열화상 카메라
하나의 신기술이 세상을 정복하다
우리는 과거 그 어느 때보다 빠른 속도로 신기술들이 시장에 쏟아지는 시대에 살고 있다. 하나의 기술혁신은 많은 경우 빠르게 다른 기술의 발전으로 이어진다. 많은 사람들이 이전의 기술에 채 익숙해지기도 전에 신기술이 도입되기도 한다.이렇듯 새로운 기술에 기초한 신제품들은 끊임없이 개발·출시되고 있는데, 그 중 우리가 오늘날 상당히 일반적인 것이라고 간주하는 많은 기술들이 원래는 군대나 군사시설에서 사용된 것들이다. 이러한 군대나 군사시설에서 사용된 기술 중의 하나가 바로 열화상 기술이다. 이 기술은 우리의 삶을 변화시킬 뿐만 아니라 생명도 구할 것으로 생각된다.
군사용 애플리케이션
우리가 오늘날 상당히 일반적인 것이라고 간주하는 많은 기술들이 원래는 군대나 군사시설에서 사용된 것들이다. 예를 들면 레이더와 제트 엔진은 원래 군대에 의해, 그리고 군대를 위해 개발되었다. 우리가 흔히 GPS로 알고 있는 글로벌 위치 추적 시스템은 1970년대 초반 미사일 유도를 위해 미국의 국방부에서 개발되었다. 일반인들이 사용하기 위해 최초로 차량에 도입되었을 때의 GPS는 아주 고가의 시스템이었다. 현재 GPS 시스템은 실제로 모든 신차에 설치되어 출시된다.
그리고 이러한 모든 군용 발명품은 미 국방부 관료가 ‘은하계 사이의 네트워크’라고 이름 붙인 것에서 시작되었다. 바로 인터넷의 시조이다. 의심의 여지가 없는 사실은 우리의 세상을 가장 많이 변화시킨 군용 발명품이 바로 이 인터넷이라는 것이다.
이처럼 원래 군대용으로 설계된 또 하나의 기술이 있는데, 이는 많은 유용한 일반인 대상의 애플리케이션에 적용되고 있다. 이 기술은 우리의 삶을 변화시킬 뿐만 아니라 많은 생명 또한 구할 것으로 예상된다. 바로 열화상 기술이다.
빛(조명)의 필요성 무(無)
일반적인 카메라가 빛에 의존하여 이미지를 생성하는 데 반해 일명 적외선 카메라라고도 하는 열화상 카메라는 최소한의 온도 차를 감지하여 이를 가장 미세한 디테일도 볼 수 있는 열화상 이미지로 전환한다. 이미지 생성을 위해 최소한 작은 양이라도 빛이 있어야 하는 빛 증폭과 같은 다른 여러 기술들과는 달리 열화상 이미지는 깜깜한 어둠 속에서도 사물을 식별할 수 있다. 빛이 전혀 필요 없는 것이다.
군대용에서 산업용 애플리케이션으로
열화상 카메라는 군대에서는 개발되었지만 산업용, 상업용 애플리케이션에서 사용되기 전 마이크로 볼로미터(방사 에너지를 측정하는 기구)에 도입하는 것만도 많은 시간이 소요되었다. 열화상 이미지의 탁월한 효과를 발견한 최초의 산업고객은 대형 제조업체들이었다. 열화상 카메라는 온도 차에 의한 이미지를 생성할 뿐만 아니라 이러한 온도 차를 정확하게 측정할 수도 있다. 열화상 카메라에 도입되는 복잡한 알고리즘 덕분에 절대온도 값 계산이 가능하게 되었다. 산업계에서는 열화상 이미지가 전기 장비에 대해 중요한 정보를 제공할 수 있음을 알게 되었다.
퓨즈, 접선, 케이블뿐만 아니라 변압기, 송전선 등등과 같은 고압 장비들을 열화상 카메라로 접촉 없이 간단하게 검사할 수 있다. 열화상 이미지 덕분에 유지 관리자들은 실제로 문제가 발생하기 전에 이상 징후를 미리 간파할 수 있다. 이런 식으로 고가의 시스템 장애를 사전에 예방하여 시간과 돈이 절약된다.
