반짝이는 부품은 왜 열화상 카메라에서 차갑게 보일까

OPTICS

열화상 카메라가 재는 것은 한 칸에 들어온 적외선의 양입니다.

그 칸이 부품보다 넓거나 부품 표면이 거울처럼 반들거리면, 화면의 숫자에는 부품 말고 다른 것의 온도가 섞여 들어옵니다.

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끓인 물을 스테인리스 냄비와 도자기 머그에 똑같이 붓고 열화상 카메라로 나란히 비추면, 화면 속 두 그릇은 서로 다른 온도를 말합니다. 물이 90 °C이고 카메라는 검게 칠한 표면에 맞춘 설정 그대로라고 치면, 머그 옆면은 88 °C 남짓으로 읽히는데 반들거리는 냄비 옆면은 38 °C 언저리에 머물러요. 두 그릇에 담긴 물의 온도는 같습니다. 달라진 것은 표면이 스스로 내보내는 빛의 양과, 그 대신 주변을 되비치는 정도입니다.

통전 시험대 위의 전자 보드에서도 같은 일이 벌어집니다. 9월 22일 AT Sensors는 온도 측정과 판정, 통신을 카메라 한 대 안에서 끝내는 열화상 카메라 IRSX-2를 소개하면서 전자부품의 열 검사를 쓰임새로 꼽았습니다. 전원을 넣은 보드를 위에서 내려다보면 검은 IC는 제 온도에 가깝게 읽히지만, 알루미늄 콘덴서의 윗면과 0402 크기의 칩 부품¹은 실제보다 차갑게 읽히기 쉽습니다. 카메라가 경보까지 스스로 내리는 구조라면, 그 숫자가 무엇을 쟀는지가 판정의 전부를 좌우합니다.

그 숫자를 그대로 믿고 경보선을 그으면 대가는 양쪽에서 나옵니다. 과열된 칩은 미지근한 숫자를 달고 합격품 상자로 들어가고, 옆 방열판의 열을 비춘 콘덴서는 멀쩡한 보드를 재검 선반으로 보냅니다. 저라면 경보선을 만지기 전에 두 가지부터 잽니다. 한 칸이 부품 위에서 덮는 넓이, 그리고 그 칸에 들어온 빛 가운데 부품이 스스로 낸 몫입니다.

사람 눈 밖에 있는 10 μm의 빛

열화상 카메라가 받는 빛은 장파 적외선(LWIR)²입니다. 상온의 물건이 스스로 내는 빛인데 파장이 10 μm³ 안팎이라, 사람 눈이 느끼는 0.38~0.75 μm 대역에서 한참 벗어나 있어요. 빈의 변위 법칙⁴으로 계산하면 25 °C 물체가 가장 세게 내는 파장은 9.72 μm, 90 °C 칩은 7.98 μm입니다. 보통 유리는 이 대역의 빛을 막기 때문에, 열화상 카메라의 렌즈는 게르마늄처럼 이 빛을 통과시키는 재료로 만듭니다.

같은 온도라도 표면마다 내보내는 빛의 양이 다릅니다. 이론상 가장 많이 내는 물체를 1로 두고 견준 비율이 방사율(emissivity)⁵인데, IRISS의 방사율 표를 보면 검은 절연 테이프는 0.95~0.96, 인쇄회로기판은 0.91 안팎인 반면 연마한 알루미늄은 0.04~0.06, 연마한 스테인리스는 0.14~0.16에 그칩니다. 불투명한 표면에서는 스스로 내보내는 몫과 주변 빛을 되비치는 몫을 더하면 1이 되거든요. 방사율 0.05인 알루미늄은 주변에서 날아온 장파 적외선의 95%를 되돌려 보냅니다.

그래서 카메라의 한 칸에 도착하는 빛은 두 갈래로 나뉩니다. 부품이 제 온도로 내보낸 빛, 그리고 옆에 있는 따뜻한 물체의 빛이 부품 표면에서 꺾여 들어온 빛입니다.

