적외선
1. 개요
赤外線 / Infrared
적외선은 가시광선보다 파장이 긴 전자기파다. 넓은 의미에서의 빛이지만 인간의 눈에 보이지는 않는데, 자외선과 반대로 가시광선 영역에서 빨간색 쪽으로 벗어나므로 적외선이라고 부르는 것이다. 자외선과 마찬가지로 이 영역대를 보거나 감지할 수 있는 동물들도 있다.
적외선은 파장이 길어 에너지가 낮은 편이라 자외선처럼 화학적/생물학적 반응은 잘 일으키지 못하고, 주로 열을 전달한다. 이 때문에 열선이라고도 한다.
1800년 윌리엄 허셜이 처음으로 발견하였다.[1]
2. 적외선이 보여요
파장의 범위는 '''0.72 µm''' ~ 300 µm 정도지만, 사실 엄밀한 기준이 있는 것은 아니다. 이 때문에 사람에 따라 가시광선에 매우 가까운, 짧은 파장의 적외선을 볼 수 있지만, 역치 수준은 인종/성별/나이 등에 따라 다르다.[2] 쉽게 판단하는 방법으로는 적외선 파장의 빛을 방출하는 LED나 레이저 포인터를 사서 쓰면 된다. 사실 벌레잡이 자외선 등이 눈에 보이는 것과 비슷하게, 근적외선 대역을 만들어내는 광원으로부터 빛을 쬐면 인접한 여러 파장에서 다 에너지가 나오니, 그렇게 나온 가시광선의 붉은색이 보일 확률이 더 높다. 진짜 맨눈으로 적외선을 볼 수 있는지 여부는 근적외선 레이저를 보면 확실하다.[3] 이를 맨눈으로 보면 같은 와트수의 적색 레이저보다는 훨씬 어둡다.
한편 2014년 연구결과에 따르면, '''1,000~1,100nm''' 대역에서 강하게 레이저 펄스를 쬐어도 눈에 보인다고 한다. 기존 통념을 뒤집어버린 대사건이지만, 아직까지 그 원리에 대한 규명은 이론 수준을 넘지 못했다고 한다.
다만 굳이 적외선을 보겠다고 동공이 확장되고 암순응을 거친 눈에 적외선을 쏘진 말 것. 파장이 살짝 길 뿐이지 어쨌든 빛이므로 눈의 피로를 야기하기도 하거니와[4] 쬐고 나면 오랜 기간 후에 백내장에 걸린다. (자동 다운로드 주의)
이도 저도 없이 적외선을 가장 간편하게 보는 방법은 폰카를 비롯한 디지털 카메라를 이용하는 것이다. 적외선 로우 패스 필터가 진하게 피복되어 있지 않는 한, 분홍색~보라색 계통으로 보인다.[5]
3. 파장별 분류
적외선을 파장별로 대략 아래처럼 분류할 수 있다. 아래 그림에서 중간중간 투과를 못 하는 부분은 적외선이 이산화탄소나 수증기 등에 의해 흡수되는 영역이다. 특히 중파장 적외선의 5~8 µm 대역의 넓은 구간은 금방 대기 중에 흡수되어 대기 중에서는 실용적으로 쓰기 어려운 파장대역이다.
- 근적외선(Near-infrared): 파장 0.75~1.4 µm, 주파수 214~400THz, 온도 1800~3600°C. 광섬유 성분인 이산화규소에 잘 흡수되지 않아 광섬유통신에 사용된다. 열영상이 아닌 광증폭형 야시 장비가 잘 반응하는 파장이기도 하다. 초기형 적외선 유도 미사일들은 이 대역의 파장만 볼 수 있었는데, 전투기에서 이 파장이 적외선은 뜨겁게 달궈진 엔진 부품 쪽에서만 나왔다. 그래서 초기형 적외선 유도 미사일들은 엔진 배기구가 보이지 않는 정면에서는 미사일이 적기를 포착하지 못하는 문제가 있었다.
- 단파장 적외선(Short-wavelength infrared): 파장 1.4~3µm, 주파수 100~214THz, 온도 700~1800°C. 장거리 통신의 주 파장(1530-1560nm)이 여기에 속한다.