그러나 동일한 업체 내에서도 연구 개발 부서가 열화상 기술에 큰 관심을 보였고 열광했다. 제품설계 주기의 초기에 적외선 온도기록을 사용하면 그만큼 이득이기 때문이다. 대량 생산 과정으로 가기 전 개발 단계에서 애플리케이션을 철저하게 테스트한다. 소비자들은 적정한 가격에 완벽한 제품을 기대하고 있다. 적외선 기술 덕분에 업체들은 개발 기간을 단축하면서 개발 투자 비용의 빠른 회수가 가능하다.
점점 더 많은 산업 업체들이 열화상 기술을 사용하기 시작했기 때문에 소위 대량생산에 대한 최초의 조심스런 움직임이 시작될 수 있었다. 그러나 그 당시에도 열화상 카메라는 여전히 2만 유로 이상의 고가 장비였다. 열화상 이미지는 아직 일반 소비자들에게는 알려지지 않은 매우 생소한 기술이었다. 소비자들이 볼 수 있는 유일한 열화상 이미지는 프레데터 1, 2와 같은 할리우드 영화에서 사용되던 영상이었다.
많은 대량 생산
그렇다면 어떤 것이 변했는가? 열화상 기술은 어떤 식으로 일상적인 소비자들의 삶에 다가올 것인가? 여기에서 창출되는 이익은 어떤 것일까?
열화상 카메라의 대량 생산을 향한 주요한 진전은 몇 년 전에 시작되었다. 이 당시에 세계 유명 자동차 제조사인 운전자들의 시야 확대를 목표로 BMW는 신형 자동차 7시리즈에 열화상 카메라를 설치했다. 승객과 운전자 안전 강화가 BMW의 최대의 우선순위였다. 많은 교통사고가 야간 운전 중에 발생하기 때문에 BMW는 이러한 사고 수를 줄이는 해결책(솔루션)을 찾고 있었다.
좀 더 시간이 지나 동일한 ‘BMW 야간 시야’ 모듈을 BMW 5, 6시리즈 모델에서 옵션으로 사용할 수 있게 되었다. 이러한 안전장치에 대한 높은 수요 덕분에 열화상 카메라 전문업체인 FLIR 시스템은 운전자 시야 확대를 위해 현재 생산량을 상당히 늘렸다. 수많은 열화상 카메라가 현재 FLIR 시스템에서 생산되고 있다. 이러한 늘어난 대량 생산의 결과 중 하나는 열화상 카메라 가격의 상당한 하락이다. 현재 열화상 카메라는 3,000유로 이하로 구입 가능하다. 아직은 고가이지만 약 6년 전만해도 5만 유로였던 점을 생각하면 상당한 가격 하락이 이루어진 셈이다.
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그러나 대량 생산은 일반 소비재에 의해서만 가능해지는 것은 아니다. 다시 한 번 여기에서 군대가 큰 역할을 담당했다. 그 중 하나가 무인 항공기(UAV)였다. 무인 항공기(UAV)는 군대와 일반인들 용으로 점점 더 많이 사용되는 추세에 있고 특히 저고도 비행을 목적으로 설계된 소형 비행기가 많이 이용되고 있다. 이러한 수동 조작의 무선 컨트롤 비행기에는 지상의 관제소와 연결되는 비디오카메라가 장착된다. 이런 비행기들은 정찰 업무에 아주 적합하며 전장에서 군대의 움직임을 탐지하는 데 적합하다.
군대는 최초로 열화상 기술을 통해 비행기가 깜깜한 어둠 속에서도 비행할 수 있고 연기와 구름을 뚫고 목표물을 탐지할 수 있음을 발견했다. 일반인을 위한 애플리케이션이 곧바로 뒤따랐고 현재 동일한 비행기가 산불 등의 탐지에도 사용되고 있다. 주변지역보다 온도가 높은 지역은 화재가 발생했음을 의미하며 화재의 시작이 열화상 카메라 이미지에 정확하게 포착된다.