그림 왼쪽의 검은 IC에서는 첫 번째 갈래가 거의 전부이고, 오른쪽 알루미늄 윗면에서는 두 번째 갈래가 대부분을 차지합니다. 카메라는 두 갈래를 가려내지 못하고 합친 양만 받아 온도로 바꿉니다. 숫자 하나를 읽을 때 제 눈은 그 칸 둘레로 먼저 갑니다. 옆에 무엇이 서 있는지 알아야 그 숫자가 누구의 온도인지 가릴 수 있습니다.

열화상 한 칸이 부품 위에서 덮는 넓이

두 가지 가운데 넓이부터 볼게요. 열화상 카메라의 한 칸이 물체 쪽으로 벌리는 각도를 순간 시야(IFOV)⁶라 부르고, 픽셀 간격을 초점거리로 나누면 나옵니다. IRSX-2에 준비된 초점거리 4.9, 9.2, 13.6 mm 가운데 9.2 mm를 고르고 픽셀 간격을 12 μm로 두면 IFOV는 1.30 mrad입니다. 렌즈에서 부품까지의 거리인 WD⁷를 300 mm로 잡으면 한 칸은 보드 위에서 가로세로 391 μm를 덮고, 화면 전체는 250 × 200 mm가 됩니다. 픽셀 간격과 거리는 둘 다 계산을 위한 가정입니다.

0402 칩은 가로 1.0 mm, 세로 0.5 mm입니다. 이 셋업에서는 가로 2.56칸, 세로 1.28칸에 해당해서 세로로는 한 칸을 겨우 넘깁니다. 열화상 카메라 제조사 Optris는 온도를 정확히 읽으려면 대상이 3 × 3칸이나 4 × 4칸을 덮어야 한다고 설명하고, 대상 에너지의 90%가 들어오는 이 넓이를 측정 시야(MFOV)⁸라 부릅니다. 이 셋업의 측정 시야는 1,174 μm로, 0402 칩의 짧은 변보다 두 배 넘게 넓습니다.

칸이 세 개나 필요한 까닭은 렌즈에 있습니다. 렌즈를 지난 빛은 한 점으로 모이지 못하고 작은 원으로 번지는데, 이 원을 에어리 원반(Airy disk)⁹이라 부릅니다. 지름은 2.44 × 파장 × F수로 계산하고, 파장 10 μm에 F수 1.0을 넣으면 24.4 μm, 픽셀 두 칸 폭입니다. 보드 위로 되짚으면 지름 약 0.8 mm의 원이라서, 렌즈가 완벽해도 0.5 mm 폭 칩의 빛은 이웃 칸으로 번져 나가고 그 빈자리를 주변 기판의 빛이 채웁니다.

열화상 카메라의 한 칸도 그 온도계와 같은 처지입니다. 칩이 칸을 다 채우지 못하면 나머지는 기판이 채우고, 카메라는 둘을 섞은 빛의 양을 하나의 온도로 적습니다. 발열 부위가 가로세로 세 칸씩은 덮어야 저는 그 숫자를 부품의 온도라고 부릅니다. 그보다 좁으면 화면의 숫자는 부품과 기판을 섞은 평균에 가깝습니다.

90 °C 칩이 75 °C로 읽히는 계산

섞이는 정도는 숫자로 옮겨야 보입니다. 칩이 90 °C까지 달아올라 있고 주변 기판은 45 °C, 둘의 방사율과 카메라 설정은 모두 0.95로 잡습니다. 칩이 칸 경계에 정확히 걸치면 세로 0.5 mm가 두 칸에 0.25 mm씩 나뉘어, 칩을 가장 많이 담은 칸도 넓이의 64%만 칩으로 채워집니다. 이 칸에 들어온 빛을 8~14 μm 대역에서 적분해 온도로 되돌리면 이렇습니다.

경보선을 85 °C에 그어 두었다면 이 칩은 불량 판정 없이 지나갑니다. 같은 계산으로 경보가 울리려면 칩이 한 칸의 87% 이상을 채워야 하고, 이는 칩이 칸 격자와 운 좋게 맞아떨어질 때나 생기는 일이에요. 렌즈의 번짐까지 더하면 표시 온도는 여기서 더 내려갑니다. 방향은 분명합니다. 저라면 경보선을 낮추기보다 한 칸을 먼저 줄입니다.