- 중파장 적외선(Mid-wavelength infrared): 파장 3~8µm, 주파수 37~100THz, 온도 90~700°C. 이 파장대역은 항공기와 미사일의 배기가스에서 많이 나오며, 고속비행중 마찰 열기에 의해서도 생성된다. 덕분에 이 파장대역을 감지하는 센서가 등장하면서 미사일들이 적 항공기를 전방에서도 조준할 수 있게 되었다.
- 장파장 적외선(Long-wavelength infrared): 파장 8~15µm, 주파수 20~37THz, 온도 -80~90°C. 열영상을 찍는 데 주로 사용되는 영역이다. 군용으로는 초음속으로 접근해오는 적 항공기 및 미사일 조기 탐지용으로도 많이 쓴다. 초음속 비행중 공기마찰에 의해 열이 나는데, 이때 이 장파장 적외선 대역의 적외선이 가장 많이 방출되기 때문.
3.1. 원적외선
Far-Infrared, 파장 15~1000µm, 주파수 0.3~20THz, 온도 -270~-80°C (3~193K)
게르마늄[6]과 엮어서 건강에 좋다고 허구헌날 광고에 쓰이는 적외선으로, 레이저 형태가 아닌 다음에야 활용처가 거의 없다. 우리나라에서는 원적외선이 "혈액순환이 좋아졌다." "맥박이 고르게 뛴다." "피로가 사라졌다." 등의 건강에 좋다는 광고가 따라붙지만, 사실 피부를 1mm도 못 뚫는 등, 대부분의 주장이 거짓말에 불과한 경우가 많다.
원적외선은 게르마늄이 발산하는 것보다 태양에서 쏟아지는 양이 비교도 안될 만큼 많다. 원적외선을 집중적으로 쐬는 사우나의 효능도 아직 제대로 인과관계가 밝혀지지 않은 판국에 수 cm의 칩에서 나오는 원적외선은 인체에 전혀 도움되지 않는다고 봐도 무방하다. 그렇게 원적외선을 쐬고 싶으면 차라리 출근시간 지하철을 타는 게 훨씬 더 강하다. 사람 몸에서 36.5°C로 나오는 원적외선을 쐴 수 있다.
이러한 사실이 알려지고 사람들이 원적외선의 효능에 의문을 가지기 시작하자 업체들은 근적외선으로 바꿔서 광고하기 시작했다. 원적외선보단 파장이 짧긴 하지만.... 그냥 햇빛을 쬐자.
이와 관련된 유사과학적 상술에 대해서는, 다음의 링크들을 참조할 것.
원적외선과 저마늄
<시사저널> 원적외선은 생명의 빛인가
사이비 과학 박멸의 강연 - 원적외선 편
4. 적외선의 활용
4.1. 야간 관측
적외선은 열영상을 얻는 데 사용된다. 생물체나 엔진, 천체 등 발열이 있는 것은 무엇이든 적외선을 방출하므로 이것을 영상화 하면 깜깜한 밤에도 사람이나 장비를 관측할 수 있다.
적외선 관측장비나 센서는 자체의 온도가 낮아야 (당연히) 피사체의 적외선을 잘 감지할 수 있으므로, 자체의 냉각이 매우 중요하다. 대표적으로 AIM-9과 같은 적외선 감지 미사일이나, 적외선 망원경등 모든 적외선 관련 장비는 자체 냉각 시스템을 갖추고 있다. 우주 공간의 먼지에 영향을 덜 받는 적외선으로 관측하던 망원경 스피처의 경우, 그 성능의 수명은 내장하고 있던 냉각 헬륨의 양에 따라 정해져 있었다.
4.2. 온도 측정
열과 밀접한 관련이 있으므로, 적외선을 쏘아 물체를 가열하는 데 쓰이기도 하고, 반대로 물체가 내는 적외선을 분석하여 온도 측정이나 열 흐름의 측정에도 쓰인다.
