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적외선

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목차

1. 개요

적외선은 가시광선보다 긴 파장을 가진 전자기파로, 일반적으로 780nm에서 1mm 사이의 파장 범위를 갖는다. 파장에 따라 근적외선, 중적외선, 원적외선으로 분류되며, 열선으로도 불린다. 윌리엄 허셜에 의해 1800년에 발견되었으며, 군사, 의료, 산업, 통신, 기상 관측 등 다양한 분야에서 활용된다. 특히 야간 투시 장비, 열화상 카메라, 적외선 분광법, 광통신, 리모컨 등에 사용되며, 지구 온난화 연구, 천문학 관측에도 중요한 역할을 한다.

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  • 적외선 - 원적외선
    원적외선은 5K에서 340K 사이의 물체에서 방출되는 전자기파로, 천문학 관측, 인체 감지, 난방, 의료 분야 등에서 활용된다.
  • 적외선 - 흑체
    흑체는 모든 전자기파를 흡수하고 반사하지 않는 이상적인 물체로, 열복사 연구를 통해 양자론 탄생에 기여했으며, 실제로는 존재하지 않지만 근사적으로 구현 가능하다.
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적외선
개요
유형전자기파
파장750 nm ~ 1 mm
주파수300 GHz ~ 400 THz
파수10 cm⁻¹ ~ 14,000 cm⁻¹
발견자윌리엄 허셜
발견일1800년
특징
복사모든 물체는 열에 따라 적외선을 방출한다.
열물체가 흡수하면 온도가 상승한다.
투과빛처럼 일부 물질을 통과할 수 있다.
스펙트럼근적외선 (NIR) :
단파 적외선 (SWIR) :
중파 적외선 (MWIR) :
장파 적외선 (LWIR) :
원적외선 (FIR) :
활용
천문학별과 성운 관측
우주의 열 지도 작성
의료열화상 진단
물리 치료
산업열화상 카메라를 이용한 장비 진단
광학 센서를 이용한 물체 감지
건조 및 가열 공정
통신광섬유 통신
적외선 리모컨
보안감시 카메라
열 감지 센서
역사
발견윌리엄 허셜이 1800년 프리즘을 이용한 실험 중 발견
초기 연구19세기 초, 존 허셜이 적외선 스펙트럼 연구
마케도니오 멜로니가 열전퇴를 이용한 연구
새뮤얼 피어폰트 랭글리의 볼로미터 개발
응용 개발20세기 초, 적외선 감지 기술 개발
제2차 세계 대전 중 군사적 목적으로 활용
냉전 시대에는 적외선 유도 미사일 개발
현대적 활용열화상 카메라 개발
적외선 천문학 발전
분광학, 원격 감지 등 다양한 분야에서 활용
인체 영향
열 효과적외선은 피부에 흡수되어 열을 발생, 과도한 노출은 화상 위험
생리 효과세포 활성화, 혈액순환 촉진 등 일부 긍정적 효과 보고
안전적절한 강도와 시간 노출은 일반적으로 안전
추가 정보
명칭 유래"붉은색 바깥쪽"을 의미하는 라틴어 "infra"에서 유래
다른 이름열선 (Heat ray)

2. 종류 및 특성

적외선은 붉은색 가시광선 영역(약 630~780nm)보다 파장이 긴 전자기파로, '붉은색 아래 단계'라는 뜻을 가지고 있다. 적외선의 범위는 780nm(나노미터)부터 1mm(밀리미터)까지이며, 주파수로는 약 430THz(테라헤르츠)에서 300GHz(기가헤르츠)에 해당한다. 적외선은 파장에 따라 근적외선, 중적외선, 원적외선 등으로 나뉜다.

방출률이 높은 물질은 실제 온도에 더 가깝게 나타난다. 반사율이 높은 세라믹 실린더는 주변 환경을 더 많이 반사하여 실제 온도보다 더 차갑게 보인다.


