1. 냉각형 vs 비냉각형 광학 가스 이미징(OGI) 기술 이해하기

– 산업별 적용 사례와 기술별 장단점 –

Craig O'Neill 및 Ron Lucier 원문 해설 번역

이 자료는 FLIR Systems의 Craig O'Neill과 Ron Lucier가 작성한 기술 해설 문서를 한국어로 번역 및 재구성한 것입니다.

광학 가스 이미징(OGI)의 원리와 함께, 냉각형과 비냉각형 검출기 기술의 특징과 각 기술이 적합한 산업 적용 사례에 대해 설명합니다.

2. 광학 가스 이미징(OGI) 기술 개요

광학 가스 이미징(Optical Gas Imaging, OGI)은 적외선(IR) 카메라를 통해 육안으로는 보이지 않는 가스 누출을 시각적으로 보여주는 기술입니다.

마치 일반 비디오 카메라를 보는 것처럼 화면을 통해 가스를 볼 수 있으며, 화면에서는 "연기처럼 퍼지는 가스 플룸(plume)" 이 표시됩니다. 이 기술이 없으면 해당 가스는 전혀 보이지 않습니다.

FLIR Systems는 OGI 기술을 활용해 다양한 가스를 탐지할 수 있는 카메라를 제작해 왔으며, 주요 탐지 대상은 다음과 같습니다.

탄화수소계 가스
이산화탄소 (CO₂)
육불화황 (SF₆)
냉매류
일산화탄소 (CO)
암모니아 (NH₃) 등

이러한 카메라는 다양한 산업 현장에서 다음과 같은 목적으로 활용되고 있습니다.

온실가스 및 유해가스 배출 감축
설비 점검을 통한 생산 효율성 증대
누출로 인한 폭발 또는 중독 사고 방지 등 안전 확보

OGI의 가장 큰 장점은 산업 공정을 중단하지 않고도 빠르게 누출 부위를 찾을 수 있다는 점입니다. 이는 기존의 누출 점검 방식보다 훨씬 빠르고 효율적인 방법입니다.

3. 광학 가스 이미징 기술의 원리

OGI(Optical Gas Imaging, 광학 가스 이미징) 카메라에서 냉각형 또는 비냉각형 검출기 중 어떤 것이 더 적합한지 논의하기에 앞서, 먼저 이 기술의 기본 원리에 대해 설명하고자 합니다.

광학 가스 이미징은 일반 비디오 카메라를 통해 보는 것과 비슷하게 작동하지만,
"사용자는 연기처럼 퍼져 나오는 가스 플룸(plume)" 을 화면에서 볼 수 있습니다. OGI 카메라가 없다면, 이러한 가스는 육안으로 전혀 보이지 않습니다.

이 가스 플룸을 눈으로 볼 수 있도록 하기 위해, OGI 카메라는 특정 가스 화합물을 탐지할 수 있게 설계된 독특한 스펙트럼(파장 의존성) 필터링 기술을 사용합니다.

특히 냉각형 검출기를 사용하는 경우, 필터는 검출기에 도달하는 복사 에너지(열 에너지)의 파장을 "아주 좁은 대역폭(밴드패스)" 으로 제한하여,

특정 가스를 효과적으로 감지할 수 있게 해줍니다. 이러한 방식은 "스펙트럴 어댑테이션(Spectral Adaptation, 스펙트럼 적응 기법)" 이라고 불립니다.

( 그림 1 )

OGI 카메라는 특정 분자들이 가지고 있는 적외선 흡수 특성을 활용하여, 해당 가스를 자연 상태(실제 환경)에서 시각화할 수 있도록 합니다.

카메라의 "초점면 배열(FPA, Focal Plane Arrays)" 과 광학 시스템은 "매우 좁은 파장 범위(수백 나노미터 수준)" 에 맞게 정밀하게 조율되어 있어, 매우 선택적인 감지 기능을 제공합니다.

따라서 "좁은 대역통과 필터(narrow bandpass filter)" 로 구분된 적외선 영역에서 흡수 특성을 가진 가스만 탐지할 수 있습니다.

대부분의 화합물은 파장에 따라 적외선 흡수 특성이 달라지며, 이러한 특성을 기반으로 감지가 이뤄집니다.