이 세상을 안전한 곳으로 만들다
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열화상 이미지는 또한 보안 및 감시 애플리케이션에 점점 더 많이 이용되고 있는 추세이다. 국경순찰을 용이하게 하고 기타 정부 기관에서 열화상 카메라 이용이 늘어나는 한편 현재 점점 더 많은 산업 시설에서 열화상 이미지를 사용하여 귀중한 재산과 직원들을 보호하고 있다.
핵 시설물, 석유화학 시설물, 창고, 공항, 항구 등은 모두 도난이나 심지어 더 나쁜 경우로 테러에 취약한 지역들인데, 열화상 카메라를 이용하여 보호 가능하다. 테러, 공공기물 파손, 우발적인 폭력은 직원의 안전을 위협하며 공공기관과 사적인 시설물의 안전을 위협한다. 열화상 카메라를 사용하는 포괄적인 보안 프로그램은 재산 보호와 위험 완화의 열쇠이다. 열화상 이미지는 어둠 속에 숨겨지고 악천후로 가려진, 그리고 먼지, 안개, 연기 같은 장애물에 가려진 위협들을 탐지한다.
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열화상 이미지는 또한 경찰과 다른 법 집행 기관들에서 사용된다. 열화상 이미지 덕분에 이들은 깜깜한 어둠 속에서도 용의자들을 발견, 추적할 수 있다. 용의자들은 숲 덤불이나 그림자 뒤에 숨을 수 없다. 왜냐하면 열화상 이미지 기술이 이들의 체온과 열을 정확하게 탐지하기 때문이다.
그러나 이 분야에서도 역시 열화상 카메라는 일반 소비자들에게 이용되고 있다. 큰 저택과 소유지는 오늘날 이미 열화상 카메라로 보안을 유지하고 있고 많은 가정용 보안 시스템이 소형이지만 강력한 열화상 시스템으로 대체될 날이 머지 않았다.
수색과 구조 임무
수색 및 구조 요원의 주된 업무는 조난 위험에 처해 있거나 실종되었거나 아프거나 상해를 입은 사람들을 찾아내는 것이다. 산악지대나 사막, 숲, 해양과 같은 접근하기 어려운 지역이나 먼 거리에서 수색은 사람이 직접 발로 뛰거나 말을 타고 혹은 차량을 이용하여 진행될 수 있다. 이용 가능한 경우에는 자주 헬리콥터 등이 이용되기도 한다.
열화상 카메라는 또한 현장을 수색하는 헬리콥터에 장착되기도 한다. 열화상 카메라는 너무 늦기 전에 희생자를 찾을 수 있도록 인간의 행동이 발견되는지 끊임없이 탐지한다. 열화상 카메라는 야간의 깜깜한 어둠 속에서도, 육지 위나 공중, 바다 어디에서도 이 기능을 수행할 수 있다.
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건물 조사 기능
1970년대 석유 파동 이후로 에너지 재고량이 한정되어 있으며 또한 매우 귀중한 것이라는 인식이 높아져왔다. CO2 배출로 인한 지구 온난화는 대부분 건물 난방에 사용되는 화석 연료 연소로 인한 오염에 의해 초래된 것으로 알려져 있다. 점점 더 많은 국가들이 열 손실에 대해 정기적으로 건물들을 조사하는 법을 제정하고 있다.
열화상 카메라는 단열 하자를 탐지하고 기타 가시적인 건물의 이상 징후들을 탐지하는 사용이 용이한 도구이다. 모든 건물들이 열화상 카메라로 검사 받을 날이 멀지 않았다고 해도 과언이 아니다.
의료용 애플리케이션
인체의 체온은 복잡한 현상이다. 인간은 온혈동물이며 열을 발산한다. 이렇게 발산되는 열은 환경에 반응하여 손실된다. 열 발산과 환경 간의 장벽 역할을 하는 것이 바로 피부이다. 이 역동적인 기관인 피부는 신체의 생리적인 요구를 충족하면서도 신체 내의 조건과 외부환경의 조건에서 균형을 맞추기 위해 끊임없는 적응의 과정을 겪고 있다.