적외선은 흔히 '열복사'라고 불리지만, 모든 전자기파는 흡수하는 표면을 가열할 수 있다. 태양에서 오는 적외선은 지구 가열의 49%를 차지하며,[32] 나머지는 가시광선에 의해 발생한다. 상온의 물체는 주로 8~25μm(마이크로미터) 대역의 열복사를 방출한다.[33]

물체의 적외선 방출을 이해하는 데 중요한 개념은 방출률이다. 방출률은 물체 표면의 열 방출이 이상적인 흑체와 얼마나 다른지를 나타내는 특성이다. 방출률이 다르면 같은 온도에서도 적외선 이미지가 다르게 나타날 수 있다. 예를 들어, 방출률이 높은 물체는 더 뜨겁게, 낮은 물체는 더 차갑게 보인다.

인간은 760~830nm 정도의 파장까지만 빛으로 감지할 수 있으며, 그보다 긴 파장의 빛은 감지할 수 없다. 적외선은 가시광선의 적색 바깥쪽에 위치하며, 밀리미터 파장의 전파보다는 파장이 짧다.

파장 대역파장광에너지
근적외선 (Near-infrared, NIR)0.75-1.4 µm0.9-1.7 eV
단파장 적외선 (Short-wavelength infrared, SWIR)1.4-3 µm0.4-0.9 eV
중파장 적외선 (Mid-wavelength infrared, MWIR)3-8 µm150-400 meV
장파장 적외선 (Long-wavelength infrared, LWIR)
열 적외선 (Thermal infrared, TIR)		8–15 µm80-150 meV
원적외선 (Far infrared, FIR)15-1,000 µm1.2-80 meV



물은 근적외선보다 원적외선을 더 강하게 흡수하며, 수 mm 이상은 투과하지 못한다.[88] 따라서 "원적외선이 신체 내부까지 침투하여 내부에서부터 따뜻하게 한다"는 주장은 잘못된 것이다.[89]

적외선은 기후에도 중요한 영향을 미친다. 지표면에서 방출되는 다량의 적외선을 이산화탄소와 같은 온실 효과 가스가 흡수하고 다시 방출하여 지표면 온도를 높이는 온실 효과를 일으킨다.[91]

2. 1. 일반적인 분류

적외선은 가시광선의 붉은색 영역 끝(780 nm)부터 1 mm까지의 파장을 가지는 전자기파이다. 이 파장 범위는 약 430 THz에서 300 GHz까지의 주파수 범위에 해당하며, 적외선 너머에는 전자기 스펙트럼의 마이크로파 영역이 있다. 최근에는 테라헤르츠파를 마이크로파 대역의 일부로 간주하여 적외선 대역의 경계를 0.1 mm(3 THz)로 보기도 한다.[12]

전자기 스펙트럼에서의 위치
이름파장주파수 (Hz)광자 에너지 (eV)
감마선10 pm 미만30 EHz 초과124 keV 초과
X선10 pm – 10 nm30 PHz – 30 EHz124 keV – 124 eV
자외선10 nm – 400 nm750 THz – 30 PHz124 eV – 3.3 eV
가시광선400 nm – 700 nm430 THz – 750 THz3.3 eV – 1.7 eV
적외선700 nm – 1 mm300 GHz – 430 THz1.7 eV – 1.24 meV
마이크로파1 mm – 1 m300 MHz – 300 GHz1.24 meV – 1.24 μeV
전파1 m 이상300 MHz 이하1.24 μeV 이하



태양광은 절반 이상이 적외선으로 구성되어 있으며, 지구 표면에서는 태양보다 낮은 온도에서 중적외선 영역의 열 방사선이 발생한다. 이러한 자연적인 열 방사 과정 외에도 번개나 산불과 같이 가시광선을 많이 생성하는 경우도 있지만, 산불은 가시광선보다 훨씬 더 많은 적외선을 생성한다.[14]

적외선은 다양한 파장을 가지지만, 센서가 특정 대역폭 내에서만 방사선을 수집하기 때문에 스펙트럼의 제한된 영역만이 관심 대상이 된다. 빈의 변위 법칙에 따라 열 적외선 방사선은 물체의 절대 온도에 반비례하는 최대 방출 파장을 가진다. 적외선 대역은 여러 영역으로 나뉘는데, 사용되는 분야에 따라 구분 방식이 다르다.