단, "수소(H₂), 산소(O₂), 질소(N₂)" 와 같은 "비활성 기체(Noble Gases)" 는 적외선 영역에서 뚜렷한 흡수 특성이 없기 때문에 직접적으로 영상화할 수 없습니다.

"그림 2" 의 노란색 영역은 "메탄(Methane)" 이 대부분의 배경 적외선 에너지를 흡수하는 파장 범위에 맞춰 설계된 스펙트럼 필터를 나타냅니다.

( 그림 2 )

카메라가 가스 누출이 없는 장면을 향하고 있을 때, 시야 내의 물체들은 적외선 복사 에너지(열 복사)를 방출하거나 반사하여, 이를 카메라의 렌즈와 필터를 통해 감지기까지 전달하게 됩니다.

그러나 물체와 카메라 사이에 가스 구름이 존재하고, 그 가스가 필터의 밴드패스(허용 파장 범위) 내의 복사 에너지를 흡수하는 특성이 있다면, 감지기에 도달하는 복사 에너지의 양은 감소하게 됩니다.

이러한 가스 구름을 배경과 대비되게 보기 위해서는, "구름과 배경 사이에 복사 대비(radiant contrast)"가 존재해야 합니다.

요약하자면, 가스 구름이 시각적으로 식별되기 위한 핵심 조건은 다음과 같습니다.

1. 가스가 카메라가 감지하는 파장대에서 적외선을 흡수할 것

2. 가스 구름과 배경 사이에 복사 대비가 존재할 것

3. 가스 구름의 겉보기 온도(apparent temperature)가 배경과 다를 것

또한, 가스 구름이 움직일 경우, 사용자가 이를 더 쉽게 식별할 수 있습니다.

4. 광학 가스 이미징과 관련된 파장 이해하기

냉각형과 비냉각형 OGI(광학 가스 이미징) 카메라의 차이를 이해하려면, 이 기술에 사용되는 파장과 "카메라에 탑재된 검출기(센서)" 에 대해 이해할 필요가 있습니다.

OGI 카메라에서 주로 사용하는 두 가지 주요 적외선 파장대는 다음과 같습니다.

중파장 영역(Midwave): 3~5 마이크로미터(μm)
장파장 영역(Longwave): 7~12 마이크로미터(μm)

가스 이미징 분야에서는 이 두 영역을 각각 다음과 같이 부르기도 합니다.

기능 영역(Functional Region)
지문 영역(Fingerprint Region)

‘기능 영역’에서는 하나의 카메라로 동일 계열에 속한 여러 가스들을 탐지할 수 있는 반면, ‘지문 영역’에서는 개별 가스들이 서로 다른 고유 흡수 특성을 갖고 있어, 보다 정밀한 구분이 가능합니다.

예를 들어, 거의 모든 탄화수소계 가스는 "GF320 카메라가 사용하는 중파장 필터 영역(노란색 강조)" 에서 복사 에너지를 흡수합니다. 그러나 이들 가스는 "장파장(지문 영역, 파란색 강조)" 에서는 서로 다른 흡수 특성을 나타냅니다. (자세한 내용은 그림 3 참조)

( 그림 3 )

많은 가스들이 "중파장(midwa ve)" 과 "장파장(longwave)" 영역 모두에서 흡수 특성을 갖고 있지만, 오직 한 가지 적외선(IR) 파장 대역에서만 방출 특성을 보이는 가스들도 있습니다.

예를 들어,

"일산화탄소(CO)" 는 중파장 영역에서만 방출 특성을 가지며,
"육불화황(SF₆)" 는 장파장 영역에서만 방출 특성을 가집니다.

이러한 가스들은 일반적으로 탄화수소계 가스를 대상으로 하는 "지문 영역(Fingerprint Region)" 또는 "기능 영역(Functional Region)"에 포함되지 않습니다.

아래에는 CO와 SF₆ 가스의 적외선(IR) 스펙트럼 그래프가 예시로 제공되어 있습니다. (그래프는 해당 가스들이 각각 어떤 파장대에서 흡수 및 방출되는지를 시각적으로 보여줍니다.)

( 그림 4 )

5. 냉각형 vs 비냉각형 검출기

냉각형 OGI 카메라는 "양자 검출기(quantum detector)"를 사용하며, 이 검출기는 약 77K(섭씨 약 -196도, 화씨 약 -321도) 정도의 극저온으로 냉각되어야 합니다. 냉각형 검출기는 중파장(midwave) 또는 장파장(longwave) 검출기로 나뉩니다.

