적외선

적외선(赤外線, 영어: infrared, infrared radiation, infrared light) 또는 넘빨강살은 가시광선보다 파장이 길지만 마이크로파보다는 짧은 전자기파(EMR)이다. 적외선 스펙트럼 대역은 빨강 빛(가시 스펙트럼에서 가장 긴 파장)보다 약간 더 긴 파장에서 시작하므로 적외선은 사람의 눈에 보이지 않는다. 적외선은 일반적으로 (ISO, CIE에 따르면) 약 780 nm (380 THz)에서 1 mm (300 GHz)까지의 파장을 포함하는 것으로 이해된다.^[1][2] 적외선은 일반적으로 지상원에서 방출되는 장파장 열 적외선과 단파장 적외선 또는 근적외선(부분적으로 태양 스펙트럼의 일부)으로 나뉜다.^[3] 더 긴 적외선 파장(30–100 μm)은 때때로 테라헤르츠파 대역의 일부로 포함된다.^[4] 거의 모든 실온 근처 물체의 흑체 방사는 적외선 대역에 있다. 전자기파의 한 형태로서 적외선은 에너지와 운동량을 전달하고, 복사압을 가하며, 파동과 입자인 광자의 특성을 모두 갖는다.^[5]

장파장 적외선(체온 열) 복사로 촬영된 두 사람의 가색상 이미지

불은 보이지 않는 열을 방출한다는 것이 오랫동안 알려져 있었는데, 1681년 선구적인 실험가 에드메 마리오트는 유리가 햇빛에는 투명하지만 복사열은 차단한다는 것을 보여주었다.^[6][7] 1800년 천문학자 윌리엄 허셜 경은 온도계에 미치는 영향을 통해 적외선 복사가 빨강 빛보다 에너지가 낮은 스펙트럼의 보이지 않는 복사 유형임을 발견했다.^[8] 허셜의 연구를 통해 태양 에너지의 절반 이상이 적외선 형태로 지구에 도달한다는 사실이 밝혀졌다. 흡수 및 방출되는 적외선 복사 사이의 균형은 지구의 기후에 중요한 영향을 미친다.

적외선 복사는 분자가 회전-진동 운동을 변경할 때 방출되거나 흡수된다. 이는 쌍극자 모멘트의 변화를 통해 분자 내의 진동 모드를 여기시켜, 적절한 대칭을 가진 분자의 이러한 에너지 상태를 연구하는 데 유용한 주파수 범위를 만든다. 적외선 분광법은 적외선 범위에서 광자의 흡수 및 투과를 조사한다.^[9]

적외선 복사는 산업, 과학, 군사, 상업 및 의료 분야에 사용된다. 활성 근적외선 조명을 사용하는 야간 시력 장치는 관찰자가 탐지되지 않고 사람이나 동물을 관찰할 수 있도록 한다. 적외선천문학은 센서가 장착된 망원경을 사용하여 분자운과 같은 먼지 많은 우주 영역을 투과하고, 행성과 같은 물체를 탐지하며, 우주 초기의 고도로 적색편이된 물체를 관찰한다.^[10] 적외선 열화상 카메라는 절연 시스템의 열 손실을 감지하고, 피부의 혈류 변화를 관찰하고, 소방을 지원하고, 전기 부품의 과열을 감지하는 데 사용된다.^[11] 군사 및 민간 응용 분야에는 표적 획득, 감시, 야간 시력, 호밍, 추적이 포함된다. 정상 체온의 인간은 주로 10 μm 정도의 파장에서 복사한다. 비군사적 용도로는 열효율 분석, 환경 모니터링, 산업 시설 검사, 불법 재배 감지, 원격 온도 감지, 단거리 무선 통신, 분광학, 일기예보 등이 있다.

정의 및 전자기 스펙트럼과의 관계

적외선 복사의 범위에 대한 보편적으로 받아들여지는 정의는 없다. 일반적으로 780 nm의 가시 스펙트럼의 공칭 빨강 가장자리에서 1 mm까지 확장되는 것으로 간주된다. 이 파장 범위는 약 430 THz에서 300 GHz까지의 진동수 범위에 해당한다. 적외선 너머에는 전자기 스펙트럼의 마이크로파 부분이 있다. 점점 더 많은 경우, 테라헤르츠파는 적외선이 아닌 마이크로파 대역의 일부로 간주되어 적외선 대역 가장자리가 0.1 mm (3 THz)로 이동하고 있다.

전자기 스펙트럼에서의 위치^[12]

이름	파장	진동수 (Hz)	광자 에너지 (eV)
감마선	10 pm 미만	30 EHz 초과	124 keV 초과
엑스선	10 pm – 10 nm	30 PHz – 30 EHz	124 keV – 124 eV
자외선	10 nm – 400 nm	750 THz – 30 PHz	124 eV – 3.3 eV
가시광	400 nm – 700 nm	430 THz – 750 THz	3.3 eV – 1.7 eV
적외선	700 nm – 1 mm	300 GHz – 430 THz	1.7 eV – 1.24 meV
마이크로파	1 mm – 1 미터	300 MHz – 300 GHz	1.24 meV – 1.24 μeV
라디오파	1 미터 이상	300 MHz 이하	1.24 μeV 이하

본성

유효 온도 5,780 K (5,510 °C, 9,940 °F)인 햇빛은 절반 이상이 적외선인 거의 열 스펙트럼 복사로 구성된다. 천정에서 햇빛은 해수면에서 제곱미터당 1 kW를 약간 넘는 복사조도를 제공한다. 이 에너지 중 527 W는 적외선 복사이고, 445 W는 가시광선이며, 32 W는 자외선 복사이다.^[13] 햇빛의 거의 모든 적외선 복사는 4 μm보다 짧은 근적외선이다.