열화상 이미지는 의료 검사와 진단을 위한 정확하면서도 신뢰할 만한 도구로 널리 알려져 있다. 화상, 피부 조직 이식, 궤양에 의해 초래된 피부의 열전도율은 민감한 열화상 시스템으로 쉽게 탐지, 감시가 가능하다. 기타 일반적인 적용에는 피부암의 탐지, 통증 관리, 화상 깊이 산정, 열병 탐지, 심장 개폐수술 등이다.
몇 년 전 사스가 발생했을 때 열화상 카메라가 널리 사용되어 이 질병의 확산을 미연에 방지하는데 큰 역할을 했다. 여러 국가들이 공항에 열화상 카메라를 설치하여 평균적인 체온보다 높은 체온을 가진 사람들을 탐지하는 데 사용했다. 일단 잠재적인 사스 가능성이 있는 자로 탐지되면 그 사람은 의료진에 의해 특별 검진을 받았다. 열화상 시스템을 통해 아주 짧은 시간 안에 엄청난 수의 사람들을 차단, 검진할 수 있었다.
미래
의심의 여지가 없는 사실은 열화상 카메라 또한 이전의 다른 제품들이 밟았던 똑 같은 길을 걸을 것이라는 점이다. 이 장비는 훨씬 더 소형화 될 것이고 화질은 훨씬 더 좋아지고 다양한 기능들이 열화상 카메라에 도입될 것이다
열화상 카메라가 운전자의 시야 확대와 가정용 보안과 같은 일반 소비자 중심의 애플리케이션에 점점 더 많이 사용되면서 이 제품에 대한 관심이 늘어나게 될 것이고 대량 생산을 통해 가격이 하락할 것이다.
이것이 어떤 결과로 이어질지는 아무도 모르는 일이다. 그러나 아주 빠른 시간 내에 모든 경찰관, 소방관, 보안요원 등등이 열화상 카메라를 소지하게 될 가능성이 매우 높다. 대부분의 자동차, 트럭, 기차, 기타 차량들이 열화상 기술을 이용할 것이다. 결국 어둠 속에서도 볼 수 있고 많은 다른 유용한 애플리케이션을 갖춘 열화상 기술은 모든 기술을 능가하는 도구가 될 것이다.
열화상 카메라의역사
■ 군대용으로 개발된 최초의 열화상 카메라는 1958년 스웨덴에서 FLIR시스템으로 알려진 AGA라는 업체에서 개발했다. 깜깜한 어둠 속에서도 선명한 영상 이미지 생성이 가능하기 때문에 열화상 기술은 야간의 어둠 속에서도 적군을 정확하게 식별할 수 있는 기능을 갖추고 있다. 열화상 카메라는 가벼운 안개, 비, 눈 속에서도 물체를 식별할 수 있다. 열화상 카메라는 또한 연기 속에서도 물체의 식별이 가능하다. 이러한 기능 덕분에 군대에서의 활용도는 더욱 높다. 왜냐하면 연기가 가득한 전투 현장에서 사물을 식별할 수 있기 때문이다.
■ 상업용으로 설계된 최초의 적외선(열화상) 카메라는 1965년에 개발되었다. 이 카메라는 송전선 검사에 사용되었다.
■ 최초의 휴대용 배터리 적외선 카메라가 출시된 것은 1973년이었다. 휴대용이라고 했지만 카메라의 무게는 매우 무거웠다. 카메라에 시스템과 통합된 적외선 탐지기의 온도를 냉각하기 위해 액체 질소를 채웠기 때문이다.
■ 이런 상황은 FLIR 시스템이 탐지기 냉각을 위해 액체 질소가 더 이상 필요 없는 최초의 시스템을 도입할 때까지 계속되었다. 그 대신에, 소위 극저온 냉각기가 사용되었다.