[image]
[7]
개를 적외선 촬영한 모습이다. 가시 광선이 아니므로 색이 있을 수 없지만, 구별하기 쉽도록 온도가 높으면 노랑, 낮으면 파랑/검정으로 색을 입힌 것이다. 보온 소재인 털에 막혀 열이 발산되지 않는 부분은 낮게 나오지만 귀나 눈, 입에서는 열이 발산되는 모습을 확인 가능하다.
참고로 빈의 변위법칙(λ=0.28978cm/T, T는 절대온도)에 의해서 '''인체(309.5K)가 복사하는 전자기파는 9µm 정도의 적외선 영역에서 가장 많이 방출'''된다. 여기서 주의할 것은 9µm영역 정도의 적외선만 방출하는 게 아니라는 사실이다. 흑체 복사는 모든 영역의 파장에서 이뤄질 수 있다. 다만, 9µm 영역 정도에서 가장 많은 전자기파가 방출된다는 뜻이다(즉, 그래프상 마루가 이 지점에서 형성된다).
4.3. 기상 분석
기상 정보 분석에도 쓰인다. 적외선으로 찍은 위성사진으로 구름의 높이와 종류를 알 수 있고, 지면/해수면의 온도도 알 수 있다고 한다. 이는 기상 분석의 정보로 활용된다고 한다.
[image]
적외선 위성 사진
4.4. 통신
IrDA라고 부른다. 광케이블을 이용한 유선 통신에도 쓰이고, 케이블 없이 무선 통신에도 쓰인다.
무선 통신은 흔히 적외선 통신이라고 하며, 적외선 LED와 수신기를 이용해서 근거리에서 선 없이 통신하는 기능이다. 주로 텔레비전 리모콘에나 쓰이는 기능으로 인식하는데, 과거 2000년대엔 상당수의 노트북에 이 기능이 있었다. 당시의 노트북이 있다면 옆면을 한번 보자. 만약 검고 투명해 보이는 네모난 플라스틱 쪼가리가 있으면 십중팔구 적외선 포트다. 노트북뿐만 아니라 예전 핸드폰에도 이 기능이 흔히 들어 있었다. 2010년대 들어 요즘은 스마트폰이 대세라 보기 어렵지만, Wi-Fi, 블루투스 등의 무선 통신이 안 되던 예전에는 적외선 통신이 되는 핸드폰이 꽤 흔했다. 적외선 포트가 달린 스마트폰은 '마이 리모콘'등의 앱으로 리모콘 신호를 흉내(에뮬레이팅)내어 TV나 에어컨등의 기기를 제어하는것이 가능하다.리모콘항목 참조.한국에서 이 기능을 선구적으로, 그리고 적극적으로 탑재했던 메이커가 SK텔레텍 시절의 SKY였는데, 피쳐폰 초창기만 해도 스카이 말고는 적외선 기능은 커녕 아예 내부의 데이터를 케이블 없이 공유할 수 있는 기능이 전무한 휴대전화가 많아서 당시의 프리미엄 이미지를 뒷받침해주는 요소로서 스카이 유저들의 자부심 중 하나였다. 이는 팬택 인수 이후까지 계속 이어져서 피쳐폰 말기까지 가서도 타사가 적외선과 블루투스를 양자택일하여 탑재할 때 웬만한 스카이 휴대전화에는 블루투스가 없어도 적외선은 있거나, 아예 둘 다 있는 기종이 많았다.
사실 핸드폰 이전 스마트폰의 전신이라 할 수 있는 PDA 때부터 장착되기 시작하였으며 처음에는 연락처를 전송하는 용도로[8] 사용 되다가 후에는 앱 전송, 무선동기화, 게임 멀티플레이어, TV리모콘, 무선 키보드 연결용도[9]로 사용할 수 있었다. 당연한 이야기겠지만 스마트폰이 등장했을때는 부피큰 적외선 포트를 설치 안 해도 되고 속도가 더 빠른 Wi-Fi, 블루투스로 대체되었다.