지구 표면에서는 태양 표면보다 훨씬 낮은 온도에서 일부 열복사가 햇빛보다 훨씬 긴 중적외선 영역의 적외선으로 구성된다. 흑체 또는 열 복사는 연속적이다. 모든 파장에서 복사한다. 이러한 자연적인 열 복사 과정 중에서 번개와 자연적인 불만이 많은 가시 에너지를 생산할 만큼 충분히 뜨겁고, 불은 가시광선 에너지보다 훨씬 많은 적외선을 생산한다.^[14]

영역

일반적으로 물체는 파장 스펙트럼에 걸쳐 적외선 복사를 방출하지만, 센서가 일반적으로 특정 대역폭 내에서만 복사를 수집하기 때문에 스펙트럼의 제한된 영역만 관심 대상이 되는 경우가 있다. 열 적외선 복사도 최대 방출 파장을 가지며, 이는 빈 변위 법칙에 따라 물체의 절대 온도에 반비례한다. 적외선 대역은 종종 더 작은 섹션으로 세분화되지만, 적외선 스펙트럼이 세분화되는 방식은 적외선이 사용되는 다양한 분야에 따라 다르다.

가시 한계

적외선 복사는 일반적으로 사람의 눈에 보이는 파장보다 긴 파장에서 시작되는 것으로 간주된다. 눈의 감도는 약 700 nm를 초과하는 파장에 대해 급격하지만 부드럽게 감소하므로, 보이는 것에 대한 엄격한 파장 한계는 없다. 따라서 그보다 약간 긴 파장은 충분히 밝으면 보일 수 있지만, 일반적인 정의에 따르면 여전히 적외선으로 분류될 수 있다. 따라서 근적외선 레이저에서 나오는 빛은 희미한 빨강색으로 보일 수 있으며, 실제로 많은 양의 에너지를 운반할 수 있으므로 위험할 수 있다. 펄스 레이저에서 나오는 1,050 nm까지의 적외선도 특정 조건에서 사람에게 보일 수 있다.^[15][16][17]

일반적으로 사용되는 세분화 방식

일반적으로 사용되는 세분화 방식은 다음과 같다:^[18][19][20]

구분명	약어	파장	주파수	광자 에너지	온도[a]	특성
근적외선	NIR, IR-A DIN	0.75–1.4 μm	214–400 THz	886–1,653 meV	3,864–2,070 K (3,591–1,797 °C)	첫 번째 물 흡수 대역의 파장까지 확장되며, SiO2 유리(실리카) 매체에서 낮은 감쇠 손실 때문에 광섬유 통신에 일반적으로 사용된다. 이미지 증강장치는 이 스펙트럼 영역에 민감하며, 야간 투시경과 같은 야간 시력 장치가 그 예이다. 근적외선 분광법은 또 다른 일반적인 응용 분야이다.
단파장 적외선	SWIR, IR-B DIN	1.4–3 μm	100–214 THz	413–886 meV	2,070–966 K (1,797–693 °C)	1,450 nm에서 물 흡수가 크게 증가한다. 1,530 ~ 1,560 nm 범위는 장거리 통신을 위한 지배적인 스펙트럼 영역이다(전송 창 참조).
중파장 적외선	MWIR, IR-C DIN; MidIR.[22] 중간 적외선 (IIR)이라고도 함	3–8 μm	37–100 THz	155–413 meV	966–362 K (693–89 °C)	유도 미사일 기술에서 이 대역의 3–5 μm 부분은 수동 IR '열추적' 미사일의 탐색기가 작동하도록 설계된 대기 창이며, 일반적으로 제트 엔진 배기 가스 기둥인 표적 항공기의 적외선 신호를 추적한다. 이 영역은 열 적외선으로도 알려져 있다.
장파장 적외선	LWIR, IR-C DIN	8–15 μm	20–37 THz	83–155 meV	362–193 K (89 – −80 °C)	'열화상' 영역으로, 센서가 실온보다 약간 높은 온도의 물체(예: 인체)의 완전 수동 이미지를 열 방출만을 기반으로 얻을 수 있으며, 태양, 달 또는 적외선 조명과 같은 조명이 필요 없다. 이 영역은 '열 적외선'이라고도 불린다.
원적외선	FIR	15–1,000 μm	0.3–20 THz	1.2–83 meV	193–3 K (−80.15 – −270.15 °C)	(원적외선 레이저 및 원적외선도 참조)

NIR과 SWIR은 때때로 "반사 적외선"이라고 불리는 반면, MWIR과 LWIR은 때때로 "열 적외선"이라고 불린다.

CIE 분할 방식

국제 조명 위원회(CIE)는 적외선 복사를 다음 세 가지 대역으로 나누는 것을 권장했다.^[23][24]

약어	파장	주파수
IR-A	780–1400 nm	215–384 THz
IR-B	1400–3000 nm	100–215 THz
IR-C	3–1000 µm	0.3–100 THz

ISO 20473 방식

ISO 20473은 다음 방식을 명시한다.^[25]

명칭	약어	파장
근적외선	NIR	0.78–3 μm
중적외선	MIR	3–50 μm
원적외선	FIR	50–1,000 μm

천문학적 구분 방식

천문학자들은 일반적으로 적외선 스펙트럼을 다음과 같이 나눈다.^[26]

명칭	약어	파장
근적외선	NIR	0.7–2.5 µm
중적외선	MIR	3–25 µm
원적외선	FIR	25 µm 초과

이러한 구분은 정확하지 않으며 출판물에 따라 다를 수 있다. 세 가지 영역은 서로 다른 온도 범위^[27]와 따라서 우주의 서로 다른 환경을 관찰하는 데 사용된다.

천문학에서 사용되는 가장 일반적인 측광 시스템은 사용되는 필터에 따라 서로 다른 스펙트럼 영역에 대문자 문자를 할당한다. I, J, H, K는 근적외선 파장을 포함하고, L, M, N, Q는 중적외선 영역을 나타낸다. 이러한 문자는 적외선 창과 관련하여 일반적으로 이해되며, 예를 들어 많은 학술 논문의 제목에 나타난다.

