적외선

적외선 (赤外線 infrared rays)

요약 : 가시광선에 이어지는 파장범위가 0.75μ∼1㎜ 정도인 전자기파.

설명 : 가시광선에 이어지는 파장범위가 0.75μ∼1㎜ 정도인 전자기파. 빛의 스펙트럼에서는 적색 부분의 바깥쪽에 해당하므로 이 이름이 붙여졌다. 1800년에 영국의 F.W. 허셜이 태양스펙트럼의 적색 부분보다 장파장 쪽에 열효과가 큰 부분이 있음을 최초로 발견했다. 파장 수㎛ 이하를 근적외선, 파장 25㎛ 이상을 원적외선, 그 사이를 중간적외선이라 한다. 또, 파장 25㎛, 30㎛ 또는 50㎛를 경계로 하여 그 이상을 원적외선, 이하를 근적외선이라고 총칭하는 경우도 있다. 다만 이러한 경계가 명확한 것은 아니다. 특히 전자회로에서 발생하는 간섭성이 좋은 전자기파는 파장이 짧아도 서브밀리미터파 등의 전파용어로 불린다. 적외선은 그 열작용으로 특징지어지는 전자기파로, 물질이 넓은뜻의 근적외선을 흡수하면 물질내의 열운동이 들뜨게 되어 온도가 상승한다. 따라서 이 부분을 열선(熱線；heat ray)이라고도 한다.

적외선 스펙트럼: 분자진동이나 결정의 격자진동의 스펙트럼은 근적외선에서 중간적외선 영역에 나타나고, 가벼운 분자의 회전스펙트럼은 원적외선 영역에 나타난다. 원자·분자의 높은 전자 들뜬 상태간의 전이파장도 적외선 영역에 있다. 또 몇몇 종류의 반도체의 밴드간 전이, 불순물 준위간 전이도 근적외선에서 원적외선 영역에 걸쳐 나타난다. 이들은 내부 광전효과로서 적외선에 대한 검지(檢知)에 이용된다.

적외선 영역의 광학재료: 수정은 파장 3㎛ 정도까지, 플루오르화리튬(LiF)·플루오르화칼슘(CaF)은 5∼6㎛까지, 염화나트륨(NaCl)은 15㎛까지, 브롬화칼륨(KBr)은 25㎛까지의 빛에 대해 양호한 투과성을 나타낸다. 탈륨의 화합물로 이루어지는 TlBr-TlI, TlBr-TlCl 등은 투과율이 50％ 이하로 작지만, 근적외선에서 수십㎛의 원적외선에 걸쳐 평탄한 투과특성을 나타낸다. 분광기용 분산계로 이들 물질을 재료로 한 프리즘이 사용되므로 파장 25㎛ 정도까지를 프리즘적외선 영역이라고 하는 경우가 있다. 불순물농도가 작은 규소(Si)나 게르마늄(Ge)도 중간적외선까지 비교적 좋은 투과특성을 나타낸다. 원적외선 영역에 대해서는 폴리에틸렌·폴리스티렌·테플론·파라핀 등이 투과율이 좋은 재료이다. 대체로 금속은 적외선 영역에서 높은 반사율을 가지므로 금·은·백금·알루미늄 등의 금속 또는 그 증착면(蒸着面)은 적외선 영역에서의 거울이나 반사형 필터의 재료로 쓰인다.

