국내 최초 XGA급 열상카메라 CX-1000
[시큐리티월드=콕스] 모든 물체는 영하 273도(절대온도 0도)를 제외한 모든 온도에서 적외선을 방출한다. 적외선은 사람의 눈으로는 보이지 않지만, 물체에서 방출되는 적외선이 물체의 온도에 따라서 방출되는 양이 달라지는 현상을 이용해 사람들이 볼 수 있는 영상으로 표현한 것이 열 영상이다. 이렇게 물체에서 방출되는 적외선을 받아서 열 영상으로 표현하는 카메라를 열상 카메라(Thermal imaging camera)라고 한다. 최근 국내기업인 콕스가 세계에서 2번째로 XGA급 열상 카메라를 양산해 주목받고 있다.
온도의 차이를 통해 해당지역의 움직임을 감시할 수 있는 열상 카메라는 전략물자로 분류돼 그 이용이 극히 제한되고 있다. 전략물자란 재래식 무기 또는, 대량 파괴 무기와 이의 운반 수단인 미사일의 제조, 개발, 사용, 보관 등에 이용 가능한 물품, 소프트웨어 및 기술로서 국제 평화와 안전유지, 국가 안보를 위해 수출입에 제한을 받고 있는 물품을 의미하는 것으로, 산업부분의 경우에는 방산 물자 외에 모든 업종의 첨단 물자를 전략물자로 정해 수출통제를 하고 있다.
첨단 부품 및 기술일수록 민간산업과 군사용으로 활용 가능한 2중 용도품목이라는 산업 기술의 특성 때문에 선진국들은 다자간 전략 물자 수출 통제 제도를 활용해 공산권뿐만 아니라 개발도상국의 군수 및 일반 산업의 첨단화 개발을 통제 하고 있다. 전략 물자의 이동이 비교적 쉬운 나라들이 ‘가’군으로 분류되며, 미사일 확산 방지 조약에 가입한 서방 선진국이 이에 속한다. 하지만 대한민국은 ‘나’군으로 분류돼 까다로운 통제를 받고 있다.
열상카메라의 특징과 원리 적외선은 파장대에 따라서 8~14um 부근의 원적외선(LWIR) 3~5um 부근의 중적외선(MWIR), 1um 이하의 근적외선(SWIR)으로 분류된다. 적외선 카메라의 센서 및 렌즈와 같은 광학 장치는 이 파장대에 맞춰서 설계되는 것이 일반적이다. 소재와 응답특성이 주파수에 맞도록 잘 선택해야 한다. 예를 들어 미사일의 궤도 추적처럼 공기 중에 남아 있는 열을 관측할 경우에는 중적외선이 유리하며, 인간을 중심으로 우리의 일상생활의 물체를 관측할 때는 원적외선이 유리하다. 국내에서는 열상 카메라를 연구하고 있는 회사가 몇 있지만, 중적외선 분야 보다는 민수용으로 흔히 사용될 수 있는 원적외선을 연구하는 회사들이 더 많다.
특히 콕스는 국내에서 최초이자 유일하게 원적외선 방식의 카메라를 양산해 현재 25개국에 수출을 진행하고 있다. 열상 카메라의 종류는 보안용과 측정용으로 나눌 수 있다. 보안용은 멀리 있는 물체를 미리 감지하는 것이 목적이기 때문에, 영상처리를 통해서 콘트라스트를 조정하기도 하고, 선명도를 향상시키기도 한다. 이러한 영상처리는 대부분 비선형 영상처리 과정을 통하기 때문에 절대온도를 측정할 수는 없다. 예를 들어 Smoothing 영상처리를 거치고 나면 픽셀의 온도 값이 주변 온도 값과 평준화 돼 정확한 온도가 아닌 평준화 온도로 변화된다. 결국 보안용 열상 카메라는 정확한 온도보다는 주변 물체와 온도 차이를 강조시켜 인식이 쉽게 하는데 목적이 있다.
이에 반해 측정용 열상 카메라는 물체의 절대온도를 측정하는데 목적이 있어, 사람 눈에 잘 보이게 하는 영상처리는 최소화 시키는 대신에 온도의 신뢰성을 영상처리하기 때문에, 특정 지점이나 물체의 온도를 정확히 알 수 있다. 따라서 측정용은 PCB 열검사, 체온 측정과 같이 정확한 온도를 필요로 하는 실험실 등에서 많이 사용된다. 콕스사의 CX-1000은 보안용 열상카메라로 금년 출시됐으며, CX-1024모델은 측정용으로 현재 개발 중에 있다.