센서 응답 구분 방식

적외선 영역 일부의 대기 투과율 플롯

세 번째 방식은 다양한 감지기의 응답을 기반으로 대역을 나눈다.^[28]

• 근적외선: 0.7~1.0 μm (인간의 눈의 대략적인 반응 끝에서 실리콘의 반응 끝까지).
• 단파장 적외선: 1.0~3 μm (실리콘의 차단점에서 MWIR 대기 창의 차단점까지). InGaAs는 약 1.8 μm까지 커버하며, 덜 민감한 납염은 이 영역을 커버한다. 극저온 냉각 MCT 감지기는 1.0–2.5 μm 영역을 커버할 수 있다.
• 중파장 적외선: 3~5 μm (대기 창에 의해 정의되며 인듐 안티몬화물, InSb 및 수은 카드뮴 텔루라이드, HgCdTe, 부분적으로 셀레늄화 납, PbSe에 의해 커버됨).
• 장파장 적외선: 8~12 또는 7~14 μm (HgCdTe 및 마이크로볼로미터에 의해 커버되는 대기 창).
• 초장파장 적외선 (VLWIR) (12~약 30 μm, 도핑된 실리콘에 의해 커버됨).

근적외선은 인간의 눈으로 감지할 수 있는 복사와 파장이 가장 가까운 영역이다. 중적외선과 원적외선은 가시 스펙트럼에서 점점 더 멀어진다. 다른 정의는 다른 물리적 메커니즘(방출 피크 대 대역, 물 흡수)을 따르며, 최신 정의는 기술적 이유(일반적인 실리콘 감지기는 약 1,050 nm까지 민감하지만, InGaAs의 감도는 약 950 nm에서 시작하여 특정 구성에 따라 1,700~2,600 nm 사이에서 끝난다)를 따른다. 현재 이러한 사양에 대한 국제 표준은 없다.

적외선의 시작은 (다른 표준에 따라) 일반적으로 700 nm와 800 nm 사이의 다양한 값으로 정의되지만, 가시광선과 적외선 사이의 경계는 정확하게 정의되어 있지 않다. 인간의 눈은 700 nm 이상의 파장에 대한 감도가 현저히 낮으므로, 더 긴 파장은 일반적인 광원으로 조명된 장면에 미미한 영향을 미 미친다. 특히 강렬한 근적외선(예: 레이저, LED 또는 가시광선 필터링된 밝은 주광)은 약 780 nm까지 감지될 수 있으며, 빨간색 빛으로 인식될 것이다. 1,050 nm까지의 파장을 제공하는 강렬한 광원은 희미한 빨간색 빛으로 보일 수 있어, 어둠 속에서 장면을 근적외선으로 조명하는 데 약간의 어려움을 초래한다(일반적으로 이 실용적인 문제는 간접 조명으로 해결된다). 잎은 근적외선에서 특히 밝으며, 적외선 필터를 통해 새어 나오는 모든 가시광선을 차단하고 눈이 시각적으로 불투명한 적외선 투과 사진 필터를 통해 들어오는 극히 희미한 이미지에 적응할 시간을 주면 적외선 발광 잎으로 구성된 우드 효과를 볼 수 있다.^[29]

통신 대역

광 통신에서 사용되는 적외선 스펙트럼 부분은 광원, 전송/흡수 물질(섬유) 및 감지기의 가용성을 기준으로 7개의 대역으로 나뉜다.^[30]

대역	설명	파장 범위
O 밴드	Original	1,260–1,360 nm
E 밴드	Extended	1,360–1,460 nm
S 밴드	Short wavelength	1,460–1,530 nm
C 밴드	Conventional	1,530–1,565 nm
L 밴드	Long wavelength	1,565–1,625 nm
U 밴드	Ultralong wavelength	1,625–1,675 nm

C 대역은 장거리 통신 네트워크에서 지배적인 대역이다. S 대역과 L 대역은 덜 확립된 기술을 기반으로 하며, 널리 배포되지 않는다.

열

 이 부분의 본문은 열복사입니다.

방사율이 높을수록 주변의 다른 온도에서 더 많은 것을 반사하는 재료보다 실제 온도에 가깝게 나타난다. 이 열화상 이미지에서, 더 차가운 주변을 반사하는 반사율이 높은 세라믹 실린더는 큐브형 용기(더 방사성이 높은 탄화규소로 만들어짐)보다 차갑게 보이지만, 실제로는 같은 온도를 가진다.

적외선 복사는 일반적으로 "열 복사"로 알려져 있지만,^[31] 어떤 주파수의 빛과 전자기파도 흡수하는 표면을 가열한다. 태양으로부터 오는 적외선은 지구 가열의 49%를 차지하며,^[32] 나머지는 가시광선이 흡수된 후 더 긴 파장으로 재방출되어 발생한다. 가시광선 또는 자외선을 방출하는 레이저는 종이를 태울 수 있고, 백열 상태의 뜨거운 물체는 가시 복사를 방출한다. 실온의 물체는 주로 8~25 μm 대역에 집중된 복사를 방출하지만, 이는 백열 물체의 가시광선 방출이나 훨씬 뜨거운 물체의 자외선 방출과 다르지 않다(흑체 및 빈 변위 법칙 참조).^[33]

열은 온도 차이로 인해 흐르는 이동 중인 에너지이다. 열전도 또는 열대류에 의해 전달되는 열과 달리, 열복사는 진공을 통해 전파될 수 있다. 열 복사는 주어진 온도에서 분자의 진동으로 인해 물체에서 방출되는 것과 관련된 여러 파장의 특정 스펙트럼으로 특징지어진다. 열 복사는 어떤 파장에서도 물체에서 방출될 수 있으며, 매우 높은 온도에서는 이러한 복사가 적외선을 훨씬 넘어 가시, 자외선, 심지어 X선 영역(예: 태양 코로나)까지 확장되는 스펙트럼과 관련된다. 따라서 적외선 복사를 열 복사와 연관시키는 일반적인 개념은 지구 표면 근처에서 흔히 발견되는 일반적인(상대적으로 낮은) 온도에 기반한 우연의 일치일 뿐이다.