여담이지만 블루투스가 상용화 되었을 때도 Palm 사는 마지막 PDA인 TX에도 이 적외선 포트를 장착시켰었다. 다만 적외선 포트가 소형화된 탓인지 갤럭시 S4 이후에 몇 년간 스마트폰들에 적외선 센서를 넣어주다가 현재는 한국산 스마트폰들은 넣어주지 않고 있다. 화웨이 P9 Plus 같은 중국폰들은 장착되어 있다.
갈라파고스화의 끝을 보여주는 일본에서는 가라케[10] 말기까지 이걸로 연락처 교환을 했다고 한다.
포켓몬스터도 GBA 후기부터 팩에 장착했고, 5세대부터 본격적으로 유저 간 통신에 사용하고 있다 DS부터는 무선통신기능이 추가되었기 때문에 좀 의아하겠지만. 하트골드 소울실버부터 적외선 통신기능이 등장하면서 편리성으로 정착 무선통신보다 다소 빠른 데다 데이터 안전상의 문제로 하는 통신 진입 시의 리포트작성이 없기 때문에 간편하기도하다. 무선통신기능이 있는 3DS에서도 적외선 통신 포트가 존재한다.
유료도로나 고속도로에서 흔히 볼 수 있는 하이패스의 경우 적외선과 RF 전파를 사용하여 데이터를 주고받는데, 하이패스 단말기가 장착된 차량이 하이패스 차로에 진입할 경우, 하이패스 차로 입구의 전광판 밑이나 뒤에 있는 안테나가 하이패스 단말기에 적외선 신호를 전송하고, 하이패스 단말기는 요금 정산/카드 기록 후 적외선 신호를 요금소 안테나에 다시 보낸다. 이렇게 수신된 정보를 통합제어기와 영업소에 보내고 요금 안내판에 정보를 표시한다. 통신에 실패한 경우에는 차량번호판을 카메라로 찍고 사이렌을 울린다. 이 경우 전광판에 OBU 미장착, 통신오류, 잔액부족[11], 사용불능카드, 후불카드 이상[12], 카드방향이상 등의 이유와 함께 영업소에 문의하거나 확인해 달라는 글이 나온다.
4.5. 분광분석법
Infrared Spectroscopy
분자에 적외선을 쪼이면 분자가 가지고 있는 결합에 따라 특징적인 파장대의 적외선을 흡수하게 된다. 이것을 이용하여 물질, 특히 유기화학에서는 작용기(functional group)의 유무를 구분해낼 수 있다. 근래 사용되는 방식은 컴퓨터에 의한 푸리에 변환을 동반하는 Fourier Transformed Infrared Spectroscopy(약칭 FT-IR)이 대부분이며, 그냥 IR이라고 불러도 통한다. IR을 찍으면 각 물질마다 서로 다른 특이한 흡수 그래프를 나타내므로 물질의 정체를 밝혀내는데 유용하다. [13]
4.6. 군사목적
야간투시경과 함께 개인화기에 추가로 장착하는 레이저 포인터와 전술 조명에 사용된다. 일반적인 가시광선영역의 레이저나 조명을 사용하면 불빛 때문에 적에게 '''나 여기 있다'''라는 뜻이 되므로 야간투시경에만 보이는 적외선을 사용하는 것. 현대전은 갈수록 야간 전투의 중요성이 높아지고 있기 때문에, 적외선은 자외선에 비해 군사적인 활용도가 높아서 장거리에서도 탐색이 가능할 정도의 정밀한 적외선 검출 소자나 탐색기에 사용되는 부품 등은 민간에서는 구하기 어렵고 국제적으로도 수출입이 통제되는 경우가 많다.
군용 적외선 장비 중 대표적인 것으로 FLIR과 IRST가 있다.
한편 "적외선 유도탄" 이라고 불리는 일부는 적외선을 활용하여 목표물을 추적해 쫓아가는 메커니즘을 갖고 있다.
그 외에 핵무기 기폭시에 감마선부터 시작해서 엄청난 전자기파가 나오는데 이때 적외선도 나온다. 물론 처음에 개발시 의도한건 아니겠지만 이로 인해 일정 반경내에 화재를 포함해서 초목, 건물, 인체 등에 강력한 열피해를 줄 수 있다. [14]
4.7. 의료용
물리치료 분야의 대표적인 온열자극형 치료기법. 표피 내부의 깊은 곳까지 열을 전달하여 혈액순환을 돕고 세포재생을 촉진하며 병원균 저항력을 키우는 원리이다.