일반적으로 사용되는 파장 영역, 국제조명위원회(CIE) 권장 분류, ISO 20473 명시 체계, 천문학에서 사용되는 분류는 다음과 같다.[18][19][20]

적외선 영역 분류
구분에 따른 명칭약칭파장주파수광자 에너지특징
근적외선NIR, IR-A0.75–1.4 μm214–400 THz886–1,653 meV광섬유 통신, 야간 투시 장치, 근적외선 분광법 등에 사용
단파장 적외선SWIR, IR-B1.4–3 μm100–214 THz413–886 meV장거리 광섬유 통신에 사용
중파장 적외선MWIR, IR-C, MidIR3–8 μm37–100 THz155–413 meV유도 미사일 기술, 열 적외선 영상 등에 사용
장파장 적외선LWIR, IR-C8–15 μm20–37 THz83–155 meV열 영상, 열 적외선 영역
원적외선FIR15–1,000 μm0.3–20 THz1.2–83 meV
colspan="6" style="background-color:#F0F0F0;" |
국제조명위원회(CIE) 권장 분류
IR-A0.78–1.4 μm215–384 THz
IR-B1.4–3 μm100–215 THz
IR-C3–1,000 μm0.3–100 THz
colspan="6" style="background-color:#F0F0F0;" |
ISO 20473 명시 체계
근적외선NIR0.78–3 μm
중적외선MIR3–50 μm
원적외선FIR50–1,000 μm
colspan="6" style="background-color:#F0F0F0;" |
천문학에서 사용되는 분류
근적외선NIR0.7–2.5 μm
중적외선MIR3–25 μm
원적외선FIR25 μm 초과



광통신에서는 광원, 송수신 재료, 검출기의 가용성을 기준으로 적외선 스펙트럼을 7개의 대역으로 나눈다.[30] 그 중 C 대역은 장거리 통신 네트워크에 가장 많이 사용된다.

2. 1. 1. 근적외선 (Near Infrared, NIR)

광섬유 통신에서는 실리카 유리의 감쇠 손실이 낮은 특성 때문에 근적외선이 일반적으로 사용된다. 특히, 1,530~1,560 nm 범위는 장거리 통신에서 주요 스펙트럼 영역으로 활용된다.(전송 창영어 참조)[18][19][20]

근적외선은 가시광선에 가장 가까운 파장(약 0.7 ~ 2.5 μm)을 가지며, 붉은색 가시광선과 유사한 특성을 보인다. 이러한 특성으로 인해 '보이지 않는 빛'으로 불리며, 다음과 같은 다양한 분야에 응용된다.

  • 광섬유 통신: 광섬유에서 주로 사용되는 파장대는 1.55µm이다.
  • 적외선 통신: 리모컨 등 가전제품에 활용된다.
  • 생체 인식: 정맥 인식과 같은 생체 인식 기술에 사용된다.
  • 야간 투시 장비: 상보강관을 이용한 야간 투시경은 근적외선 영역의 스펙트럼에 민감하게 반응한다.
  • 근적외선 분광법: 물질 분석에 활용되는 기술이다.
  • 적외선 카메라
  • 천문학: 천문학 분야에서는 1~3 µm의 파장을 근적외선으로 분류한다.