방사율의 개념은 물체의 적외선 방출을 이해하는 데 중요하다. 이는 표면의 열 방출이 흑체의 이상으로부터 얼마나 벗어나는지를 설명하는 표면의 특성이다. 더 자세히 설명하면, 동일한 물리적 온도의 두 물체가 방사율이 다르다면 동일한 적외선 이미지를 나타내지 않을 수 있다. 예를 들어, 어떤 미리 설정된 방사율 값에 대해, 방사율이 높은 물체는 더 뜨겁게 보이고, 방사율이 낮은 물체는 더 차갑게 보일 것이다(주변 환경이 보이는 물체보다 차갑다고 가정할 경우, 이는 종종 그렇다). 물체가 완벽한 방사율을 가지지 못할 때, 반사율 및 투명성 특성을 얻게 되므로 주변 환경의 온도가 부분적으로 물체에 의해 반사 및 투과된다. 물체가 더 뜨거운 환경에 있다면, 동일한 온도에서 방사율이 낮은 물체가 더 방사율이 높은 물체보다 더 뜨겁게 보일 가능성이 높다. 이러한 이유로, 적외선 카메라 및 고온계를 사용할 때 방사율을 잘못 선택하고 환경 온도를 고려하지 않으면 부정확한 결과가 나올 수 있다.

응용 분야

야간 시력

 이 부분의 본문은 야간 시력입니다.

능동 적외선 야간 시력: 카메라는 인간의 눈에 보이지 않는 적외선 파장에서 장면을 비춘다. 어두운 역광 장면에도 불구하고, 능동 적외선 야간 시력은 디스플레이 모니터에서 볼 수 있듯이 식별 가능한 세부 정보를 제공한다.

적외선은 볼 수 있는 가시광선이 부족할 때 야간 투시 장비에 사용된다.^[34] 야간 투시경은 주변 광자 빛을 전자로 변환한 다음 화학 및 전기 공정을 통해 증폭하고 다시 가시광선으로 변환하는 과정을 통해 작동한다.^[34] 적외선 광원은 야간 투시 장치에 의해 변환될 수 있는 가용 주변 광을 보강하여 실제 가시 광원 없이도 어둠 속 가시성을 높이는 데 사용될 수 있다.^[34][1]

적외선 및 야간 시력 장치의 사용은 물체와 주변 환경에서 방출되는 적외선 복사(열)를 감지하여 표면 온도 차이를 기반으로 이미지를 생성하는 열화상과 혼동해서는 안 된다.^[35][8]

열화상

우주왕복선 내열 시스템의 재진입 중 온도 프로파일을 결정하는 데 열화상이 도움이 되었다.

 이 부분의 본문은 열화상입니다.

적외선 복사는 물체의 온도를 원격으로 결정하는 데 사용될 수 있다(방사율이 알려져 있는 경우). 이를 열화상이라고 하며, NIR 또는 가시광선에서 매우 뜨거운 물체의 경우 고온계라고 한다. 열화상(열 영상)은 주로 군사 및 산업 응용 분야에서 사용되지만, 생산 비용이 크게 절감되면서 자동차의 적외선 카메라 형태로 일반 시장에 진출하고 있다.

열화상 카메라는 전자기 스펙트럼의 적외선 범위(대략 9,000–14,000 nm 또는 9–14 μm)에서 복사를 감지하고 해당 복사의 이미지를 생성한다. 흑체 복사 법칙에 따라 모든 물체는 온도에 따라 적외선 복사를 방출하므로, 열화상은 가시 조명 유무에 관계없이 환경을 "볼" 수 있게 한다. 물체에서 방출되는 복사의 양은 온도에 따라 증가하므로, 열화상은 온도 변화를 볼 수 있게 한다(따라서 이름).

초분광 영상

 이 부분의 본문은 초분광 영상입니다.

리모컨의 LED에서 나오는 적외선이 디지털 카메라에 기록된 모습

초분광 이미지는 각 픽셀에서 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 연속적인 스펙트럼을 포함하는 "사진"이다. 초분광 이미징은 특히 NIR, SWIR, MWIR 및 LWIR 스펙트럼 영역에서 응용 분광학 분야에서 중요성이 커지고 있다. 일반적인 응용 분야로는 생물학적, 광물학적, 방어 및 산업 측정 등이 있다.

열 적외선 초분광 이미징은 열화상 카메라를 사용하여 유사하게 수행될 수 있으며, 근본적인 차이점은 각 픽셀이 전체 LWIR 스펙트럼을 포함한다는 점이다. 결과적으로, 태양이나 달과 같은 외부 광원 없이도 물체의 화학적 식별을 수행할 수 있다. 이러한 카메라는 일반적으로 지질 측정, 야외 감시 및 UAV 응용 분야에 적용된다.^[36]

기타 이미징

빛의 파장이 변함에 따른 모습을 보여주기 위해 다양한 적외선 스펙트럼으로 반사된 빛 사진

적외선 사진술에서는 적외선 필터를 사용하여 근적외선 스펙트럼을 포착한다. 디지털 카메라는 종종 적외선 차단기를 사용한다. 저렴한 디지털 카메라와 카메라폰은 필터 효과가 덜하여 강렬한 근적외선을 밝은 보라색-흰색으로 볼 수 있다. 이는 특히 IR이 밝은 영역(예: 램프 근처) 근처에서 피사체 사진을 찍을 때 두드러지며, 이로 인한 적외선 간섭이 이미지를 흐리게 할 수 있다. 또한 원적외선 또는 테라헤르츠파를 사용하는 이미징인 'T-레이' 이미징이라는 기술도 있다. 밝은 광원이 부족하면 테라헤츠 사진술이 대부분의 다른 적외선 이미징 기술보다 더 어려울 수 있다. 최근에는 테라헤르츠 시간 영역 분광법과 같은 여러 가지 새로운 개발로 인해 T-레이 이미징에 대한 관심이 크게 증가하고 있다.

추적

FIM-92 맨패즈의 IR 탐색기 헤드

 이 부분의 본문은 적외선 유도입니다.