흔히 "적외선 조사기" 라고 불리는 '''붉은 불빛이 나오는 스탠드'''가 대중적인데, 재활의학과 혹은 통증의학과에서 볼 수 있는 스탠드형의 물건은 각종 근육통 및 관절 통증, 허리 통증 등에 효과가 있다고 알려져 있다. 한편 이비인후과에 가서도 볼 수 있는데, 이건 마치 헤어드라이어(…)처럼 생겼으며 직접 손으로 들고 코나 귀에다 대고 있어야 한다. '''빨간불 나오는 부분은 절대 만지지도 말고 쳐다 볼 생각 하지도 마라. 특히 어린애들은.'''
오랫동안 쬐고 있으면 은은한 열감이 느껴지며, 과용을 막기 위해 타이머가 장착되어 있는 경우가 많다. 이비인후과의 미니 조사기는 달랑 1분 정도면 타이머가 끝나지만, 통증의학과에서는 그 이상으로 쬐기도 한다.
또한 적외선은 치료뿐 아니라 질병의 진단에도 쓰이는데, 이를 '체열진단'이라 한다. 과거에는 접촉식 측정기로 온도를 측정하는 것에서 그쳤지만, 요즈음에는 적외선 카메라(볼로미터)의 기술 발달로 손쉽게 전신의 체온 분포를 확인할 수 있게 되었다. 이를 통해 기존의 MRI, CT 등의 검사로는 확인이 어려운 근육과 신경 등에 대한 정밀한 진단이 가능하게 되어 통증에 대한 진단이 가능하게 되었다.
적외선 중 파장이 짧은 근적외선은 신체를 절개하거나 체내에 약물을 주입할 필요 없이 손쉽게 헤모글로빈을 검출해 낼 수 있어 의학적 진단에 유용하다. NIRS 참조.
4.8. 보안 및 각종 센서
적외선 경보기로 도둑이나 기타 침입자를 막는데 쓴다. 화장실에 들어가면 자동으로 불이 켜지고 사람이 없으면 자동으로 불이 꺼지는 시스템을 볼 수 있는데, 여기에도 적외선 센서가 쓰인다. 희대의 괴작 대털의 적외선 굴절기는 이를 왜곡시키는 아이템이다. .
최근에 적외선을 이용한 센서들이 시중에 많이 나와있다. 대표적인 센서는 단거리 측정 (약 ~30cm 정도까지) 센서인데 센서에서 적외선을 쏴서 반사된 적외선의 강도에 따라 거리를 측정하는 센서다. 구조가 간단해서 요즘은 굉장히 소형화 되어있다. 기껏해야 30cm까지 측정하는데 어디에 쓰이냐면, 바로 요즘 휴대 전화에 필수로 들어간다. 요즘 핸드폰은 통화 중에 폰을 얼굴에 갖다대면 자동으로 화면이 꺼지는 것을 알 수 있는데, 바로 이 센서가 쓰인다. 광축 키보드 역시 글쇠마다 입력을 감지하기 위해 이 센서가 들어가 있다. ToF 카메라도 적외선을 이용하여 3D 모델을 만들어내는데 이용한다. S10 5G, 노트 10 시리즈에도 장착되어 있다.
이 방식을 확장하여 3D로 만들 수도 있는데, 이를 이용한 물건들이 바로 키넥트, 인텔 리얼센스, Leap Motion 등이 있다.
고급형 마우스에도 적외선을 이용한 센서를 쓴다. 이런 마우스를 뒤집어 보면 일반적인 광마우스와는 달리 빛이 나지 않는 것처럼 보이지만, 폰카 같은 걸로 통해서 보면 분홍빛이 나오는 것을 볼 수 있는데 이것이 적외선이다.