■ 냉각 기능이 필요 없는 탐지기, 소위 마이크로 볼로미터 열화상 카메라가 시장에 출시된 것은 1977년의 일이었다. 마이크로 볼로미터의 주된 장점 가운데 하나는 움직이는 부분이 없어서 고장이 쉽게 일어나지 않는다는 점이었다. 또 하나의 장점은 제품 생산에 드는 비용이 비교적 높지 않아 열화상 카메라 제조업체들이 제품 가격을 내릴 수 있다는 점이다.
마이크로 볼로미터(방사 에너지 측정기구)는 무엇인가?
마이크로 볼로미터는 열화상 카메라에서 탐지기로 사용되는 특별한 종류의 볼로미터이다. 이것은 큰 온도 계수의 미세한 바나듐 산화물 혹은 무정형 실리콘 저항기이다. 넓은 표면 면적이 있는 실리콘 원소에서 낮은 열용량과 양질의 단열이 일어난다. 특정한 범위의 주파수에서 나온 적외선은 바나듐 산화물에 영향을 주어 그 전기 저항을 변화시킨다. 이러한 온도 변화는 전기 신호로 변환되어 이미지로 처리되는 볼로미터 온도 변화를 야기한다.
열화상 카메라를 위한 애플리케이션
현재 생산량이 많아지고 가격이 하락하면서 점점 더 많은 열화상 카메라용 애플리케이션이 등장하기 시작했다. 이러한 애플리케이션 중 일부는 이미 수년 동안 있어왔지만 그러나 열화상 카메라를 구입하는 데 드는 엄청난 비용을 감당할 수 있는 행복한 경우는 많지 않다.
운전자 시야 확대
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운전자 시야 확대는 열화상 카메라의 생산량 증가에 가장 크게 기여할 수 있는 요인이다. 야간의 운전에는 트럭 운전자, 버스와 기타 대형 차량 운전자들에게 심각한 위험이 따른다. 많은 심각한 사고들이 야간에, 안개 속에서, 가벼운 빗속에서 발생한다.
왜냐하면 운전자는 충돌을 방지할 만큼 넓은 시야를 확보하지 못하여 사고 이유를 사전에 감지하지 못하기 때문이다. 매년 수 천 건의 야간 사고들이 대형차에서 발생하는데, 주로 악천후 상황 때문이다. 운전자들은 재빨리 속도를 줄일 수 없고 피로도 반응시간 지연에 한몫을 하며 야간에는 시야가 심하게 방해 받는다. 열화상 카메라는 강력한 운전자 시야 확대 시스템이며 이를 통해 야간 운전의 위험이 크게 줄어들고 운전자는 헤드라이트보다 5배 더 멀리 볼 수 있다. 어떤 차량을 운전하든 빛은 전혀 필요 없다.
열화상 시스템 덕분에 운전자들은 잠재적인 위험을 재빨리 탐지하고 인식하여 치명적인 사고를 피할 수 있다. 헤드라이트가 비추는 것 이상으로 멀리까지 도로에서 열화상 이미지를 볼 수 있기 때문에 운전자들은 도로 상에 있는 장애물과 커브 길을 탐지할 수 있고 반응 시간도 훨씬 단축된다.
또한 열화상 이미지 덕분에 운전자들은 도로 끝을 더 잘 볼 수 있고 다가오는 커브 길을 더 빨리 인지하여 헤드라이트의 제한적인 조명을 극복할 수 있고 연기, 먼지, 가벼운 안개, 가벼운 비속에서도 전방의 사물을 식별할 수 있다.
그러나 고가의 명품 차만이 열화상 이미지의 이득을 누리는 것은 아니다. FLIR 시스템 패스파인드IR 같은 열화상 이미지 카메라 트럭과 버스에 쉽게 통합 가능하다. 또한 기차와 지하철도 열화상 카메라 장착을 시도하고 있다. 최대한 빠른 시간 안에 그리고 야간에도 사고 현장에 도착해야 하는 소방차와 구급차 같은 응급 차량들도 열화상 카메라의 장점을 활용하고 있다. 화재에서 열화상 카메라는 연기 속에서도 사물을 식별할 수 있고 운전자는 다른 사고없이 사고 현장에 갈 수 있다.
