열화상을 이용한 온도분포의 상세해석

지난 호에서는 생명공학(과학), 농학, 임학 분야에서의 이미지 프로세싱 기술의 응용사례와 새로운 활용방안에 대하여 소개했다.
이번 호에서는 열화상이라고 불리는 적외선 이미지와 웨이퍼마스터스의 이미지 프로세싱 소프트웨어 픽맨(PicMan)을 활용한 비접촉 온도측정에 관하여 설명하고, 여러 분야에서의 응용사례에 대하여 소개한다.

■ 유우식 | 웨이퍼마스터스(WaferMasters)의 사장 겸 CTO이다. 일본 교토대학 대학원과 미국 브라운대학교를 거쳐 미국 내 다수의 반도체 재료 및 생산설비분야 기업에서 반도체를 포함한 전자재료, 공정, 물성, 소재분석, 이미지 해석 및 프로그램 개발과 관련한 연구를 진행했다.
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그림 1. 운항중인 비행기의 적외선 이미지를 바탕으로 온도분포의 정보로 재구축한 이미지(엔진 주변과 기체하단에서 온도가 높은 영역이 확인된다.)

온도란 따뜻함과 차가움의 정도를 나타내는 것으로, 사람마다 그 느낌에 차이가 있을 수 있기 때문에 온도의 기준을 정하여 숫자로 나타낸다. 같은 온도라도 환경이나 개인에 따라 느낌이 다를 수 있기 때문에 체감온도라는 용어도 사용된다. 그러나 과학적으로는 온도의 기준은 정확하게 정해져 있으며 세계 어디에서 누가 측정한 것이라도 같은 온도라면 물리적 의미가 같아야 한다. 같은 기준이 적용될 때 조건의 상호 비교가 가능해지며 조건의 재현도 가능해지기 때문이다.
온도를 쉽게 이해하기 위하여 물을 예로 들어서 설명해 보자. 물은 0°C에서 얼음이 되어 고체상태가 되고 100°C에서 끓어 기체가 된다. 물이 어는 온도와 끓는 온도를 100등분하여 물의 따뜻함의 정도를 나타낸 것이 섭씨온도라고 생각해도 좋다. 얼음물, 찬물, 미지근한 물, 따뜻한 물, 뜨거운 물, 끓는 물 등으로 구별할 수도 있지만, 정량화하여 숫자로 표시할 수 있다면 표현의 애매모호함이 해소될 수 있다. 그렇다면 얼음의 온도는 어떻게 잴 것이며 수증기의 온도는 어떻게 잴 것인가 고민스럽지 않을 수 없다. 우리가 일상생활에서 흔하게 접하지 않는 온도영역이라서 상상하기 쉽지 않을 수도 있을 것이다.
대부분 온도를 측정할 때는 온도계를 측정하고자 하는 물체에 대고 열적으로 평형을 이루어 온도계 눈금의 변화가 없게 되었을 때의 지시 값을 온도로 읽게 된다. 그렇다면 우리 손이 닿지 못하는 것의 온도는 어떻게 잴 수 있을까? 학교에서 태양의 표면 온도가 약 6000°C라고 배웠던 기억을 살려보자. 온도의 단위가 무엇이었는지는 일단 접어두고 무엇이든 다 녹일 것 같은 태양에 접근해서 온도계로 측정하지도 않았을텐데 어떻게 온도를 잴 수 있었을까 궁금하다. 만약 측정하고 싶은 물체에 접촉하지 않고 온도를 측정할 수 있다면 위험물이나 이동하는 물체의 온도측정과 관리에 많은 도움이 될 것이다. <그림 1>에 운항중인 비행기의 적외선 이미지를 바탕으로 온도분포의 정보를 표시했다. 엔진 주변, 엔진에서 분사되는 제트기류, 비상구 및 기체 하단이 다른 부분에 비해서 온도가 상대적으로 높음을 알 수 있다. 온도측정을 위한 적외선 이미지를 열화상이라고 부르는데 이번 호에서는 열화상에 의한 온도측정의 원리에 대하여 간단히 설명하고 여러 가지 응용사례를 살펴보기로 한다.

1. 열화상에 의한 온도측정의 원리
열을 가진 모든 물체는 공간으로 에너지를 방출하게 되는데 이것을 복사라고 한다. 촛불, 달궈진 쇠, 백열전구, 태양 모두 우리 눈으로 볼 수 있는 가시광을 방출한다. 우리는 체험적으로 불그스름한 색보다는 빨간색, 빨간색보다는 오렌지색이 더 뜨겁다고 느낀다. 그러나 온도가 더 올라가면 백색을 거쳐서 일반적으로 차가운 색이라고 일컬어지는 푸른색을 띄게 된다. 물론 물체의 온도가 가시광을 방사할 수 없는 정도로 낮으면 따스함을 느낄 수는 있으나 우리 눈으로 색을 인식하지는 못한다. 열선이라고 불리는 가시광보다 파장이 긴 적외선이 복사되고 있기 때문이다. 이러한 원리를 활용하면 먼 거리에 있는 물체의 온도를 원격으로 측정할 수 있다.