5. 기타
에너지가 낮으므로 보통은 위험하지 않다. 그러나 적외선이 강력하게 나오는 환경, 예를 들어 산업현장 같은 곳에서는 눈을 다칠 수 있으니 보호 장비를 착용해야 한다. 적외선은 눈에 보이지 않으니 이런 환경에서는 한층 더 조심해야 한다.
사이드와인더 같은 방울뱀들은 적외선을 느낄 수 있다. 다만 그 효용성은 알려진 바 없다고. 그런데 사람 피부에서도 적외선이 나오기 때문에... [15] 구렁이나 일부 박쥐들도 적외선을 느낄 수 있다고 한다.
[1] 천왕성 발견한 남매 중 오빠. 또한 허셜 우주 망원경도 그의 이름을 딴 것.[2] 본인들 말로는 매우 어두운 붉은색으로 희미하게나마 보인다고 한다.정확히는 적외선에 가까운 초적광의 파장(700 ~ 800nm 사이)이 적색 가시광선에 가깝기 때문에 진한 빨간색으로 인지가 가능한 것.[3] 파장이 산란되는 범위가 여타 광원에 비해 압도적으로 좁다.[4] 거기다가 잘 보이지도 않으니 동공 축소나 명순응도 기대하기 어렵다![5] 이 때문에 근적외선 레이저를 핑크 레이저라고 하기도 한다. 이런 야시시한(?) 색깔로 보이는 데 뭔가 특별한 이유가 있는 건 아니고, 녹색을 씌운 수광부를 제외하고 적색·청색을 씌운 수광부가 모두 반응하기 때문에…[6] 이 종류의 마케팅에서는 저마늄 대신 거의 대부분 게르마늄으로 표기한다.[7] 출처를 보아 나사의 연구 데이터베이스 이미지로 보이며 품종은 포메라니안으로 추정된다.[8] 지금은 망한 PDA 제조사인 Palm 사는 이걸 광고로 써먹었다.[9] 그런데 이 무선 키보드라는게.. 일단 PDA 본체의 적외선 포트에 거울을 장착한 다음 키보드를 적외선 포트 쪽으로 맞추어줘야 했었다, 즉 통신 가능 거리는 약 2~3cm 정도. 심지어 전용 키보드에 기기를 꽂는 거에 비해 더 불편했었다.[10] '갈라파고스 케타이'의 준말. 케타이는 '휴대 전화'에서 전화가 탈락되어 휴대라는 단어 자체가 휴대전화를 뜻하게 된 것으로, 일본 특화 기능이 많이 탑재된 일본 특유의 고성능 피쳐폰을 뜻한다.[11] 폐쇄식 입구에서는 고속도로 진출 시 일반차로를 이용하라고 안내한다.[12] 이때는 "확인 후 연락드리겠습니다." 라고 표시된다.[13] 옛날에 NMR이 상용화 되지 않았을 때는 IR과 MS를 극한까지 활용해서 물질을 특정했다고 한다. 하지만 최근엔 기본적으로 IR, 탄소동위원소 NMR, MS, 수소핵 NMR 정도는, 샘플량이 적지 않은 이상 학부생이라도 사용할 수 있기 때문에, 주요 관능기 피크 모양과 파수만 기억해두면 어렵지 않다.[14] 기폭 직후에 나오는 적외선 등을 포함한 빛을 바라보면 실명하는 것으로 잘 알려져 있는데. 이 빛이 너무 강력하기 때문에 실명은 물론이고 거리에 따라서 증발하거나 전신의 피부가 용해 후, 박피될 수 있다 물론 후자면 얼마 동안 살아있기는 한다. [15] 굳이 설명을 곁들이자면, 가시광선 영역도 눈으로 보기 때문에 몸의 형상을 투시하는 형태로는 보이지 않는다. 적외선 영역만을 카메라로 작정하고 찍으려 해도, 열화상 카메라가 아닌 이상에야 적외선 램프 없이는 형체 구분도 어렵다. 미국 공항의 보안검색대에서 여러분의 알몸을 볼 수 있는 건 엄청난 양의 에너지를 적외선을 비롯한 다양한 영역대로 쏘거나 받기 때문이다.