필름 카메라 시절의 사진가들도 비슷한 벽을 만났습니다. 카메라에 달린 노출계는 넓은 영역을 평균해 빛을 재는 방식이 많아서, 역광 속 얼굴 하나의 밝기를 따로 읽기 어려웠습니다. 그래서 1° 남짓한 좁은 각도만 재는 스폿 측광계를 따로 들고 다니는 사람들이 있었습니다. 열화상 카메라에서 그 스폿 측광계 노릇을 하는 것은 가까운 거리와 긴 초점거리입니다.

13.6 mm 렌즈로 바꾸고 WD를 180 mm로 당기면 한 칸이 159 μm로 줄어, 0402 칩의 짧은 변이 3.15칸을 덮습니다. 크기 문제는 이렇게 거리와 렌즈로 풀립니다. 표면이 반들거리는 부품은 사정이 달라서, 카메라를 아무리 가까이 붙여도 숫자가 제자리로 돌아오지 않아요.

알루미늄 윗면에 비친 옆자리의 온도

알루미늄 전해 콘덴서의 윗면은 금속이 그대로 드러난 경우가 많습니다. IRISS 표에서 알루미늄의 방사율은 연마한 면 0.04~0.06, 거친 면 약 0.18, 산화된 면 0.20~0.30으로 마감에 따라 갈리는데, 여기서는 그 사이의 0.10으로 둡니다. 콘덴서가 70 °C로 달아올라 있고 주변은 25 °C, 카메라는 기판에 맞춘 0.95 설정 그대로라고 두면 화면에는 30.6 °C가 찍힙니다. 실제보다 40 °C 가까이 낮은 숫자예요.

방사율이 낮은 표면은 이 파장에서 거울에 가깝습니다. 거울에 비친 촛불을 보고 거울이 뜨겁다고 말하지 않듯, 반들거리는 알루미늄 윗면이 카메라에 건네는 빛도 대부분 주변에서 온 것입니다. 그 주변에 60 °C짜리 방열판이 비스듬히 서 있고 윗면에서 정반사(specular reflection)¹⁰된 방열판의 빛이 카메라로 들어온다면, 같은 콘덴서가 62.7 °C로 읽힙니다. 부품의 온도는 그대로이고, 숫자를 30 °C 넘게 끌어올린 쪽은 옆자리의 방열판입니다.

방사율을 가로축에 놓고 화면에 찍히는 온도를 그리면 두 경우의 차이가 한눈에 들어옵니다.

방사율이 1에 가까운 오른쪽 끝에서는 두 선이 실제 온도 70 °C 부근으로 모이고, 왼쪽으로 갈수록 파란 선은 주변 온도 25 °C 쪽으로, 빨간 선은 방열판 온도 60 °C 쪽으로 끌려갑니다. 음영으로 칠한 알루미늄 구간에서는 숫자가 부품보다 주변을 더 닮습니다. 카메라에 방사율 0.10과 반사 겉보기 온도¹¹ 25 °C를 바로 넣으면 70.0 °C가 되살아나긴 합니다.

되살아난 숫자를 저는 쉽게 믿지 않습니다. 방사율 0.10인 표면에서는 반사 겉보기 온도를 1 °C 틀리게 넣을 때마다 표시 온도가 6.5 °C씩 움직이고, 실제 방사율이 0.12인데 0.10으로 넣으면 77.5 °C가 나옵니다. 같은 1 °C 오차가 방사율 0.95 표면에서는 0.04 °C에 그칩니다. 산화나 긁힘에 따라 방사율이 달라지는 금속 윗면이라면, 이 숫자를 합격 기준으로 쓸 수 있을지는 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

제가 권하는 확인은 단순합니다. 카메라를 옆으로 한 뼘 옮겨 보세요. 뜨거운 점이 부품 자리에 가만히 있으면 부품의 열이고, 카메라를 따라 윗면 위를 미끄러지면 반사입니다. IRISS의 방사율 표 안내에도 같은 확인법이 실려 있습니다.

