근적외선

근적외선(near infrared)은 적외선 중에서 파장이 짧아서 가시광선에 가까운 영역으로, 보통 780nm - 2500nm(2.5μm) 영역을 말한다. 파장이 2500nm에서 25μm까지의 적외선을 중적외선(mid-infrared), 파장이 25μm에서 1mm인 적외선을 원적외선(far infrared)이라고 부른다.

근적외선은 주로 흡광률이 낮은 작은 배진동(overtone)과 복합 진동(combination band) 영역이기 때문에 중적외선을 이용하는 적외선 흡수스펙트럼에서는 흡수선이 잘 나타나지 않는다. 그러나 시료가 잘 흡수하지 않는 근적외선은 연소화학, 대기화학, 의학, 약학 등에서 다양하게 활용하며, 토양에 포함된 유기물의 함량, 곡물에 들어 있는 단백질의 함량, 혈당 검사 등 진단의학 분야의 분광 분석에도 광범위하게 활용되고 있다.

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근적외선은 파장이 짧아서 가시광선에 가까운 적외선이다 (출처: 대한화학회).

사람의 눈에 보이지 않는 적외선을 1800년 처음 발견한 사람의 이름을 따서 허셜(Herschel) 영역¹⁾이라고도 부른다.

분광학적 관점에서 근적외선 영역은 물질의 강한 흡수가 거의 없는 영역으로, 1950년경부터 산업적 응용이 시작되었다. 초기에는 UV-Vis 분광기나 적외선 분광기의 부속 기능으로 활용되었으나, 1980년대에 들어서면서 근적외선 영역에 특화된 분광기가 개발되고, 다성분 분석에 사용되는 소프트웨어도 개발되어 중요한 화학분석²⁾ 장비로 사용되고 있다. 광케이블과 검출기의 발달로 진단과 토양 및 곡물 분석 등 다양한 분야에서 유용하게 활용되고 있다.

에탄올의 근적외선 스펙트럼. 할로겐등을 광원으로, InGaAs 검출기를 사용하여 측정하였다. 관찰된 흡수대들은 주로 C-H, O-H, C-O 신축진동 배진동과 복합진동 띠들이다 ().

진동수(12,800-4,000cm^-1)가 상당히 높기 때문에 흡광도가 낮은 배진동(Δv_i > 1)과 복합진동(Δv_i ≥ 1, Δv_j ≥ 1, ...)에 해당하는 흡수선들이 관찰된다.

배진동과 복합 진동의 흡수선은 대부분 넓고 복잡한 스펙트럼으로 나타나기 때문에 분광학적으로 분석하기 쉽지 않다. 그러나 근적외선은 흡광도가 낮아서 시료의 내부까지 도달하기 때문에 다변수 검정 기법을 이용해서 농도를 측정하는 화학 분석에는 유용하다. 서로 다른 흡수선을 가진 물질들이 섞여 있는 혼합물의 스펙트럼에 전산화된 다변수 분석법을 이용하면 각 성분의 함량을 파악할 수 있다.

근적외선 분광기는 기본적으로 자외선-가시광선(UV-Vis) 분광기 및 적외선(mid-IR) 분광기와 유사한 구조로 되어 있다. 광원, 단색광 장치, 검출기를 이용해서 파장에 따른 빛의 세기를 기록한다. 푸리에 변환 (Fourier-Transform) 근적외선 분광기의 경우 단색광 장치 대신 간섭계를 사용한다. 주로 흡수 스펙트럼으로 기록하며 투과 혹은 반사 방식을 이용한다.

가장 보편적인 광원은 백열전구와 할로겐 등으로 근적외선 전체 영역에서 사용할 수 있다. 최근에는 이 영역에 특화된 발광다이오드(LED)도 개발되었다. 정확한 진동수의 광원이 필요한 경우에는 가변 레이저(tunable laser)를 사용하기도 한다.

검출기는 근적외선 영역에서 감도가 떨어지는 전하 결합 소자(CCD, charge coupled device) 대신 넓은 파장 영역에서 감도가 높은 InGsAs 혹은 PbS 반도체 검출기가 사용된다. 화학 이미징이 요구되는 경우에는 이차원 배열 검출기를 사용한다.

최근에 개발된 자외선-가시광선 또는 중적외선 분광기 중에는 근적외선 영역의 일부 혹은 전부를 관찰할 수 있는 기능이 있다.

근적외선 분광 분석법을 이용하면 시료를 파괴하지 않고도, 단백질, 수분, 지방 등을 매우 빠르고, 정확하고, 저렴하게 분석할 수 있다. 근적외선 분석법은 토양, 목초, 곡류 및 관련 제품, 차와 커피, 감미료, 과, 야채, 사탕수수, 음료, 지방, 유지, 낙농 제품, 육류, 계란 등의 성분 분석에 광범위하게 사용되고 있다.