일반적으로 CCTV용 카메라는 유리를 이용해 렌즈를 만들지만, 유리는 소재의 특성상 적외선 투과율이 매우 낮다. 따라서 열상 카메라에서는 유리 렌즈 대신에 중적외선에서는 규소 재질의 렌즈를, 원적외선에서는 게르마늄(Germanium) 재질의 렌즈를 사용한다. 또한, 렌즈 특성을 좋게 하기위해서 렌즈에 코팅을 하게 된다. CX-1000에 장착된 렌즈는 F1.0의 100mm 렌즈로서 게르마늄 렌즈의 외부면은 DLC(diamond like coating) 안쪽면은 AR(antireflection)코팅 처리가 돼있다.
또한, 열상 카메라 센서는 디텍터라 불리는데, 디텍터는 냉각식과 비냉각식으로 나뉜다. 냉각식 디텍터는 주로 InSb, InGaAs, HgCdTe등의 재료로 만들어지며 결정 내에 있는 전자의 상태가 입사 광자에 의해 달라지는 현상에 기술적 기반을 두고 있다. 이러한 냉각식용 양자 디텍터는 영하 197°C 부근의 극저온에서 동작을 하기 때문에 별도의 냉각장치를 필요로 한다. 따라서 속도나 민감도면에서 더 우수하지만, 가격이 비싸고 수명에 한계가 있는 것이 단점이다. 그에 반해서 Thermal detector라고 불리우는 비냉각식은 냉각장치가 필요없고, 가격이 저렴하며, 넓은 범위의 스펙트럼을 검출하는 장점이 있지만, 민감도나 반응속도가 떨어지는 것이 단점이다. CX-1000에 장착된 디텍터는 a-si 재질의 비냉각식의 microbolometer 타입이다.
콕스에서 발표한 자료에 의하면, 해외에서 오랜기간 연구되고 판매된 QVGA급 해상도(320×240 픽셀)의 열상 카메라는 국내 제품이 해외에 비해 약 10여년 가까이 늦게 출발했지만, VGA급 해상도(640×480픽셀) 제품은 5년 정도의 격차로 따라잡았으며, XGA급 해상도(1024×768픽셀) 제품은 세계에서 2번째로 양산에 성공했다. XGA급 해상도 제품은 중소기업청의 창업성장과제를 통한 정부 지원금을 포함해 많은 개발비가 투자된 앞으로 국내 및 해외 시장에서 주력 상품으로 자리 잡을 것으로 보인다.
국내 최초 XGA급 열상 카메라 CX-1000 콕스사의 CX-1000 모델은 다음과 같은 사양을 갖추고 있다. CX-1000 모델은 국내에서 최초로 개발된 XGA급 열상 카메라이며 세계에서 2번째로 양산판매되고 있는 제품이다. XGA급은 1024×768 해상도를 갖는데, 이는 기존의 VGA급이 640×480 해상도로 30만 화소급이었다면, 이의 2배가 넘는 79만 화소급이다. 천안함 사태 때 백령도에서 촬영됐던 TOD 카메라가 1×8 해상도의 8화소, 신종플루 이전에 국내에 보급됐던 160×160 해상도의 25,600화소, 신종플루 때 널리 보급된 QVGA급 320×240 해상도의 76,800화소, 그리고 작년부터 본격적으로 시장에 알려진 VGA급 30만 화소에 비교한다면, 당연한 수순으로 다음 단계에서 나와야 할 모델이라 할 수 있다.
XGA급 열상 카메라는 가격도 비싸고 전략물자 통제로 인해 수입이 어려운 문제가 있는데, CX-1000 모델의 출시로 이를 일시에 해결했다. 해상도가 높은 모델일수록 같은 렌즈를 사용한다면 더 멀리까지 보는 게 가능하고, 같은 거리를 볼 때는 더 작은 렌즈를 이용해 볼 수 있기 때문에 렌즈를 제외한 제품 가격은 VGA급보다 XGA급이 비싸지만 렌즈까지 포함하는 경우에는 그 사양에 따라서 전체 가격이 역전이 되기도 한다.