보드를 켜기 전에 정해 둘 거리와 방사율

두 계산을 사양서로 옮기면 표 한 장이 됩니다. 맨 윗줄에는 잡아야 할 가장 작은 발열 부위가, 그 아래에는 그 부위를 세 칸 넘게 담는 광학 셋업과 표면마다 다른 방사율을 다루는 판정 조건이 들어갑니다. 앞에서 둔 가정값을 그대로 채우면 이런 모습입니다.

항목	기준값	조건·근거	풀어 쓰면
① 최소 불량 사이즈	폭 500 μm 이상인 발열 부위 (0402 칩의 짧은 변)	3 × 3칸 측정 시야를 채우려면 한 칸이 167 μm 이하여야 함. 13.6 mm 렌즈면 WD 189 mm 이내 (픽셀 간격 12 μm 가정)	0.5 mm 폭의 부품이 가로세로 세 칸씩은 덮어야 한다
② 광학 셋업	640 × 512 열화상 카메라, 초점거리 13.6 mm, WD 180 mm (확보 여부는 렌즈 최소 초점 거리 확인 필요), 무광 흑색 후드	한 칸 159 μm, 측정 시야 약 476 μm, 화면 102 × 81 mm. 보드 위 번짐 원 지름 약 0.32 mm (F1.0, 파장 10 μm 가정)	부품 가까이 다가가고, 부품에 비칠 주변을 검은 벽으로 막는다
③ 알고리즘 파라미터	방사율 0.95 (검은 수지와 기판 영역), 금속 윗면은 판정 영역에서 빼고 비닐 슬리브나 방사율 마커 위에서 판정, 반사 겉보기 온도 = 후드 온도, 판정값 = 3 × 3칸 평균의 최댓값, 경보선 85 °C (가정)	방사율 0.10 표면에서는 반사 온도 1 °C 오차가 표시 온도 6.5 °C 오차로 커짐	숫자를 믿을 수 있는 자리에서만 읽고, 한 칸만 튀는 값으로는 판정하지 않는다

거리 189 mm라는 선이 이 표의 무게중심입니다. WD를 그 안쪽으로 당겨야 0402 칩이 세 칸을 덮고, 그 거리에서 렌즈가 초점을 맺는지는 렌즈의 최소 초점 거리를 확인하기 전까지 알 수 없어요. 화면은 102 × 81 mm로 좁아져서, 보드 하나를 한 장에 담던 구성은 영역을 나눠 찍는 구성으로 바뀝니다. 제 기준으로는 이 두 가지가 확인되기 전까지 표의 둘째 줄은 초안입니다.

반사 쪽 문제는 검사대의 구조로 풀어야 합니다. 부품에 비칠 주변을 온도를 아는 검은 벽으로 바꾸고, 금속 윗면처럼 방사율이 낮은 자리는 숫자를 읽는 자리에서 빼는 편이 안전합니다.

그림에서 카메라를 둘러싼 무광 흑색 후드는 부품에 비칠 배경을 온도를 아는 한 가지 표면으로 고정하고, 콘덴서 윗면에 붙인 방사율 마커는 금속 대신 읽을 자리를 만들어 줍니다. 반사 온도를 재고 보정하는 절차는 ASTM E1862에, 방사율을 재고 보정하는 절차는 ASTM E1933에 정리되어 있습니다. 영상을 재질별로 나눠 방사율 지도를 만드는 특허(CN103196564B)처럼 표면마다 방사율을 따로 매기는 방법도 오래전부터 나와 있지만, 그 지도 역시 표면이 바뀌지 않는다는 전제 위에서만 맞습니다.

카메라가 경보까지 내리는 자리

측정과 판정이 카메라 한 대로 합쳐질수록, 그 앞단에서 거리와 렌즈와 방사율을 정하는 사람의 몫은 커집니다. 이 일을 맡는 사람은 검사 설비를 세우는 머신비전 엔지니어이거나 열화상 진단을 전문으로 하는 기술자이고, 설비 진단 분야에는 ISO 18436-7이라는 열화상 인력 자격 기준이 세 등급으로 나뉘어 있습니다. 이 분야에 들어서려는 사람에게 저는 두 가지 계산부터 손에 익히길 권합니다. 픽셀 간격을 초점거리로 나눠 한 칸의 넓이를 구하는 계산, 그리고 방사율과 반사 온도로 화면의 숫자를 되짚는 계산입니다.