비행기
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비행기에 설치되는 열화상 카메라는 착륙을 돕는 기능으로 활용된다. 이 카메라 덕분에 조종사는 먼 시야에서, 심지어 깜깜한 어둠 속에서도, 가벼운 안개와 먼지, 연기 속에서도 지형과 다른 비행기의 상황을 파악할 수 있다.
열화상 카메라는 비행기가 착륙할 때 사용하는 기존의 장치들을 완벽하게 대체하지는 못할 것이다. 그러나 열화상 카메라는 상황에 대한 선명한 이미지 영상을 조종사에게 제공함으로써 완벽한 보완 기능을 할 수는 있다. 저속으로 이륙할 때에도 열화상 카메라는 사고 방지에 도움이 된다. 열화상 카메라가 가벼운 안개와 비속에서도 사물 식별이 가능하다는 사실을 기억해야 한다. 따라서 열화상 카메라는 나쁜 날씨 조건 하에서 육안으로는 식별이 불가능한 다른 비행기나 물체들을 쉽게 탐지할 수 있다.
소방장비
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건물의 각 층과 벽, 천장에서 주위보다 온도 높은 부분을 탐지할 뿐만 아니라 깜깜한 어둠과 연기 속에도 사물을 식별하기 위해서 소방관들은 수년 전부터 열화상 카메라를 사용해왔다. 연기는 그 속에 마이크론 크기의 탄소 그을음 입자들을 갖고 있기 때문에 가시광선에 매우 잘 흡수된다. 그러나 입자 크기가 센서에서 사용하는 빛의 주파수에 비해 훨씬 더 작아질 때 분산이 크게 줄어들고 이로 인해 연기 속에서도 사물의 식별이 가능하다. 연기 속에서도 사물 식별이 가능한 열화상 카메라의 기능 덕분에 생명을 구할 수 있다. 사람들은 연기가 자욱한 방에서 쉽게 위치 추적이 가능하다.
물체의 온도 차이를 탐지할 수 있는 능력은 소방관에게는 극히 중요하다. 소방관들은 많은 경우 문을 열고 화재로 접근해야 하거나 재빨리 그리고 신속하게 화재 현장과 화재 범위를 판단해야 하기 때문이다. 열화상 카메라는 노련하고 잘 훈련된 소방관들이 사용했을 경우 매우 탁월한 기능을 발휘하는 제품으로 검증되었다.
열화상 카메라의 생명 구조 능력은 이미 소방관들이 잘 알고 있고 현재는 점점 더 많은 소방관들이 열화상 카메라의 이점을 이용할 수 있다.
선박에서 열화상 카메라 사용
선박의 선장은 야간에도 변함없이 항로를 지시해야 한다. 고가의 선박, 승객들, 선원, 화물칸은 반드시 보호해야 하는 대상이다. 열화상 카메라 덕분에 배의 선장은 깜깜한 어둠 속에서도 물체의 식별이 가능하다. 그들은 쉽게 항로 표지, 선적선 교통, 육지의 노두, 교각 상황, 노출된 암석, 다른 선박들, 기타 탐지하지 못했을 때 선박에 손상을 가할 수 있는 다른 부유하는 물체들을 정확하게 식별할 수 있다. 부유하는 잔재와 같이 레이더에 탐지되지 않는 작은 물체들도 열화상 이미지에서는 선명하게 보인다.
그러나 선박에 설치된 열화상 시스템은 생명 구조에도 사용된다. 배 밖으로 떨어진 사람을 최단 시간 안에 찾아내는 것이 가장 중요하다. 배에서 떨어져 떠다니는 사람뿐 아니라 저체온증도 중요한 고려 사항이다.
열화상 카메라 덕분에 익사 상태에 있는 사람도 재빨리 위치를 추적하여 물 밖으로 꺼낼 수 있다.
<글 : Christiaan Maras, Marketing Manager, FLIR Commercial Vision Systems(www.flir.com)>
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[2024-05-12] 