태양광의 거의 모든 적외선 방사선은 4 μm보다 짧은 근적외선이다.[13]

2. 1. 2. 중적외선 (Mid Infrared, MIR)

중적외선은 파장이 약 2.5~50 μm인 전자기파로, 근적외선의 일부로 분류되기도 한다.[25] 적외선 분광 분야에서는 단순히 '''적외선'''이라고 하면 이 영역을 가리키는 경우가 많다. 파수가 1300~650 cm−1인 영역은 지문 영역이라고 불리며, 물질 고유의 흡수 스펙트럼이 나타나기 때문에 화학 물질의 동정에 사용된다. 천문학 분야에서는 3~25 μm 파장의 것을 '''중적외선'''이라고 부른다.[26]

2. 1. 3. 원적외선 (Far Infrared, FIR)

원적외선은 열선이라고도 불리며, 파장이 약 4~1000 µm인 전자기파이다. 성질은 전파와 비슷하다. 천문학 분야에서는 40~400 µm의 파장을 원적외선으로 정의한다.[25]

모든 물질은 열복사에 의해 온도에 따른 스펙트럼의 전자기파를 방출한다. 이 강도는 고온의 물체일수록 강해진다. 또한, 열복사의 피크 파장은 온도에 반비례하여 상온의 물체에서는 적외선의 강도가 가장 강하다. 예를 들어, 20 ℃의 물체가 방출하는 적외선의 피크 파장은 약 10 µm이다.

2. 2. 기타 분류

적외선의 범위는 일반적으로 가시광선의 붉은색 영역 끝(780 nm)부터 1 mm까지로 간주되지만, 보편적으로 받아들여지는 정의는 없다. 이 파장 범위는 약 430 THz에서 300 GHz까지의 주파수 범위에 해당한다.[12] 최근에는 테라헤르츠파가 마이크로파 대역의 일부로 간주되면서 적외선 대역의 경계가 0.1 mm(3 THz)로 이동하고 있다.

전자기 스펙트럼에서의 위치[12]
이름파장주파수 (Hz)광자 에너지 (eV)
감마선10 pm 미만30 EHz 초과124 keV 초과
X선10 pm – 10 nm30 PHz – 30 EHz124 keV – 124 eV
자외선10 nm – 400 nm750 THz – 30 PHz124 eV – 3.3 eV
가시광선400 nm – 700 nm430 THz – 750 THz3.3 eV – 1.7 eV
적외선700 nm – 1 mm300 GHz – 430 THz1.7 eV – 1.24 meV
마이크로파1 mm – 1 m300 MHz – 300 GHz1.24 meV – 1.24 μeV
전파1 m 이상300 MHz 이하1.24 μeV 이하



국제조명위원회(CIE)는 적외선을 IR-A, IR-B, IR-C의 세 가지 영역으로 나눌 것을 권장했다.[23][24]

약칭파장주파수
IR-A 에서 에서
IR-B 에서 에서
IR-C 에서 에서



ISO 20473는 다음과 같이 근적외선(NIR), 중적외선(MIR), 원적외선(FIR)으로 구분한다.[25]

명칭약어파장
NIR | 0.78–3 μm
MIR | 3–50 μm
FIR | 50–1,000 μm



천문학자들은 일반적으로 적외선 스펙트럼을 근적외선(NIR), 중적외선(MIR), 원적외선(FIR)으로 나누지만, 이 구분은 출판물에 따라 다를 수 있다.[26]

명칭약칭파장
NIR | 에서
MIR | 에서 25μm
FIR | 초과



천문학에서 사용되는 광도계 시스템은 사용되는 필터에 따라 대문자 문자를 서로 다른 스펙트럼 영역에 할당하는데, I, J, H, K는 근적외선 파장을, L, M, N, Q는 중적외선 영역을 나타낸다. 이러한 문자들은 대기 투과창을 참조하여 이해되며, 많은 논문의 제목에 나타난다.

베타 그림자(Beta Pictoris)와 그 행성인 베타 그림자 b. 중앙에서 약간 벗어난 연한 파란색 점이 행성이다. 3.6 μm에서 촬영한 두 이미지를 합성한 것이다.


