적외선

두 사람과 주변의 물체가 내는 원적외선을 모아 만든 이미지

적외선(Infrared, 赤外線) 혹은 넘빨강살은 전자기파 중의 하나로 가시광선보다 파장이 길고 전자레인지에 사용하는 마이크로파보다는 파장이 짧다. 일상적으로 어둠 속에서 열을 내는 물체를 가까이하면 피부로 온도를 느낄 수 있는데 이것이 바로 적외선이다.

개요

적외선은 자외선과 반대로 가시광선 영역에서 빨간색 바깥에 위치해 있기 때문에 명명되었다. 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 전달하며 이 때문에 열선이라고도 한다. 적외선은 붉은색 가시광선 영역(약 630~780nm)보다 파장이 더 길다. 적외선의 파장 범위는 0.72µm ~ 00 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. 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 있는지는 근적외선 레이저를 보면 확실하다. 적외선을 가장 간편하게 보는 방법은 폰카를 비롯한 디지털카메라를 이용하는 것이다.

분류

• 근적외선(Near-infrared) : 파장 0.75~1.4 µm, 주파수 214~400THz, 온도 1800~3600°C. 광섬유 성분인 이산화규소에 잘 흡수되지 않아 광섬유 통신에 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 파장 대역은 항공기와 미사일의 배기가스에서 많이 나오며 고속비행 중 마찰 열기에 의해서도 생성된다. 덕분에 이 파장 대역을 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 비행 중 공기 마찰에 의해 열이 나는데 이때 이 장파장 적외선 대역의 적외선이 가장 많이 방출되기 때문이다.
• 원적외선(Far-Infrared) : 파장 15~1000µm, 주파수 0.3~20THz, 온도 -270~-80°C. 게르마늄과 엮어서 건강에 좋다고 광고에 쓰이는 적외선으로 레이저 형태가 아닌 다음에야 활용처가 거의 없다. 원적외선은 게르마늄이 발산하는 것보다 태양에서 쏟아지는 양이 비교도 안될 만큼 많다.

적외선 파장

 

최초의 발견

역사적으로 적외선의 존재가 처음 입증된 것은 1800년 독일 출신의 영국 천체학자인 윌리엄 허셜에 의해서였다. 허셜은 스펙트럼으로부터 분리되는 색깔들의 온도를 측정하기 위하여 각 색깔들에 수은온도계를 설치하여 온도를 측정했는데 우연히 빛이 보이지 않는 부분에서도 온도가 상승하는 것을 발견했다. 이는 열기가 눈에 보이지 않는 빛의 상태로도 전달된다는 사실을 발견한 최초의 실험이었다.

용도

강아지 적외선 온도 이미지

한반도 적외선 열영상

적외선 위성사진

적외선 온도계

야간 관측

적외선은 열영상을 얻는 데 사용된다. 생물체나 엔진, 천체 등 발열이 있는 것은 무엇이든 적외선을 방출하므로 이것을 영상화하면 깜깜한 밤에도 사람이나 장비를 관측할 수 있다. 적외선 관측 장비나 센서는 자체의 온도가 낮아야 당연히 피사체의 적외선을 잘 감지할 수 있으므로 자체의 냉각이 매우 중요하다. 대표적으로 AIM-9과 같은 적외선 감지 미사일이나 적외선 망원경 등 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.

온도 측정

열과 밀접한 관련이 있으므로 적외선을 쏘아 물체를 가열하는 데 쓰이기도 하고 반대로 물체가 내는 적외선을 분석하여 온도 측정이나 열 흐름의 측정에도 쓰인다. 가시광선이 아니므로 색이 있을 수 없지만 구별하기 쉽도록 온도가 높으면 노랑, 낮으면 파랑, 검정으로 색을 입힌다. 변위법칙에 의해서 인체(309.5K)가 복사하는 전자기파는 9µm 정도의 적외선 영역에서 가장 많이 방출된다. 여기서 주의할 것은 9µm 영역 정도의 적외선만 방출하는 게 아니라는 사실이다. 흑체 복사는 모든 영역의 파장에서 이뤄질 수 있다. 다만 9µm 영역 정도에서 가장 많은 전자기파가 방출된다.

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 활용된다.

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 리모콘에 쓰이는 기능으로 인식하는데 과거 2000년대 상당수의 노트북에 이 기능이 있었다. 검고 투명해 보이는 네모난 플라스틱 쪼가리가 있으면 십중팔구 적외선 포트다. 노트북뿐만 아니라 예전 핸드폰에도 이 기능이 흔히 들어 있었다. 2010년대 들어 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 등 앱으로 리모콘 신호를 흉내 내어 TV나 에어컨 등 기기를 제어하는 것이 가능하다. 사실 핸드폰 이전 스마트폰의 전신이라 할 수 있는 PDA 때부터 장착되기 시작하였으며 처음에는 연락처를 전송하는 용도로 사용되다가 후에는 앱 전송, 무선 동기화, 게임 멀티플레이어, TV 리모콘, 무선 키보드 연결 용도로 사용할 수 있었다.

분광분석법

분광분석법(Infrared Spectroscopy)은 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 푸리에 변환 적외선 분광학(Fourier Transformed Infrared Spectroscopy, FT-IR)이 대부분이며 그냥 IR이라고 불러도 통한다. IR을 찍으면 각 물질마다 서로 다른 특이한 흡수 그래프를 나타내므로 물질의 정체를 밝혀내는데 유용하다.

군사

야간투시경과 함께 개인화기에 추가로 장착하는 레이저 포인터와 전술 조명에 사용된다. 일반적인 가시광선 영역의 레이저나 조명을 사용하면 불빛 때문에 적에게 나 여기 있다는 뜻이 되므로 야간투시경에만 보이는 적외선을 사용하는 것이다. 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 유도탄이라고 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 반경 내에 화재를 포함해서 초목, 건물, 인체 등에 강력한 열피해를 줄 수 있다.

의료

물리치료 분야의 대표적인 온열자극형 치료기법이 있으며 표피 내부의 깊은 곳까지 열을 전달하여 혈액순환을 돕고 세포재생을 촉진하며 병원균 저항력을 키우는 원리이다. 흔히 적외선 조사기라고 불리는 붉은 불빛이 나오는 스탠드가 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 마치 헤어드라이어처럼 생겼으며 직접 손으로 들고 코나 귀에다 대고 있어야 한다. 오랫동안 쬐고 있으면 은은한 열감이 느껴지며 과용을 막기 위해 타이머가 장착되어 있는 경우가 많다. 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.

보안 및 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. 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 소형화되어 있다. 30cm까지 측정하는데 어디에 쓰이냐면 바로 요즘 휴대 전화에 필수로 들어간다. 요즘 핸드폰은 통화 중에 폰을 얼굴에 갖다 대면 자동으로 화면이 꺼지는 것을 알 수 있는데 바로 이 센서가 쓰인다. 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.

참고자료

• 〈적외선〉, 《위키백과》
• 〈적외선〉, 《나무위키》
• 〈적외선〉, 《네이버 지식백과》
• "Infrared", Wikipedia

같이 보기

• 가시광선
• 자외선

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