적외선 추적은 적외선 유도라고도 불리며, 스펙트럼의 적외선 부분에서 표적의 전자기 복사 발광을 사용하여 추적하는 수동 유도 시스템을 의미한다. 적외선 탐색을 사용하는 미사일은 종종 "열 추적기"라고 불리는데, 이는 적외선(IR)이 주파수에서 가시 스펙트럼 바로 아래에 있으며 뜨거운 물체에서 강하게 방출되기 때문이다. 사람, 차량 엔진, 항공기와 같은 많은 물체는 열을 발생시키고 유지하며, 따라서 배경의 물체에 비해 적외선 파장에서 특히 잘 보인다.^[37]

가열

 이 부분의 본문은 적외선 가열입니다.

미용실용 적외선 헤어 드라이어,  2010년대c.

적외선 복사는 의도적인 열원으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 적외선 사우나에서 사용자들을 가열하는 데 사용된다. 또한 항공기 날개의 얼음을 제거하는(제빙) 것과 같은 다른 가열 응용 분야에도 사용될 수 있다.^[38]

적외선 가열은 코팅 경화, 플라스틱 성형, 어닐링, 플라스틱 용접, 인쇄 건조 등 산업 제조 공정에서도 점점 더 인기를 얻고 있다. 이러한 응용 분야에서 적외선 히터는 대류 오븐과 접촉 가열을 대체한다.

냉각

 이 부분의 본문은 수동 주간 복사 냉각입니다.

다양한 기술 또는 제안된 기술은 적외선 방출을 활용하여 건물이나 기타 시스템을 냉각한다. LWIR (8–15 μm) 영역은 특히 유용한데, 이 파장의 일부 복사가 대기의 적외선 창을 통해 우주로 빠져나갈 수 있기 때문이다. 이것이 수동 주간 복사 냉각 (PDRC) 표면이 직접적인 태양 복사 강도 하에서 주변 온도보다 낮은 냉각 온도를 달성하여, 에너지 소비나 오염 없이 지구의 열전달을 외우주로 증가시킬 수 있는 방법이다.^[39][40] PDRC 표면은 단파장 태양 반사율을 최대화하여 열 복사 열전달을 강하게 유지하면서 열 흡수를 최소화한다.^[41][42] 전 세계적 규모로 상상할 때, 이 냉각 방법은 지구 온난화를 늦추고 심지어 역전시키는 방법으로 제안되었으며, 일부 추정치는 전 세계 열 흐름의 균형을 맞추기 위해 지구 표면 면적의 1~2%를 덮을 것을 제안한다.^[43][44]

통신

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IR 데이터 전송은 컴퓨터 주변 장치 및 개인 정보 단말기 간의 단거리 통신에도 사용된다. 이러한 장치는 일반적으로 Infrared Data Association(IrDA)에서 발표한 표준을 준수한다. 리모컨 및 IrDA 장치는 적외선 LED를 사용하여 적외선을 방출하며, 이는 렌즈에 의해 사용자가 감지기를 조준하는 빔으로 집중될 수 있다. 빔은 수신기가 해석하는 코드에 따라 변조된다. 일반적으로 실용적인 이유로 매우 근적외선(800 nm 미만)이 사용된다. 이 파장은 저렴한 실리콘 광다이오드에 의해 효율적으로 감지되며, 수신기는 이를 사용하여 감지된 복사를 전류로 변환한다. 이 전기 신호는 IR 송신기에서 오는 빠른 펄스를 유지하지만 주변 광의 느리게 변하는 적외선 복사를 필터링하는 하이패스 필터를 통과한다. 적외선 통신은 인구 밀도가 높은 지역의 실내 사용에 유용하다. IR은 벽을 통과하지 않으므로 인접한 방의 다른 장치와 간섭하지 않는다. 적외선은 리모컨이 가전제품을 제어하는 가장 일반적인 방법이다. RC-5, SIRC와 같은 적외선 리모컨 프로토콜은 적외선 통신에 사용된다.

적외선 레이저를 사용하는 자유 공간 광 통신은 방사선 손상을 제외하고는 광섬유 케이블을 매설하는 비용에 비해 도시 지역에서 최대 4기가비트/초로 작동하는 통신 링크를 설치하는 상대적으로 저렴한 방법이 될 수 있다. "눈은 IR을 감지할 수 없으므로, 손상을 방지하거나 줄이는 데 도움이 되는 눈을 깜빡이거나 감는 일이 일어나지 않을 수 있다."^[45]

적외선 레이저는 광섬유 통신 시스템에 빛을 공급하는 데 사용된다. 1,330 nm (가장 적은 분산) 또는 1,550 nm (가장 좋은 전송) 주변의 파장은 표준 실리카 섬유에 가장 적합한 선택이다.

인쇄된 표지판의 오디오 버전을 IR 데이터 전송하는 것은 원격 적외선 가청 표지판 프로젝트를 통해 시각 장애인을 위한 보조 도구로 연구되고 있다. IR 데이터를 한 장치에서 다른 장치로 전송하는 것을 때때로 비밍이라고 한다.

IR은 때때로 오디오 유도 루프의 대안으로 보조 오디오에 사용된다.

분광학

적외선 진동 분광법 (또한 근적외선 분광법 참조)은 구성 결합 분석을 통해 분자를 식별하는 데 사용될 수 있는 기술이다. 분자 내의 각 화학 결합은 해당 결합의 특성적인 진동수에서 진동한다. 분자 내의 원자 그룹(예: CH₂)은 그룹 전체의 늘어남 및 굽힘 운동으로 인해 여러 가지 진동 모드를 가질 수 있다. 진동이 분자의 쌍극자 변화를 유발하면 동일한 진동수를 가진 광자를 흡수한다. 대부분의 분자의 진동 진동수는 적외선 진동수와 일치한다. 일반적으로 이 기술은 중적외선인 4,000–400 cm⁻¹ 범위의 빛 복사를 사용하여 유기 화합물을 연구하는 데 사용된다. 샘플에서 흡수되는 모든 진동수의 스펙트럼이 기록된다. 이는 존재하는 화학 그룹 및 순도(예: 습한 샘플은 3200 cm⁻¹ 근처에서 넓은 O-H 흡수를 나타냄) 측면에서 샘플 구성에 대한 정보를 얻는 데 사용될 수 있다. 이 응용 분야에서 복사를 표현하는 단위인 cm⁻¹는 분광학적 파수이다. 이는 진동수를 진공에서의 빛의 속도로 나눈 값이다.