적외선 천문학은 광학 천문학의 일부로 분류되며, 거울, 렌즈 및 고체 상태 디지털 검출기를 포함한 광학 부품을 사용하여 전자기 스펙트럼의 적외선 부분에 있는 천체를 관측한다. 지상 기반 적외선 망원경은 대기 중의 수증기로 인해 감도가 제한되지만, 우주 망원경은 이러한 단점이 없어 적외선 천문학에 이상적인 장소로 여겨진다.

적외선은 우리 은하의 차갑고 어두운 분자 구름, 원시별, 행성과 같은 차가운 천체, 활동 은하의 중심, 높은 적색편이를 가진 먼 은하 등을 관측하는 데 유용하다.[10]

파장 대역파장광에너지
근적외선 (Near-infrared, NIR)0.75-1.4 µm0.9-1.7 eV
단파장 적외선 (Short-wavelength infrared, SWIR)1.4-3 µm0.4-0.9 eV
중파장 적외선 (Mid-wavelength infrared, MWIR)3-8 µm150-400 meV
장파장 적외선 (Long-wavelength infrared, LWIR)
열 적외선 (Thermal infrared, TIR)		8–15 µm80-150 meV
원적외선 (Far infrared, FIR)15-1,000 µm1.2-80 meV


2. 3. 대기 투과 특성

물은 근적외선보다 원적외선을 더 강하게 흡수하지만, 어떤 파장도 수 mm 이상은 투과하지 않는다.[88] "원적외선은 신체 내부까지 침투하여 내부에서부터 따뜻하게 한다"라는 주장은 잘못된 것이다.[89]

적외선은 기후에도 중대한 영향을 미친다. 지표면에서는 다량의 적외선이 방출되는데, 이 적외선을 이산화탄소 등의 온실 효과 가스가 흡수하여 다시 적외선을 방출한다. 이 작용에 의해 지표면의 기온이 상승한다. 이러한 일련의 움직임을 온실 효과라고 하며, 지구의 기온을 크게 상승시키는 역할을 하고 있다. 온실 효과에 의한 적외선 방사는 태양으로부터 직접 받는 열량을 크게 상회하며, 만약 온실 효과가 존재하지 않았다면 지구는 영하의 꽁꽁 언 행성이 되었을 것이다.[91]

2. 4. 물의 흡수 특성

물은 근적외선보다 원적외선을 더 강하게 흡수하지만, 어떤 파장도 수 mm 이상은 투과하지 않는다.[88] "원적외선은 신체 내부까지 침투하여 내부에서부터 따뜻하게 한다"라는 주장은 잘못된 것이다.[89] 물에 대한 흡광도는 중적외선 및 원적외선에서 높아 생체 조직, 특히 수분을 많이 포함한 조직 표면에서 대부분 흡수된다.[90] 이러한 파장을 이용하는 이산화탄소 레이저(λ=10.6 µm)나 Er:YAG 레이저(λ=2.94 µm)는 생체 조직 절개(레이저 메스)나 증산에 사용된다.[90]

3. 역사

1800년 윌리엄 허셜이 적외선의 존재를 처음 입증한 이후, 적외선은 다양한 분야에서 연구 및 활용되었다. "적외선"이라는 용어는 19세기 후반까지 등장하지 않았다.[68]

다음은 적외선 연구 및 기술 발전과 관련된 주요 사건들을 정리한 표이다.

