원적외선

원적외선(far infrared)은 적외선 영역에서 파장이 25μm보다 긴 영역을 말한다. 산업계에서는 파장이 15-1000μm(1mm) 인 적외선을 원적외선이라 부르기도 한다. 원적외선은 광자 에너지가 가시광선보다 수십 배 이상 작기 때문에 화학반응을 유발하거나, 분자의 진동상태 전이를 일으키지는 못한다. 원적외선 흡수스펙트럼에서는 주로 격자진동(lattice vibration)처럼 진동수가 낮은 진동의 흡수선이 관찰된다.¹⁾ 원적외선은 피부에 깊숙이 침투해서 온열 효과를 나타내기는 하지만, 자외선처럼 생명체에 직접적인 피해를 주는 경우는 드물다.²⁾ 천문학에서는 별이 형성되는 과정에서 만들어지는 성간 기체를 관측할 때 사용된다.

수동형 적외선 방범 장치나 건강 보조 기구에도 원적외선을 사용한다. 그러나 원적외선이 무작정 건강에 도움이 된다는 과장 광고가 소비자를 혼란스럽게 만드는 경우도 많다.

원적외선은 보통 15μm보다 긴파장 적외선을 말하지만 화학과 천문학에서는 25μm보다 긴파장 적외선을 의미한다 ().

목차

천문학에서는 보통 파장 25-350μm 그리고 8-120K(섭씨 영하 265-153도)의 흑체복사에서 열복사로 방출되는 적외선을 원적외선이라 한다. 따라서 원적외선은 별이 탄생하기 전 성간 기체나 먼지 관측에 주로 활용된다. 예를 들어, 은하 성운의 중심부에는 별들의 밀도가 높아 주변 먼지들이 원적외선을 방출한다. 그 외에도 M82처럼 강한 원적외선을 방출하는 은하도 있다.

원적외선 분광법³⁾은 주로 온도가 매우 낮은 초음속 분자 빔(molecular beam)에서 매우 약한 결합으로 형성되는 반데르 발스 화합물의 특성 연구에 사용된다. 터널링, 낮은 에너지 장벽, 분자 사이 진동, 분자 회전, 분자 사이 상호작용 등을 연구하는 데도 사용된다.

원적외선 분광법은 고체에서 규칙적으로 배열된 원자, 분자, 이온들의 복합적인 격자진동 연구에도 적용된다. 포논(phonon)이라고 부르는 격자 진동의 양자는 열 전도도와 전기 전도도를 비롯한 고체의 물리 화학적 특성을 결정하는 중요한 요소이다. 격자 진동은 진동수에 따라 음향 포논과 광학 포논으로 구분된다. 적외선에 해당하는 이온 결정의 광학 포논의 진동수는 이온 사이 결합력과 질량에 의해 결정된다. 무기 광학 창(inorganic optical window)으로 사용할 수 있는 파장도 광학 포논의 흡수 파장에 의해 결정된다. CaF₂는 10μm보다 긴 파장을 흡수하기 때문에 짧은 파장에서만 사용할 수 있으며, CsI는 60μm까지도 쓸 수 있다.

원적외선 스펙트럼의 관찰은 쉽지 않으며 그 영역에서는 충분히 강한 세기의 광원을 찾기가 어렵다. 1400K의 흑체복사 광원은 10μm에서의 세기보다 1000μm의 세기는 5800배, 100μm의 세기는 60배 약하다. 15-100μm 영역에서는 탄화규소(silicon carbide)가 가장 강한 광원이다. 100μm보다 긴 파장에서는 방전 플라스마로 석영 표피를 가열하도록 만든 고압 수은등이 쓰인다. 최근에는 싱크로트론(synchrotron) 복사광이 개발되어 기존의 원적외선 광원보다 1000배 이상 강한 원적외선을 얻을 수 있다⁴⁾.

검출기로는 열에 의한 변형을 이용하는 골레이(Golay) 검출기, 초전기(pyroelectric, DTGS [deuterium triglycine sulfate]) 볼로메터(bolometer) 검출기, 안정적이고 민감한 붕소첨가 규소 혹은 게르마늄 액체헬륨 볼로메터 검출기 등이 사용되고 있다.

푸리에변환 적외선 분광기에 사용되는 간섭계 (interferometer) ().

원적외선 분광기는 대부분 간섭계를 이용한 푸리에변환(Fourier-transform) 방식을 사용하고, 듀퐁의 Mylar와 같은 PET 살분할기(polyethylene terephthalate beam splitter)를 사용한다. 신호 대 잡음 비율(S/N ratio)을 높이기 위해 고정위상 증폭기(lock-in amp)를 사용하기도 한다.

광학 창(optical window)으로는 흔히 쓰는 염화 포타슘(KBr)이나 염화 소듐(NaCl) 대신 아이오딘화 세슘(CsI) 이나 얇은 다이아몬드 필름을 써야 한다. 원적외선 영역에서 가장 보편적으로 사용되는 광학 물질은 고밀도폴리에틸렌 (high density polyethylene, HDPE)이다. 저밀도폴리에틸렌(LDPE)은 강도가 낮아서 사용이 제한된다.

수동형 적외선 감지 장치 ().

스스로 적외선을 방출하는 대신 대상에서 방출되는 적외선을 감지하는 수동형(passive) 적외선 감지기는 주로 보안 목적이나 사람이 접근하면 켜지는 자동 조명에 활용된다. 주로 사람의 체온 또는 그보다 낮은 온도에 해당하는 8-14μm 파장을 적외선을 사용한다.

파장이 길기 때문에 해상도가 낮아서 대상의 크기나 위치에 대한 정확한 정보보다는 전반적인 움직임을 감지하는 것을 목적으로 한다. 탐지 대상에 대한 정확한 정보가 필요한 경우에는 짧은 파장의 적외선을 이용하는 능동형(active) 감지기를 써야 한다.

원적외선은 진동수가 0.3-20THz로, 1.2-83meV에 해당하는 광자의 에너지를 온전하게 열의 형태로 사람의 피부에 전달할 수 있는 효과적 수단이다. 이러한 열선 효과는 피부의 4cm 깊이까지 전달되어 근육과 인대를 가열시켜주는 효과가 있다²⁾.

원적외선의 비파괴적인 치료 효과를 활용하는 연구가 다양하게 수행되고 있고, 실제 병원에서 치료용으로 사용하는 경우도 많다. 세라믹 광원에서 방출되는 원적외선을 이용해 손상된 세포를 복구하는 치료법도 개발되고 있다. 그러나 원적외선 치료 효과를 강조하는 기기 중에는 과장된 광고를 하는 경우도 많다.

1. A.Glagoleva-Arkadiewa. (1924). 'Short Electromagnetic Waves of wave-length up to 82 Microns'. Nature 2844 113.
2. Vatansever, Fatma; Hamblin, Michael R. (2012). 'Far infrared radiation (FIR): Its biological effects and medical applications'. Photonics & Lasers in Medicine. 1 (4) 255-266.
3.
4. G.P. Williams, ‘Synchrotron and Free Electron Laser Sources of Infrared Radiation’, in "Handbook of Vibrational Spectroscopy", John Wiley and Sons, Chichester, Vol. 1 (2001).