박막 측정

반도체 산업에서 적외선은 박막 및 주기적인 트렌치 구조와 같은 재료를 특성화하는 데 사용될 수 있다. 반도체 웨이퍼 표면에서 빛의 반사율을 측정하여 포루히-블루머 분산 방정식을 통해 굴절률(n)과 소광 계수(k)를 결정할 수 있다. 적외선 빛의 반사율은 또한 고종횡비 트렌치 구조의 임계 치수, 깊이 및 측벽 각도를 결정하는 데 사용될 수 있다.

기상학

미국 그레이트플레인스 상공의 적란운 IR 위성 사진

스캐닝 방사계가 장착된 기상 위성은 열 또는 적외선 이미지를 생성하며, 훈련된 분석가는 이를 통해 구름의 높이와 유형을 결정하고, 육상 및 해수면 온도를 계산하며, 해양 표면 특징을 찾을 수 있다. 스캐닝은 일반적으로 10.3–12.5 μm (IR4 및 IR5 채널) 범위에서 이루어진다.

사이클론이나 적란운과 같이 높고 차가운 구름 꼭대기는 종종 빨강색 또는 검정색으로 표시되고, 층운이나 성층적운과 같이 낮고 따뜻한 구름은 파랑색 또는 회색으로 표시되며, 중간 구름은 그에 따라 음영 처리된다. 뜨거운 육지 표면은 짙은 회색 또는 검정색으로 표시된다. 적외선 이미지의 한 가지 단점은 층운이나 안개와 같은 낮은 구름이 주변 육지 또는 해수면과 유사한 온도를 가질 수 있어 잘 나타나지 않는다는 점이다. 그러나 IR4 채널(10.3–11.5 μm)과 근적외선 채널(1.58–1.64 μm)의 밝기 차이를 사용하여 낮은 구름을 구별할 수 있으며, 안개 위성 사진을 생성할 수 있다. 적외선의 주요 장점은 야간에도 이미지를 생성할 수 있어 연속적인 날씨 변화를 연구할 수 있다는 점이다.

이러한 적외선 사진은 해양의 와류나 소용돌이를 묘사하고 걸프 스트림과 같은 해류를 지도화할 수 있으며, 이는 해운 산업에 유용하다. 어부와 농부들은 작물을 서리로부터 보호하거나 바다에서 어획량을 늘리기 위해 육상 및 해수면 온도를 아는 데 관심이 있다. 심지어 엘니뇨 현상도 발견할 수 있다. 컬러 디지털화 기술을 사용하여 회색 음영 열 이미지를 컬러로 변환하면 원하는 정보를 더 쉽게 식별할 수 있다.

6.40~7.08 μm의 주요 수증기 채널은 일부 기상 위성으로 촬영할 수 있으며 대기 중 수분량을 보여준다.

기후학

메탄, 물, 이산화탄소 분자가 태양열을 재방출하는 온실 효과

기후학 분야에서는 대기 적외선 복사가 지구와 대기 사이의 에너지 교환 추세를 감지하기 위해 모니터링된다. 이러한 추세는 지구 기후의 장기적인 변화에 대한 정보를 제공한다. 이는 지구 온난화 연구에서 태양 복사와 함께 연구되는 주요 매개변수 중 하나이다.

이 연구 분야에서는 피르게오미터가 연속적인 야외 측정에 활용된다. 이는 약 4.5 μm에서 50 μm 사이의 적외선 복사에 민감한 광대역 적외선 복사계이다.

천문학

 이 부분의 본문은 적외선천문학 및 원적외선 천문학입니다.

행성 화가자리 베타 b와 함께 적외선으로 촬영된 화가자리 베타. 중심에서 벗어난 연한 파랑색 점이 행성이다. 두 이미지를 결합한 것으로, 내부 원반은 3.6 μm에서 촬영되었다.

천문학자들은 전자기 스펙트럼의 적외선 부분을 광학 부품, 즉 거울, 렌즈, 고체 디지털 감지기를 사용하여 관측한다. 이러한 이유로 이는 광학 천문학의 일부로 분류된다. 이미지를 형성하기 위해 적외선 망원경의 구성 요소는 열원으로부터 신중하게 차폐되어야 하며, 감지기는 액체 헬륨을 사용하여 냉각된다.

지구 기반 적외선 망원경의 민감도는 대기 중 수증기에 의해 크게 제한되는데, 이는 선택된 적외선 창 외부의 우주에서 오는 적외선 복사의 일부를 흡수하기 때문이다. 이러한 제한은 망원경 관측소를 높은 고도에 배치하거나 풍선 또는 항공기로 망원경을 공중으로 운반함으로써 부분적으로 완화될 수 있다. 우주 망원경은 이러한 단점이 없으므로 외우주는 적외선 천문학의 이상적인 장소로 간주된다.

스펙트럼의 적외선 부분은 천문학자에게 여러 가지 유용한 이점을 제공한다. 우리 은하의 차갑고 어두운 가스 및 먼지 분자운은 내장된 별에 의해 방사될 때 복사열로 빛을 발할 것이다. 적외선은 또한 원시별이 가시광선을 방출하기 전에도 감지하는 데 사용될 수 있다. 별은 적외선 스펙트럼에서 더 적은 에너지를 방출하므로, 행성과 같은 가까운 차가운 물체를 더 쉽게 감지할 수 있다. (가시광선 스펙트럼에서는 별의 섬광이 행성에서 반사된 빛을 가릴 것이다.)