연도사건
1830년레오폴도 노빌리가 최초의 열전쌍 적외선 검출기를 만듦.[70]
1840년존 허셜이 최초의 열 이미지인 써모그램을 제작.[71]
1860년구스타프 키르히호프가 흑체 정리 E = J(T, n)를 공식화.[72]
1873년윌로비 스미스가 셀레늄의 광전도성을 발견.[73]
1878년샘유엘 피어폰트 랭글리가 미세한 온도 변화를 측정할 수 있는 최초의 볼로미터를 발명.[74]
1879년슈테판-볼츠만 법칙이 실험적으로 공식화되어 흑체가 방출하는 복사 에너지는 T4에 비례한다는 것을 밝힘.[75]
1880년대와 1890년대레일리 경과 빌헬름 빈이 흑체 방정식의 일부를 풀었지만, 두 해결책 모두 전자기 스펙트럼의 일부 영역에서 발산. 이 문제는 "자외선 파탄과 적외선 파탄"이라고 불림.[76]
1892년빌렘 헨리 율리우스가 볼로미터를 사용하여 측정한 20가지 유기 화합물의 적외선 스펙트럼을 각도 변위 단위로 발표.[77]
1901년막스 플랑크가 흑체 방정식과 정리를 발표. 그는 허용 가능한 에너지 전이를 양자화하여 문제를 해결.[78]
1905년알베르트 아인슈타인이 광전 효과 이론을 개발.[79]
1905년~1908년윌리엄 코블렌츠가 적외선 스펙트럼 조사에서 여러 화학 화합물에 대한 파장(마이크로미터) 단위의 적외선 스펙트럼을 발표.[80][81][82]
1917년시어도어 케이스가 탈륨 황화물 검출기를 사용한 최초의 적외선 탐색 추적 장치를 개발.
1935년납염 – 초기 제2차 세계 대전 미사일 유도 장치.
1938년여우 타는 열전 효과를 사용하여 적외선 복사를 감지할 수 있다고 예측.[83]
1945년질게랫 1229 "뱀파이어" 적외선 무기 시스템이 군사 목적으로 사용되는 최초의 휴대용 적외선 장치로 도입.
1952년하인리히 벨커가 합성 InSb 결정을 성장시킴.
1950년대와 1960년대프레드 니코데무스, G. J. 지시스, R. 클라크가 명명법과 방사 측정 단위를 정의했고, 로버트 클라크 존스가 D*를 정의.
1958년W. D. 로손 (말번의 왕립 레이더 연구소)가 수은 카드뮴 텔루라이드(HgCdTe)의 적외선 검출 특성을 발견.[84]
1958년적외선 기술을 사용하여 팰컨과 사이드와인더 미사일이 개발.
1960년대폴 크루제와 허니웰 연구 센터의 동료들은 HgCdTe를 적외선 검출을 위한 효과적인 화합물로 사용하는 것을 입증.[84]
1962년J. 쿠퍼가 열전 검출을 시연.[85]
1964년W. G. 에반스가 불을 좋아하는 딱정벌레에서 적외선 수용체를 발견.[55]
1965년최초의 적외선 안내서; 최초의 상용 이미저(바네스 에게마 (현재 FLIR 시스템즈 Inc.의 일부)); 리처드 허드슨의 획기적인 저술; 휴즈 항공사의 F4 TRAM FLIR; 프레드 시몬스와 A. T. 스테어가 개척한 현상학; 미국 육군의 야간 투시경 연구소 설립(현재 야간 투시경 및 전자 센서국(NVESD)), 그리고 라쳇이 탐지, 인식 및 식별 모델링을 개발.
1970년윌러드 보일과 조지 E. 스미스가 벨 연구소에서 픽처폰을 위한 CCD를 제안.
1973년NVESD에서 공통 모듈 프로그램이 시작.[86]
1978년적외선 이미징 천문학이 성숙기에 접어들었고, 관측소가 계획되었으며, 마우나 케아에 있는 IRTF이 개장되었고, InSb, HgCdTe 및 기타 재료를 사용하여 32×32 및 64×64 어레이가 생산.
2013년2월 14일, 연구원들이 쥐에게 적외선을 감지하는 능력을 부여하는 신경 이식물을 개발. 이는 최초로 기존의 능력을 대체하거나 향상시키는 것이 아니라 생물에게 새로운 능력을 부여하는 것.[87]