설비에 돈을 대는 쪽에서 보면 이 계산은 견적서의 줄을 바꿉니다. 카메라 한 대 값보다, 거리를 당기면서 늘어나는 촬영 영역과 후드, 방사율 마커, 첫 샘플로 방사율을 재는 시간이 더 큰 항목이 될 수 있어요. 이 준비를 건너뛰면 과열 부품의 유출과 멀쩡한 보드의 재검이 한꺼번에 비용으로 돌아옵니다. 이 글은 기술 설명이며 투자 권유가 아닙니다. 자세한 내용은 면책조항을 참고하세요.

현장 노트

새 보드를 이 셋업에 올린다면 저는 전원을 넣기 전에 콘덴서 옆 기판에 검은 테이프 한 조각을 붙여 둡니다. 보드가 충분히 데워진 뒤 테이프 위의 숫자와 바로 옆 기판의 숫자가 1 °C 안쪽으로 맞는지 보고, 어긋나면 기판 방사율 0.95라는 가정을 의심합니다. 이어서 도면에서 중심 간격이 10 mm인 발열 부품 두 개를 골라 화면에서 몇 칸으로 찍히는지 셉니다. WD 180 mm에서 63칸 안팎이 나와야 한 칸이 159 μm라는 제 계산이 맞고, 그 숫자를 확인하기 전에는 경보선을 입력하지 않습니다.

현장 체크포인트

테이프 위의 숫자와 칸 수가 계산과 맞으면, 남은 일은 설치 조건을 하나씩 지우는 것입니다. 이 셋업이라면 설치 전에 확인할 것은 이렇습니다.

• 렌즈 앞면에서 보드 윗면까지 WD 180 mm가 확보되고, 그 거리에서 렌즈가 초점을 맺는가? (렌즈를 그만큼 가까이 대도 화면이 흐려지지 않는지)
• 가장 작은 발열 부위가 가로세로 3칸 이상을 덮는가? (칩 하나가 모눈 아홉 칸을 채우는지)
• 판정 영역마다 표면이 검은 수지인지, 비닐 슬리브인지, 금속이 드러난 자리인지 적었는가? (스스로 빛을 내는 면인지 주변을 비추는 면인지)
• 카메라 둘레와 보드 위쪽에 따뜻한 물체가 비칠 자리가 없고, 후드 온도를 반사 겉보기 온도로 넣었는가? (거울처럼 비칠 난로가 곁에 없는지)
• 첫 샘플에서 방사율 마커 위의 숫자와 옆 기판의 숫자를 비교했는가? (카메라 설정이 실제 표면과 맞는지)

자주 묻는 질문

스마트폰에 끼우는 열화상 카메라로도 같은 계산이 통하나요?

계산 방법은 같습니다. 픽셀 간격을 초점거리로 나눠 한 칸의 넓이를 구하고, 대상이 가로세로 세 칸 넘게 덮는지 보면 됩니다. 해상도가 낮은 모델일수록 같은 화면 폭을 적은 칸으로 나누니 한 칸이 넓어지고, 같은 거리에서 작은 부품은 더 차갑게 읽힙니다.

검은 테이프를 붙이면 부품 온도가 달라지지 않나요?

얇은 테이프 한 조각도 표면의 열 흐름을 조금은 바꿉니다. 붙인 직후의 테이프는 아래 표면의 온도를 따라잡지 못해서, IRISS는 테이프가 표면 온도에 맞춰진 뒤에 읽으라고 안내합니다. 전원이 들어간 부품에 무언가를 붙이는 일은 절연과 안전 기준을 함께 따져야 하고, 그 판단은 별도 검토가 필요합니다.