적외선은 또한 종종 가스와 먼지로 둘러싸인 활동은하핵의 핵을 관찰하는 데 유용하다. 높은 적색편이를 가진 먼 은하들은 스펙트럼의 피크 부분이 더 긴 파장으로 이동하므로 적외선에서 더 쉽게 관찰된다.^[10]

청소

적외선 청소는 일부 영화 필름 스캐너, 필름 스캐너 및 평판 스캐너에서 완성된 스캔에 미치는 먼지와 긁힘의 영향을 줄이거나 제거하는 데 사용되는 기술이다. 이는 세 가지 가시 색상 채널(빨강, 녹색, 파랑)과 동일한 위치와 해상도에서 스캔으로부터 추가 적외선 채널을 수집하여 작동한다. 적외선 채널은 다른 채널과 함께 긁힘과 먼지의 위치를 감지하는 데 사용된다. 일단 위치가 파악되면, 이러한 결함은 크기 조정 또는 인페인팅으로 대체하여 수정할 수 있다.^[46]

미술 보존 및 분석

레오나르도 다 빈치의 모나리자 적외선 반사도 사진

적외선 반사도^[47]는 그림에 적용되어 비파괴적인 방식으로 아래층을 드러낼 수 있으며, 특히 예술가의 밑그림 또는 가이드로 그려진 윤곽을 드러낼 수 있다. 미술품 복원가들은 이 기술을 사용하여 가시층의 그림이 밑그림 또는 중간층과 어떻게 다른지 검사한다(이러한 변경은 원래 예술가가 만들었을 때 펜티멘티라고 불린다). 이는 그림이 원본 예술가의 주요 버전인지 모작인지, 그리고 지나치게 열정적인 복원 작업으로 변경되었는지 여부를 결정하는 데 매우 유용한 정보이다. 일반적으로 펜티멘티가 많을수록 그림이 주요 버전일 가능성이 높다. 또한 작업 방식에 대한 유용한 통찰력을 제공한다.^[48] 반사도 사진은 종종 예술가가 사용한 카본 블랙을 드러내는데, 이는 전체 그림 아래에 바탕색으로 사용되지 않은 한 반사도 사진에서 잘 나타난다. 적외선 반사도 사진은 NIR 스펙트럼 영역에서 수정된 상업용 디지털 카메라 또는 SWIR 스펙트럼 영역의 전용 장비로 구현할 수 있다.^[49] 최근 MWIR 스펙트럼 영역으로의 반사도 사진 확장^[50][51]는 표면 재료의 미묘한 차이를 감지할 수 있음을 입증했다.

마지막으로, NIR 반사도 촬영은 스마트폰 카메라를 사용하여 좋은 결과를 얻을 수 있다.^[52]

적외선 감지 카메라 설계의 최근 발전으로 밑그림과 펜티멘티뿐만 아니라 나중에 예술가가 덧칠한 전체 그림을 발견하고 묘사할 수 있게 되었다.^[53] 주목할 만한 예로는 피카소의 다림질하는 여인과 푸른 방이 있는데, 두 경우 모두 오늘날 알려진 그림 아래에 남자의 초상화가 보이게 되었다.

적외선의 유사한 용도는 보존가와 과학자들이 다양한 유형의 물체, 특히 사해 문서, 파피리 빌라의 로마 작품, 둔황 석굴에서 발견된 실크로드 문서와 같은 매우 오래된 필사본에 사용한다.^[54] 잉크에 사용된 카본 블랙은 매우 잘 나타난다.

생물학적 시스템

 뱀의 적외선 감각 문서에 이 부분의 추가 정보가 있습니다.

쥐를 잡아먹는 뱀의 열화상 이미지

살무사아과는 머리에 한 쌍의 적외선 감각 기관을 가지고 있다. 이 생물학적 적외선 감지 시스템의 정확한 열 민감도에 대해서는 불확실성이 있다.^[55][56]

열수용 기관을 가진 다른 생물로는 비단뱀과의 뱀, 일부 왕뱀상과의 보아뱀, 일반 흡혈박쥐(Desmodus rotundus), 다양한 보석풍뎅이(Melanophila acuminata)^[57], 어두운 색소의 나비(Pachliopta aristolochiae와 Troides rhadamantus plateni), 그리고 아마도 흡혈성 곤충(Triatoma infestans)이 있다.^[58] 먹이가 방출하는 열을 감지함으로써, 살무사아과와 왕뱀상과의 뱀은 IR에 민감한 피트 기관을 사용하여 먹이를 식별하고 포획한다. 유사하게, 일반 흡혈박쥐 (Desmodus rotundus)의 IR 민감 피트 기관은 온혈동물 먹이의 혈액이 풍부한 부위를 식별하는 데 도움이 된다. 보석풍뎅이, Melanophila acuminata는 적외선 피트 기관을 통해 산불을 찾아내어 최근에 불에 탄 나무에 알을 낳는다. 어두운 색소의 나비인 Pachliopta aristolochiae와 Troides rhadamantus plateni는 날개와 더듬이에 있는 열수용체를 통해 햇볕을 쬐면서 열 손상으로부터 자신을 보호한다. 또한, 열수용체가 흡혈성 곤충(Triatoma infestans)이 몸의 열을 감지하여 온혈동물 먹이를 찾아내도록 돕는다고 추정된다.^[58]

일부 균류, 예를 들어 Venturia inaequalis는 포자 방출을 위해 근적외선 빛이 필요하다.^[59]

근적외선 시력(780~1,000 nm)은 시각 색소의 노이즈 때문에 오랫동안 불가능하다고 여겨져 왔지만,^[60] 잉어와 세 종류의 시클리드 종에서 근적외선 감각이 보고되었다.^{[60][61][62][63][64]} 물고기는 NIR을 이용하여 먹이를 포획하고^[60] 주광성 수영 방향을 정한다.^[64] 물고기의 NIR 감각은 황혼기의 좋지 않은 조명 조건^[60]과 탁한 수면에서 유용할 수 있다.^[64]

광생체조절

근적외선 또는 광생체조절은 화학요법 유발 구강 궤양 및 상처 치유 치료에 사용된다. 항헤르페스 바이러스 치료와 관련된 일부 연구도 있다.^[65] 연구 프로젝트에는 시토크롬 c 산화효소 상향 조절 및 기타 가능한 메커니즘을 통한 중추신경계 치유 효과에 대한 연구가 포함된다.^[66]

건강 위험

특정 산업 고온 환경에서 강한 적외선 복사는 눈에 위험할 수 있으며, 사용자에게 손상이나 실명을 초래할 수 있다. 복사는 보이지 않으므로, 그러한 장소에서는 특수 IR 방지 고글을 착용해야 한다.^[67]