또한, 전략물자의 특성상 미국이나 유럽은 전략 물자 상으로 ‘가’군에 속한 나라들이라서 XGA급 열상 카메라를 판매하는데 문제없지만, 대한민국처럼 전략 물자 상으로 ‘나’군에 속한 나라들의 경우에는 XGA급 열상 카메라를 수입하는데, 많은 행정력과 시간이 소요되는 것이 현실이다. 실제로 군수용을 제외하고 민간용으로 XGA급 열상 카메라를 수입한 전례는 아직 알려지지 않았다.
또한, CX-1000에 쓰인 렌즈를 살펴보면 게르마늄 재질의 F1.0 렌즈를 채택하고 있다. 렌즈는 옵션 형태로 사용자의 요구에 따라 변경이 가능하며, 기본 장착 렌즈는 20mm다. FLIR사의 일부 제품군이 F1.2, F1.4 심지어는 F1.6까지도 사용하는 것에 비해서 훨씬 성능이 뛰어난 F1.0을 사용하고 있다. 그리고 게르마늄은 ZnS 계열에 비해 투과 성능이 훨씬 뛰어난 장점을 가지고 있어, 현재 대부분 고가의 열상 카메라들은 게르마늄 계열의 F1.0 렌즈를 채용하는 것이 정석이다.
열상 카메라에서 수명을 좌우하는 요소 중에 하나가 셔터이다. 셔터는 물리적으로 움직이면서 작동을 하는 기계식이므로 사용 횟수를 메이커에서 보증하게 된다. 일부 저가 제품군에서는 보증이 없거나, 그 횟수가 매우 짧은 경우도 있다. 또한, 보증을 하더라도 해외 제품의 경우에는 산업자원부에서 전략 물자 수출 승인을 받아 해외로 보내고 A/S를 받아야 하므로, 행정적으로 복잡하고 그 기간도 통상 3개월 이상으로 많은 시간이 소요된다. 수명 예측에 신중해야 하지만 CX-1000에 사용된 셔터는 30만회 이상의 동작 횟수를 보증할 뿐 아니라 A/S에 대한 부담이 훨씬 줄어들게 된다.
보안관제부터 군용까지 다양한 활용가능 영상처리는 FLIR사의 경우에는 DDE(Digital Detail Enhancement)라는 영상처리를 사용하는데 반해 CX-1000은 BDE(border Detail enhancement)를 채택하고 있다. 둘의 영상처리 방식은 DE(Detail Enhancement)라는 영상처리 기법을 바탕으로 이 알고리즘을 열상 카메라에 맞게 변형한 것이다. DDE 방식이 BDE에 비해 더 많은 Smoothing을 하기 때문에 영상이 부드럽게 보이지만, 멀리 있는 물체가 평탄화 돼, 인식이 어려운 문제가 있다. 반대로 BDE는 선명도가 강조돼서 멀리 있는 물체를 인식하는데 유리하지만, 전체적으로 선명도가 높아서 영상이 날카로운 느낌이 든다.
후면에 I/F는 다양한 형태가 지원된다. 우선 NTSC/PAL의 아날로그 영상이 출력돼 DVR등의 기존 CCTV 장치에 바로 연결이 가능하며 IP 장치들과 연동해 네트웍으로 영상 전송이 가능케 한다. 또한 모니터와 직접 연결해 감시하거나 관찰하는 경우에는 HDMI 비디오 포트를 이용할 수 있다.
CX-1000은 현재까지 출시돼 있는 열상 카메라 중에서 가장 높은 해상도를 가진 제품으로, QVGA와 XGA급의 낮은 해상도의 카메라보다 더 많은 상세 정보를 받아들이기 때문에 뛰어난 이미지 디테일과 우수한 열 감도로 식별 가능성이 향상됐을 뿐만 아니라 동일한 수의 카메라들 보다 넓은 범위를 감시할 수 있는 장점을 가지고 있다.
결국 CX-1000 모델은 앞으로 콕스의 주력 모델이 될 제품으로 분류상으로 일상의 물체에 최적화된 원적외선 방식, 냉각장치가 필요 없고, 수명에 제한이 없는 비냉각식, 물체 감시에 최적화된 영상처리를 내장한 보안용 제품으로 군용 및 상용으로 광범위하게 사용될 것으로 생각된다.
[글_콕스]
[월간 시큐리티월드 통권 216호 (sw@infothe.com)]
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