중파장 카메라는 메탄과 같은 탄화수소 가스를 탐지하며, 일반적으로 3~5μm 파장 대역에서 작동하고, 인듐 안티몬화물(InSb) 검출기를 사용합니다.
장파장 냉각형 카메라는 육불화황(SF₆)과 같은 가스를 탐지하며, 8~12μm 범위에서 작동하고, "양자우물 적외선 광검출기(QWIP, Quantum Well Infrared Photodetector)"를 사용할 수 있습니다.

냉각형 OGI 카메라는 "이미징 센서에 크라이오쿨러(cryocooler)"가 통합되어 있어, 센서 온도를 극저온으로 낮춥니다.

이 온도 저하는 장면으로부터 나오는 신호 대비 센서 노이즈를 충분히 낮추기 위해 필수적입니다.

크라이오쿨러는 매우 정밀한 기계 공차로 제작된 회전 부품을 포함하고 있으며, 시간이 지남에 따라 마모가 발생합니다.

또한, 크라이오쿨러 내의 헬륨 가스가 가스 밀봉부를 서서히 통과해 누출되기도 합니다.

결과적으로, 약 1만~1만3천 시간의 사용 후에는 크라이오쿨러의 "재정비(리빌드)"가 필요합니다.

냉각형 검출기를 사용하는 카메라는 검출기와 필터가 하나로 부착된 구조를 갖고 있습니다. 이러한 설계는 필터와 검출기 사이에 불필요한 복사 교환이 발생하지 않도록 하여, 더 높은 이미지 감도를 구현할 수 있습니다.

이로 인해 냉각형 OGI 카메라는 특정 가스를 더욱 효과적으로 시각화할 수 있으며, 미국 환경보호청(EPA)의 OOOOa 규제 등 엄격한 법규 기준을 충족하는 데에도 적합합니다.

( 그림 6 ) 냉각형 열화상 카메라로 촬영한 벽에 남은 손자국 이미지와 2분 후 이미지

( 그림 7. ) 비냉각형 열화상 카메라로 촬영한 벽에 남은 손자국 이미지와 2분 후 이미지

비냉각형 OGI 카메라는 검출기를 냉각하기 위한 추가 부품이 필요 없는 마이크로볼로미터(microbolometer) 검출기를 사용합니다.

이 검출기는 주로 바나듐 산화물(VOx) 또는 "비정질 실리콘(a-Si)" 로 제작되며, 7~14μm 파장대에서 반응합니다.

비냉각형 카메라는 냉각형에 비해 제조가 훨씬 쉽지만, 감도 또는 "등가 잡음 온도 차이(NETD, Noise Equivalent Temperature Difference)" 가 낮아 미세한 가스 누출을 시각화하기 어렵습니다.

NETD는 카메라가 구별할 수 있는 최소 온도 차이를 나타내는 지표입니다. 그림 6은 냉각형과 비냉각형 검출기의 감도 차이를 보여줍니다.

NETD가 더 우수한 냉각형 OGI 카메라는 비냉각형 카메라에 비해 최소 5배 이상 더 효과적으로 가스를 탐지할 수 있습니다.

가스 탐지 성능을 나타내는 또 다른 지표는 "등가 잡음 농도-거리(NECL, Noise Equivalent Concentration Length)" 로, 정의된 경로 길이에서 탐지할 수 있는 가스 농도를 의미합니다.

예를 들어, FLIR GF320 냉각형 OGI 카메라(3-5μm 검출기)의 메탄 탐지 NECL은 20 ppmm 미만인 반면, 비냉각형(7-14μm 검출기) 솔루션은 100 ppmm 이상입니다.

비냉각형 OGI 카메라에서 또 다른 고려사항은 필터링입니다. 일부 카메라는 장파장 스펙트럼 필터가 없으며, 단순히 넓은 파장 영역을 감지하는 검출기를 사용하여 소프트웨어와 분석 기법으로 가스를 시각화합니다. FLIR의 "특허받은 고감도 모드(High Sensitivity Mode, HSM)" 가 이러한 소프트웨어 기반 가스 시각화 기술의 예입니다.