과학적 역사

적외선 복사의 발견은 19세기 초 윌리엄 허셜 천문학자에게 기인한다. 허셜은 1800년에 런던 왕립학회 이전에 자신의 결과를 발표했다. 허셜은 삼각 프리즘을 사용하여 태양에서 오는 빛을 굴절시키고, 빨강 스펙트럼의 너머에서 온도계에 기록된 온도의 증가를 통해 적외선을 감지했다. 그는 그 결과에 놀라 이를 "열선"이라고 불렀다.^[68][69] "적외선"이라는 용어는 19세기 후반에야 등장했다.^[70] 라틴어 접두사 infra-는 '아래'를 의미하며, 이는 스펙트럼에서 빨강색 아래의 빛이기 때문이다.^[71] 1790년 피크테의 초기 실험은 가시광선이 없는 상태에서 거울을 통한 복사열의 반사 및 초점화를 입증했다.^[72]

다른 중요한 날짜는 다음과 같다:^[28]

적외선 복사는 1800년 윌리엄 허셜에 의해 발견되었다.

• 1830: 레오폴도 노빌리가 최초의 열전퇴 IR 검출기를 만들었다.^[73]
• 1840: 존 허셜이 열화상이라는 최초의 열 이미지를 제작했다.^[74]
• 1860: 구스타프 키르히호프가 흑체 정리 ${\displaystyle E=J(T,n)}$를 경험적으로 정립했다.^[75]
• 1873: 윌러비 스미스가 셀레늄의 광전도성을 발견했다.^[76]
• 1878: 새뮤얼 피어폰트 랭글리가 작은 온도 변동과 따라서 원적외선 광원의 전력을 측정할 수 있는 장치인 최초의 볼로미터를 발명했다.^[77]
• 1879: 슈테판-볼츠만 법칙은 흑체에서 방출되는 전력이 T⁴에 비례한다는 것을 경험적으로 정립했다.^[78]
• 1880년대 및 1890년대: 레일리 경과 빌헬름 빈은 흑체 방정식의 일부를 풀었지만, 두 해결책 모두 전자기 스펙트럼의 일부에서 발산했다. 이 문제는 "자외선 파탄 및 적외선 파탄"이라고 불렸다.^[79]
• 1892: 빌렘 헨리 줄리어스가 각도 변위 단위로 볼로미터로 측정한 20가지 유기 화합물의 적외선 스펙트럼을 발표했다.^[80]
• 1901: 막스 플랑크가 흑체 방정식과 정리를 발표했다. 그는 허용되는 에너지 전이를 양자화하여 문제를 해결했다.^[81]
• 1905: 알베르트 아인슈타인이 광전 효과 이론을 개발했다.^[82]
• 1905–1908: 윌리엄 코블렌츠(William Coblentz)는 적외선 스펙트럼 조사에서 여러 화학 화합물의 적외선 스펙트럼을 파장(마이크로미터) 단위로 발표했다.^[83][84][85]
• 1917: 시어도어 케이스가 황화 탈륨 감지기를 개발했으며, 이는 1마일(1.6 km) 범위에서 항공기를 감지할 수 있는 최초의 적외선 탐색 추적 장비를 생산하는 데 도움이 되었다.
• 1935: 납염 – 제2차 세계 대전 초기 미사일 유도.
• 1938: 예우 타(Yeou Ta)가 초전 효과가 적외선 복사를 감지하는 데 사용될 수 있다고 예측했다.^[86]
• 1945: 칠게라트 1229 "뱀피르" 적외선 무기 시스템은 군사 응용 분야를 위한 최초의 휴대용 적외선 장치로 도입되었다.
• 1952: 하인리히 벨커가 합성 InSb 결정을 성장시켰다.
• 1950년대 및 1960년대: 프레드 니코데메누스, G. J. 지시스, R. 클라크가 명칭 및 방사량 단위를 정의했고, 로버트 클라크 존스(Robert Clark Jones)가 D*를 정의했다.
• 1958: W. D. 로슨(말번 왕립 레이다 연구소)이 수은 카드뮴 텔루라이드 (HgCdTe)의 IR 감지 특성을 발견했다.^[87]
• 1958: 팰컨과 사이드와인더 미사일이 적외선 기술을 사용하여 개발되었다.
• 1960년대: 폴 크루제와 그의 허니웰 연구 센터 동료들이 HgCdTe를 적외선 감지에 효과적인 화합물로 사용하는 것을 입증했다.^[87]
• 1962: J. 쿠퍼가 초전 감지를 입증했다.^[88]
• 1964: W. G. 에반스(W.G. Evans)가 산불 선호 딱정벌레에서 적외선 열수용체를 발견했다.^[57]
• 1965: 첫 번째 IR 핸드북; 첫 번째 상업용 이미저(바르네스, 아게마(현재 FLIR Systems Inc.의 일부)); 리처드 허드슨의 기념비적인 교과서; 휴즈의 F4 TRAM FLIR; 프레드 시몬스와 A. T. 스테어가 개척한 현상학; 미 육군 야간 투시 연구소 설립(현재 야간 투시 및 전자 센서 국(NVESD)), 그리고 래체츠(Rachets)가 거기서 탐지, 인식 및 식별 모델링을 개발했다.
• 1970: 윌러드 보일과 조지 E. 스미스가 벨 연구소에서 화상 전화용 CCD를 제안했다.
• 1973: NVESD에 의해 공통 모듈 프로그램이 시작되었다.^[89]
• 1978: 적외선 천문학 시대가 열리고, 천문대가 계획되었으며, 마우나 케아에 IRTF가 개설되었다. InSb, HgCdTe 및 기타 재료를 사용하여 32 × 32 및 64 × 64 어레이가 생산되었다.
• 2013: 2월 14일, 연구원들은 래트에게 적외선을 감지하는 능력을 부여하는 신경 임플란트를 개발했는데, 이는 기존 능력을 단순히 대체하거나 보강하는 것이 아니라 생물에게 새로운 능력을 부여한 최초의 사례이다.^[90]

같이 보기

• 태양 전지