중적외선(3 µm6 µm), 원적외선(6 µm1000 µm)으로 분류된다.

근적외선은 무선통신이나 암시 장치에 이용되고 있다.

원적외선은 조리시 가열 및 난방기구로 이용되고 있으며 우리 생활에서 적외선 기술이 널리 활용되고 있다.

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적외선 반사, 흡수, 투과

적외선 에너지는 물체에 부딪혔을 때 반사, 흡수, 투과한다.

이들은 에너지의 총량을 1, 반사한 적외선이 갖는 에너지를 a, 흡수된 적외선이 갖는 에너지를 b, 투과한 적외선이 갖는 에너지를 c로 하면 아래와 같은 관계가 성립한다.

a + b + c = 1

또 적외선 흡수와 방사에도 있는 관계가 있다.

그것은 물체의 적외선 방사율과 흡수율이 동일한 관계이다.

이는 키르히호프의 법칙으로 알려져 있다.

이러한 현상은 대기 중의 기체 분자에서도 일어나고 있어 적외선을 이용한 센싱에서는 기체 분자의 적외선 투과율을 고려할 필요가 있다.

기체 분자는 특정 주파수의 적외선을 잘 흡수하는 반면 어떤 주파수에서는 적외선을 잘 투과하는 성질이 있다.

예를 들어 대기 중 포함된 물 분자는 파장 약 3.0 µm 주변에서 투과율이 현저히 낮다(흡수율이 높다).

또한 이산화탄소는 약 4.0 µm로 투과율이 낮다.

이처럼 어느 기체의 투과율이 낮아지고 있는 파장지역에서는 정확하게 센싱 및 측정이 불가능하다.

그러나 대기의 기체 분자의 투과율이 갖추어져 높은 값을 나타내는 파장역이 존재하고 있어, 그것을 대기의 창이라고 부른다.

3) 장치, 디바이스

적외선을 이용한 장치에는 통신기와 열원 등이 있는데 여기에서는 적외선을 감지하는 센서에 대해 자세히 설명하자면

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적외선 센서

적외선 센서에는 크게 2가지로 분류할 수 있으며 열형, 양자형이 있다.

또 양자형은 냉각할 필요가 있기 때문에 냉각형, 열형은 냉각할 필요가 없으므로 비냉각형이라고도 불린다.

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열형 적외선 센서

열형 적외선 센서의 기본원리는 피검지물체가 방사하는 적외선을 받은 수광소자(적외선 흡수층 부분)가 적외선을 흡수함으로써 온도 상승을 일으킨다.

온도센서로 온도변화 판독, 전기신호로 변환하여 적외선을 검지하고 있다.

열형은 뒤에서 서술하는 양자형 적외선 센서에 비해 감도가 떨어지지만, 저렴하게 제작할 수 있다는 특징이 있다.

열형 적외선 센서는 초전효과를 이용한 초전형, 서모파일을 이용한 열기전력형 등이 있다.

초전효과란 유전체의 온도상승에 의해 분극이 변화하여 표면에 정과 음의 전하가 나타나는 현상이다.

이러한 성질을 갖는 것을 초전체라고 하며, 초전형 적외선 센서에서는 PZT(티타늄산 지르콘산연), LiTaO3(탄탈산 리튬)이 이용된다.

열기전력형은 제벡 효과라고 접촉하고 있는 서로 다른 재료 사이에 온도차가 있을 때, 기전력을 발생시키는 현상을 이용한 것이다.

열기전력형에서는 이러한 성질을 가지는 서모파일을 이용하고 있다.

이 밖에 도전형, 열팽창형등의 방식도 있다.

열형 적외선 센서는 차량용 적외선 투시 장치 및 인체 검지 센서로 이용된다.

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양자형 적외선 센서

양자형 적외선 센서의 기본 원리는 적외선을 광자로 파악해 전기신호로 변환한다.

또한 양자형 적외선 센서는 열형에 비해 고감도, 응답속도가 높지만 사용 시에는 냉각을 해야 하기 때문에 비싸다.

양자형 적외선 센서는 진성 방식과 외인성 방식 등으로 분류된다.

진성방식은 에너지가 낮은 영역(가치전자대)에 있는 전자에 적외선이 가해지면서 전자가 갖는 에너지가 증가함으로써 에너지가 높은 영역(전도대)으로 이동한다.

그 이동을 이용해 적외선을 검지한다.

이 방식으로는 InSb(인듐 안티몬)나 HgCdTe(수은 카드뮴 텔루) 등이 이용된다.

외인성 방식에서는, 검출 방법은 진성 방식과 같지만, 불순물을 재료에 섞음으로써 생기는 에너지차이의 변화를 이용해 적외선의 검지를 실시한다.

이 방식에서는, Si에 불순물로서 In나 Ga를 혼합한 것 등이 이용된다.

양자형 적외선 센서는 고감도이기 때문에 우주 용도로 이용되고 있다.

예를 들어 인공위성으로부터의 환경 계측이나 기상 관측용으로 이용된다.

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4) 최첨단 연구

여기에서는 최근 진행되고 있는 적외선에 관한 연구를 소개함니다.

IRPSD

적외선 센서의 최첨단 연구에 적외선 센서를 응용한 IRPSD라 불리는 소규모 어레이 센서의 연구가 리츠메이칸 대학에서 행해지고 있다.

이 장치의 특징은 복수의 열형 적외선 센서를 2차원의 어레이상에 접속함으로써 디지털 화상처리를 하지 않고 열원의 면적, 위치, 실시간 움직임을 검지할 수 있는 센서이다.

IRPSD의 구성은 1개의 화소에 2개의 온도 센서를 가지고 있으며, 방향과 열 방향으로 각각 직렬로 연결되어 있다.각 행과 열의 출력의 가산이 출력으로서 검출됨으로써 열원의 정보를 얻을 수 있다.

또한 센서 단일체의 출력을 크게 하기 위해 증폭기를 부착하여 감도 상승을 도모하고 있다.

현재는 인체검지를 목표로 성능향상을 위한 연구를 진행하고 있다.