발생원: 지금까지 적외선 영역은 고온백열체(高溫白熱體)가 유일한 광원이었다. 중간적외선 영역의 대표적인 광원은 글로버와 네른스트글로어이다. 글로버는 가는 막대 모양의 탄화규소에 10A 정도의 전류를 흐르게 하여 1300K 정도로 가열한 것이고, 네른스트글로어는 산화지르코늄(ZrO)을 주성분으로 한 막대에 1A 정도의 전류를 흐르게 하여 1700K 정도로 백열시킨 것이다. 근적외선 영역에는 더욱 고온을 얻기 위해 텅스텐 백열전구, 지르코늄이나 탄소의 아크등(燈)이 쓰이고, 원적외선 영역에는 파장 100㎛ 이상에서 비교적 강하게 발광하는 고압수은등 등이 쓰인다. 빛과 전파의 골짜기라고 일컬어지는 적외선 영역에도 레이저의 개발로 인해 강한 간섭광원이 많이 생기게 되었다. 근적외선 영역에는 3가의 네오디뮴이온(Nd)의 파장 1.06㎛의 전자전이가 연속적으로도, 펄스적으로도 발진(發振)한다. 특히 유리를 모체로 한 네오디뮴 레이저로는 레이저의 부피를 크게 할 수 있어서 큰 출력을 얻을 수 있다. 중간적외선 영역에는 5㎛대(帶)의 일산화탄소 레이저, 10㎛대의 탄산가스나 일산화이질소 레이저의 실용적 가치가 높다. 이것들은 분자의 진동회전전이가 발진하므로 서로 접근한 수십 내지 수백 가닥의 레이저선을 얻을 수 있다. 대형 레이저로는 연속적으로 수십W에서 수백W, 고압기체 레이저로는 수㎿의 순간펄스출력을 얻을 수 있다. 그것들은 분광학이나 핵융합의 연구뿐 아니라 천의 재단이나 철판의 가공 같은 공업적 용도에도 쓰인다. 원적외선 영역은 수증기나 시안화수소 등의 방전으로 파장 수십㎛부터 수백㎛의 범위에서 수십 가닥의 발진선(發振線)을 얻고 있다. 이것들은 분광분석용 광원으로 이용된다. 또 위에서 말한 탄산가스 레이저로 암모니아·메틸알코올·플루오르화메틸 등 100종류 가까운 분자를 들뜨게 하여 원적외선 회전전이로 발진시키는 이른바 광들뜸형 원적외선레이저는 천수백 가닥의 발진선을 가진다. 그러나 그 대부분은 출력이 별로 크지 않으므로 다른 목적에 사용하기 위해서는 개선의 여지가 있다.

검출기: 열기전력을 검지하는 열전기쌍, 또는 그것을 직렬로 연결한 열전기더미, 금속의 전기저항의 온도변화를 검출하는 볼로미터, 반도체의 저항값의 온도변화를 검출하는 서미스터 등은 모두 적외선의 열작용을 이용한 간접적 검출기이다. 기체의 열팽창으로 그 용기의 일부를 형성하고 있는 박막이 변형되는 것을 광학적으로 고감도의 검출을 하는 골레이셀(Golay cell)도 한동안 많이 사용되었다. 이들 검출기에는 원리적으로는 파장의존성이 없으나 검출소자를 나누기 위한 창재(窓材) 등에 의한 파장선택성이 나타난다. 일반적으로 열적 검출기는 응답속도가 느리고 감도도 그다지 높지 않다. 반도체의 내부 광전효과를 이용하는 검출기는 근적외선 영역에서는 이미 이용되고 있지만, 최근 원적외선 영역에서도 좋은 재료가 개발되고 있다. 적외선 조사(照射)에 의해 전도대의 운반체 농도가 증가하고 전기저항이 감소하는 것을 검지하는 광전도형과, 운반체가 반도체내에서 분극하여 전위차가 생기는 것을 검지하는 광기전력형이 있는데, 뒤의 것이 전자에 비해 다소 응답속도가 빠르다. 반도체를 이용한 검출기는 반도체의 에너지준위 구조를 반영하여 감도가 있는 파장대역이 좁은 것이 결점이다. 장파장 영역에는 접근한 에너지준위를 사용하므로 고체 자신이 지니는 열에너지로 캐리어가 쉽게 들뜬 상태가 된다. 이 때문에 중간적외선 영역에서는 액체질소로, 원적외선 영역에서는 액체헬륨으로 검출소자를 냉각시켜 이용하지 않으면 안된다. 황화카드뮴(CdS；0.3~1.6㎛), 황화납(PbS；0.3~3.2㎛), 셀렌화납(PbSe；77K, 1.5~8㎛), 게르마늄-금(77K, ~10㎛), 카드뮴-수은-텔루르(77K, ~14㎛), 게르마늄-구리(4K, ~27㎛), 게르마늄-인듐(1.5K, ~500㎛) 등이 대표적인 반도체 검출기이다(괄호 안의 숫자는 사용온도와 사용파장 영역을 나타낸다).

응용: 마이크로파 분광과 함께 적외선 분광법은 많은 분자의 기하학적 구조와 기준진동의 성질을 밝혀 왔다. 그 성과는 가스나 고체의 적외선 분광분석 등 공업적으로도 널리 응용되고 있다. 전파천문학·X선천문학과 함께 최근에는 우주를 조사하는 수단으로 적외선을 이용하는 적외선천문학도 주목되고 있다. 실용적 응용으로서는 먼 거리를 촬영하는 적외선사진, 어두운 곳에서도 물체가 보이는 야간투시경, 무접촉의 고온을 재는 고온계, 미사일 등의 추적장치, 적외선 레이더, 반도체 레이저를 이용한 통신, 온도기록계 등을 들 수 있다. (출처: 야후 백과사전)