반면, 일부 카메라는 보다 특정 가스에 초점을 맞춘 필터가 카메라 시스템에 내장되어 있습니다. 이 필터는 렌즈와 카메라 사이, 혹은 렌즈 자체에 부착되거나 다양한 방식으로 설계될 수 있습니다.

비냉각형 필터링의 경우, 필터가 검출기에 도달하는 복사 에너지를 제한하기 때문에 열 감도가 떨어지며 NETD가 높아지는 단점이 있습니다. 하지만, 이는 가스 이미징에 적합한 더 나은 영상 품질을 제공할 수도 있습니다.

스펙트럼 필터 폭을 좁혀 특정 가스에 집중할수록, 장면에서 나오는 복사 에너지는 감소하지만, 검출기 노이즈는 그대로이며 필터에서 반사되는 복사도 증가합니다.

결과적으로 가스 이미징 품질은 매우 향상되지만, 온도 측정용 열 감도(복사 측정)는 감소합니다.

냉각형 OGI 카메라에서 사용하는 "냉각 필터(cold filter)" 는 이와 같은 반사 복사 현상을 최소화하여 높은 열 감도를 유지합니다.

7. 냉각형 또는 비냉각형 OGI 카메라 선택 방법

OGI 카메라를 선택할 때 가장 먼저 고려할 점은 카메라가 탐지하려는 가스를 시각화할 수 있는가입니다. 그 다음에는 단순히 가격만이 아니라 다양한 요소를 종합적으로 판단해야 합니다.

냉각형 OGI 카메라는 가격이 높지만 상당한 장점이 있습니다. 앞서 설명했듯이, 이 카메라는 탄화수소 가스의 "기능 영역(functional region)" 에서 작동하여,

하나의 카메라로 다양한 가스를 탐지할 수 있습니다. 반면, 지문 영역(fingerprint region)에서는 동일한 결과를 얻기 위해 여러 대의 카메라가 필요할 수도 있습니다.

중파장 카메라의 또 다른 독특한 장점은 수증기 간섭이 적다는 점입니다. 그림 7에서 볼 수 있듯이, 수증기는 장파장 또는 지문 영역에서 강한 흡수를 일으켜, 카메라 영상에 불확실성을 초래할 수 있습니다.

향상된 감도와 이미지 품질은 OGI 카메라 선택 시 중요한 요소입니다. 이는 미세 누출 탐지 능력뿐 아니라, 각종 규제 기준을 충족하는 데에도 큰 영향을 미칩니다.

또한, 카메라 선택 시 기능적인 면도 고려해야 합니다. 현재 시장에서 위험 구역(Hazardous Location) 인증을 받은 휴대용 OGI 카메라는 모두 냉각형 검출기를 탑재한 제품뿐입니다.

만약 가스 누출량을 정량화할 필요가 있다면, 이는 중파장 스펙트럼(예: GF320)과 FLIR QL320 정량 솔루션의 독점 소프트웨어를 갖춘 냉각형 OGI 카메라로만 가능합니다.

FLIR GF620 냉각형 광학 가스 이미징 카메라와 FLIR GF77 비냉각형 Gas Finder 카메라

비냉각형 OGI 카메라가 시장에 도입되면서, 이 새로운 기술이 가지는 여러 장점이 부각되고 있습니다.

무엇보다도, 비냉각형 카메라는 제조 비용이 크게 낮아져 시장 가격도 더 저렴하다는 점이 가장 큰 장점입니다.

또한, 냉각 장치가 필요 없는 단순한 설계 덕분에 유지보수 비용도 적게 들며, 24시간 연속 운전과 같은 지속적 운영 환경에 더 적합할 수 있습니다.

돈을 절약하거나, 규제 기준을 충족하거나, 작업자 안전을 강화하거나, 단순히 환경 보호에 기여하고자 할 때, 선택 가능한 카메라 옵션이 그 어느 때보다 다양해졌으며, 때로는 혼란스러울 수 있습니다.

OGI 카메라 선택 시 가격 외에도 다양한 요소가 고려되어야 합니다. FLIR는 시장에서 가장 폭넓은 종류와 라인업의 OGI 카메라를 제공하고 있으며, 고객의 선택 과정을 적극적으로 지원하고 있습니다.