근적외선 분광 분석법을 이용하면 비교적 온도가 낮은 항성의 대기 중에 포함된 분자들을 관찰할 수 있다. 특히 근적외선 영역에서의 흡광도가 비교적 높은 이산화 타이타늄, 일산화 탄소 등에 대한 근적외선 분석은 항성의 상태를 파악하는 실마리가 된다. 새로 형성되는 별의 분자 구름을 관측할 때도 활용된다. 적색화라는 별의 방출광에 포함된 근적외선은 다른 파장대보다 우주 먼지 등에 비교적 영향을 덜 받기 때문에 대기를 관측하는 데 유리하다.

가정에서 사용하는 리모컨은 근적외선을 사용한다. 이미징 기술과 접합되어 비행기나 인공위성을 이용한 작물과 토양 또는 대기질 분석의 원거리 조사에도 사용된다.

두개골 내 출혈 진단 근적외선 장비 ().

다양한 근적외선 진단 장비가 활용되고 있다. 특히 모세혈관 내 산소의 함량 측정에 많이 사용된다.

두뇌 특정 부분의 혈류량 변화를 관찰하는 목적으로도 사용된다. 헤모글로빈의 정량적 측정과 이미징 기술을 조합하면 두뇌의 활성화 정도를 파악해서 두뇌의 부분별 기능을 조사할 수 있음으로, 기능성 자기공명영상장치(f-MRI)를 보완하는 역할을 한다. 뇌출혈 부위를 파악하고, 근육, 유방, 암 부위의 혈류 속도, 혈류량, 산소포화도, 산소공급속도를 감지하는 데도 사용된다. 혈액에 인도사아닌 그린(ICG)와 같은 감지 물질을 미리 주입해서 감지 효율을 높이기도 한다.

실리카 유리의 흡수 ().

광섬유 ().

카오(C. K. Kao)와 호크햄(G. A. Hockham)은 1966년 광통신의 가능성을 처음 제안했다.³⁾ 두 사람은 그 공로로 2009년 노벨 물리학상을 받았다. 고순도 실리카 유리의 흡광도가 파장 1.30 ~ 1.55μm의 근적외선 영역에서는 0이라는 사실과 유리 섬유 내 전반사를 이용하면 빛을 멀리까지 보낼 수 있다는 사실을 이용한 것이다.

이후 1970년 미국 코닝사가 전송 손실 20dB/km의 광섬유를 개발하면서 광통신 기술의 개발이 가속화되었다. 광통신은 전기신호를 광신호로 바꾸고 나중에 광신호를 전기신호로 바꾸는 정보전달 시스템이다. 광섬유는 전송로, 광원은 다이오드 레이저 혹은 발광 다이오드, 수광기(검출기)로 광다이오드를 사용한다.

현재 근거리에서는 주로 850nm, 장거리에서는 1.30과 1.55μm 파장의 근적외선을 사용한다. 근적외선을 이용하는 광통신은 구리 선을 사용할 때보다 수만 배까지 많은 정보를 처리할 수 있다. 광통신은 전자기 방해(electromagnetic interference)나 기후의 영향을 받지 않으며, 중계기 설치 구간이 50km 이상으로 구리 통신선보다 10배 이상 길고, 전송 정보의 양이 매우 증가하며, 외부 도청이 불가능하고, 무게와 부피가 작으며, 비부식성과 내구성이 뛰어나, 경제적으로도 유리하다. 그러나 접속이 어렵고, 중계기에 별도의 전원이 필요하며, 케이블에 장애가 생겼을 때 수리가 까다롭고, 충격에 약하다는 단점이 있다. 그런데도 광통신은 빠른 속도로 일반화되고 있다.

야시경을 통해 본 야시경 사용 병사 ().

야시경은 광자를 전기적 신호로 바꾼 후 다시 가시광선 영상정보로 투사해서 관측자에게 보여준다. 야시경은 근적외선 영역의 광자를 사용한다. 근적외선은 직진성이 가시광선에 버금가고 사람 눈에 보이지 않기 때문에 야시경에 공급되는 영상정보로 활용되기에 적합하다.

야시경 정보과 열 영상(thermal imaging)은 구별되어야 한다. 열 영상은 물체와 주변 표면의 온도 분포를 기초로 한 영상을 보여주는 데 반해 야시경은 최대한 가시광선 이미지에 근접하는 정보를 제공하는 것이 목적이다.

1. 'Herschel discovers infrared light'. Cool Cosmos. Archived from the original on 25 February 2012. Retrieved 6 June 2018.
2. Roman M. Balabin; Ravilya Z. Safieva & Ekaterina I. Lomakina (2007). 'Comparison of linear and nonlinear calibration models based on near infrared (NIR) spectroscopy data for gasoline properties prediction'. Chemometr Intell Lab. 88 (2): 183–188.
3. Kao, K. C.; Hockham, G. A. (1966). 'Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies'. Proc. IEE. 113 (7): 1151–1158.