방산기술 - 적외선 영상

그냥 들은 얘기다. 훈련 중이던 군 장교가 들고있던 무전기를 내던지면서 상대방에게 이렇게 소리친다. "야! 휴대폰으로 다시 하께!"

상용제품이 군용제품보다 성능이 우수해져서 생긴 에피소드다. 특히 통신분야에서 더욱 그렇다. 우리나라에서 스파이더로 통하던 군통신이 TICN 사업을 통해 발전하긴 했지만 상용제품의 발전이 너무 빨라 이런식으로는 군용제품의 성능이 상용제품의 성능을 따라잡기란 불가능하다.

예전엔 그렇지 않았다. 민수시장이 커져서 엄청난 자본이 기술개발에 투입되기 전에는 단연 방산기술이 민수기술보다 앞섰고 방산기술의 스핀오프가 민수용 제품 개발의 촉매가 되었던 것이 사실이다. 하지만 지금은 통신뿐만 아니라 레이더, 적외선, 자이로스코프를 이용한 안정화 기술 등 한때 방산기술로만 취급되었던 기술들이 민수시장을 주도하고 있다. 자율주행차, 로봇, 드론 등 미래산업으로 기대되는 제품들이 모두 이러한 기술들을 기반으로 한다.

이번 포스트엔 적외선 영상을 소개할까 한다. 이젠 더이상 전문가들의 전유물이 아닌 것이 되어버려서 아는 사람은 다 아는 것이다. 하지만 필자가 보기엔 잘못 전달되는 정보도 많아서 글을 올린다.

적외선은 가시광선 대역에서 붉은색보다 파장이 긴 광선을 말한다. 적외선이 유용한 것은 우리 눈에 보이지 않는 것을 보여주기 때문이다. 모든 발열체는 적외선을 내뿜는다. 따라서 별빛조차 없는 칠흑같은 밤에도 사물을 식별할 수 있는 것이다.

영화나 뉴스 등에서 적외선 영상으로 잘못 인용되는 것이 아래의 Night Vision Goggle 영상이다.

NVG 영상은 아주 미세한 빛을 증폭해서 보여주는 것으로 적외선 영상과는 전혀 다른 것이다. NVG 영상은 빛이 전혀 없을 때는 얻을 수 없다. NVG 영상이 보통 초록색인 이유는 우리 눈에 피로를 적게 주면서 배터리 소모가 적은 장점 때문이라고 한다. 또한 NVG 영상은 가시광 대역이기 때문에 적외선보다 파장이 짧아서 영상의 해상도가 적외선 영상보다 높아 선명하게 보인다. 아주 희미한 조명이라도 있는 환경에서는 적외선 영상보다 NVG 영상이 훨씬 탁월하다. 또한 가격도 저렴한데다 소형화, 경량화할 수 있어서 Goggle 형태로 만들기가 용이하다. 하지만 이는 가까운 거리에서 그렇다는 것이고 수 km 이상 떨어진 지역을 관측할 때는 적외선 영상을 쓸 수밖에 없다.

적외선 영상의 특징은 안경알, 창문 유리같은 것을 투과하지 못한다는 것이다. 위의 영상에서 안경이 까맣게 보이는 것은 이것 때문이다. 적외선을 투과시키려면 게르마늄이나 사파이어와 같은 특수한 재질을 사용해야 한다.

영상을 얻는데 사용되는 적외선은 크게 파장에 따라 Short wave IR, Middle wave IR, Long wave IR로 구분한다. 주로 군사용으로 사용되는 적외선은 MW IR (3~5um)과 LW IR (8~12um)이다. 이는 발열체에서 발산하는 적외선이 전 파장대역에 고르게 나오지 않고 3~5um 대역과 8~12um 대역에서만 많이 나오기 때문이다.

어떤 사물이 영상으로 식별되기 위해서는 윤곽선이 보여야 한다. 너무 당연한 얘기지만 그렇다. ㅎ
가시광선 대역에서 사물의 윤곽과 색깔을 식별할 수 있는 것은 특정한 파장의 빛이 해당 사물에 반사되어 우리 눈에 들어오기 때문이다. 따라서 사용되는 빛의 파장보다 작은 물체는 분명하게 식별할 수 없다.

적외선 영상이 보이는 것은 적외선 영상센서가 사물의 온도차이를 식별할 수 있기 때문이다. 이것을 MRTD(Minimum Resolvable Temperature Difference)라고 하는데 고성능 적외선 영상장비의 경우 0.01도 정도로 매우 작다. 즉 섭씨 0.01도 차이도 식별한다는 것이다. 매우 놀라운 일이다!

아래 사진에서는 온도가 높은 물체를 희게 온도가 낮은 물체를 검게 표시하였다. 사람의 체온을 약 36도로 볼 때 배경과 확연한 차이를 보인다.

다음은 2010년 3월에 침몰한 천안함을 찍은 TOD 영상이다. TOD는 Thermal Observation Director의 약자로 적외선 카메라를 이용한 해안 감시장비이다. TOD가 비록 1세대 적외선 영상 센서를 이용하는 구식 장비이긴 하지만 천안함이 어뢰에 맞아 침몰했다면 주변 바닷물의 수온이 상승해서 확연한 차이를 보였을 것이다.

당시 국방부가 어뢰 폭발로 생긴 물기둥이 녹화된 TOD 영상을 공개하지 않아 논란이 되기도 했다. 하지만 필자의 생각으로는 적외선 영상의 특성으로 볼 때 사실 여부를 확인하는데는 물기둥까지도 필요없다는 것이다.