용어 풀이

• [1] 0402 칩 부품 0402 chip
  가로 약 1.0 mm, 세로 약 0.5 mm인 표면 실장 부품의 치수 코드입니다. 0.5 mm 볼펜 끝의 작은 공 두 개를 나란히 놓은 크기예요. ↩
• [2] 장파 적외선 LWIR, long-wave infrared
  파장 8~14 μm 부근의 적외선입니다. 상온의 물건이 스스로 가장 많이 내는 빛이 이 대역에 몰려 있습니다. ↩
• [3] μm 마이크로미터, micrometre
  1 mm를 1,000으로 나눈 길이입니다. 자의 1 mm 눈금을 천 조각으로 나눈 하나입니다. ↩
• [4] 빈의 변위 법칙 Wien’s displacement law
  물체가 가장 세게 내는 빛의 파장이 절대온도에 반비례한다는 법칙으로, 2,898 μm·K를 절대온도로 나눠 구합니다. 숯불이 달아오를수록 검붉은빛에서 주황빛으로 옮겨 가는 까닭도 여기에 있어요. ↩
• [5] 방사율 emissivity
  같은 온도의 이상적인 물체(흑체)가 내는 빛에 견준 비율로, 0과 1 사이의 값입니다. 같은 뜨거운 물을 담아도 도자기 머그는 빛을 많이, 반들거리는 냄비는 적게 냅니다. ↩
• [6] 순간 시야 IFOV, instantaneous field of view
  픽셀 한 칸이 바라보는 각도로, 픽셀 간격을 초점거리로 나눠 구합니다. 여기에 거리를 곱하면 한 칸이 물체 위에서 덮는 폭이 나옵니다. ↩
• [7] WD working distance, 작동 거리
  렌즈 앞면에서 검사할 물체 윗면까지의 거리입니다. 이 거리가 짧아질수록 한 칸이 덮는 폭도 줄어듭니다. ↩
• [8] 측정 시야 MFOV, measurement field of view
  온도를 믿고 읽을 수 있는 가장 작은 대상의 넓이로, 보통 3 × 3칸이나 4 × 4칸으로 정합니다. 대상에서 나온 빛의 90%가 이 안에 모이는 크기입니다. ↩
• [9] 에어리 원반 Airy disk
  흠 없는 렌즈를 지나도 빛이 한 점으로 모이지 못하고 번지는 작은 원입니다. 지름이 2.44 × 파장 × F수라서, 파장이 긴 적외선일수록 커집니다. ↩
• [10] 정반사 specular reflection
  매끈한 표면에서 빛이 들어온 각도 그대로 한 방향으로 튀어 나가는 반사입니다. 잔잔한 호수에 산이 거꾸로 비치는 모습을 떠올리면 가깝습니다. ↩
• [11] 반사 겉보기 온도 reflected apparent temperature
  대상 표면에 비쳐 카메라로 들어오는 주변 빛을 온도로 바꿔 적은 값입니다. 이 값을 넣어 줘야 카메라가 반사된 몫을 빼고 부품의 몫만 남깁니다. ↩

참고 자료

• Metrology and Quality News, IRSX-2 Brings Intelligent Thermal Inspection to the Process, 2026년 9월 22일
• IRISS, Emissivity Table for Common Industrial Materials, 2026년 8월 25일
• Optris, Measurement Field of View (MFOV)
• ASTM E1862-14(2022), Standard Practice for Measuring and Compensating for Reflected Temperature Using Infrared Imaging Radiometers
• ASTM E1933-14(2022), Standard Practice for Measuring and Compensating for Emissivity Using Infrared Imaging Radiometers
• ISO 18436-7:2014, Condition monitoring and diagnostics of machines, Requirements for qualification and assessment of personnel, Part 7: Thermography
• 특허 US 7,186,978 B2, Millennium Engineering and Integration Co., Compact emissivity and temperature measuring infrared detector
• 특허 CN 103196564 B, Beihang University, Infrared thermal imaging temperature measuring method by correcting surface emissivity through image segmentation
• 계산식: IFOV = 픽셀 간격 ÷ 초점거리, 에어리 원반 지름 = 2.44 λN, λ_max = 2,897.8 μm·K ÷ T, 표시 온도 W = ε L(T) + (1 − ε) L(T_반사), L은 8~14 μm 대역 플랑크 복사휘도