3. 1. 적외선 발견

1800년 독일 출신의 영국 천문학자 윌리엄 허셜은 스펙트럼에서 분리되는 색깔들의 온도를 측정하기 위해 각 색깔에 수은온도계를 설치했다. 실험 결과, 빛이 보이지 않는 부분에서도 온도가 상승하는 것을 발견했는데, 이는 열이 눈에 보이지 않는 빛의 형태로도 전달된다는 사실을 발견한 최초의 실험이었다. 허셜은 프리즘을 사용하여 태양의 빛을 굴절시켰고, 적색 스펙트럼 너머에서 온도계에 기록된 온도 증가를 통해 적외선을 감지했다. 그는 그 결과에 놀라서 그것을 "열선(Calorific Rays)"이라고 불렀다.[66][67]

1800년 윌리엄 허셜에 의해 적외선 복사가 발견되었다.


이 발견에 자극받아 이듬해인 1801년에는 독일의 요한 빌헬름 리터에 의해 자외선도 발견되었다.[93]

1850년에는 이탈리아의 마세도니오 멜로니가 적외선에는 반사, 굴절, 편광, 간섭, 회절이 나타나고, 그 성질은 가시광선과 같다는 것을 실험을 통해 보였다.

3. 2. 적외선 연구 및 기술 발전

레오폴도 노빌리는 1830년에 최초의 열전쌍 적외선 검출기를 만들었다.[70] 1840년에는 존 허셜이 최초의 열 이미지인 써모그램을 제작했다.[71] 1873년, 윌로비 스미스가 셀레늄의 광전도성을 발견했다.[73] 1878년에는 샘유엘 피어폰트 랭글리가 미세한 온도 변화를 측정할 수 있는 최초의 볼로미터를 발명했다.[74]

19세기 후반에는 적외선 분광학 연구가 활발하게 진행되었으며, 슈테판-볼츠만 법칙(1879년)[75], 키르히호프의 열복사 법칙(1860년)[72], 빈의 변위 법칙(1880년대와 1890년대)[76] 등 열역학 법칙이 확립되었다.

20세기 초, 막스 플랑크의 흑체 방정식(1901년)[78] 발표와 알베르트 아인슈타인의 광전 효과 이론 개발(1905년)[79] 등 양자역학의 발전과 함께 적외선 연구가 더욱 심화되었다.

1917년 시어도어 케이스는 1.6km 거리에서 항공기를 탐지할 수 있는 최초의 적외선 탐색 추적 장치를 개발했다. 1935년에는 납염이 초기 제2차 세계 대전 미사일 유도 장치로 활용되었다. 1945년에는 질게랫 1229 "뱀파이어" 적외선 무기 시스템이 군사용으로 도입되었다.

1950년대와 1960년대에는 프레드 니코데무스, G. J. 지시스, R. 클라크가 방사 측정 단위를 정의했고, 로버트 클라크 존스가 ''D''*를 정의했다. 1958년 W. D. 로손이 수은 카드뮴 텔루라이드(HgCdTe)의 적외선 검출 특성을 발견했고,[84] 같은 해 적외선 기술을 사용한 팰컨과 사이드와인더 미사일이 개발되었다. 1960년대에는 폴 크루제와 허니웰 연구 센터의 동료들이 HgCdTe를 적외선 검출을 위한 효과적인 화합물로 사용하는 것을 입증했다.[84]

1965년에는 최초의 적외선 안내서, 최초의 상용 이미저(바네스 에게마)가 등장했고, 리처드 허드슨의 저술, 휴즈 항공사의 F4 TRAM FLIR, 프레드 시몬스와 A. T. 스테어가 개척한 현상학이 나타났다. 또한 미국 육군의 야간 투시경 연구소가 설립되고, 라쳇이 탐지, 인식 및 식별 모델링을 개발했다.

1973년 NVESD에서 공통 모듈 프로그램이 시작되었고,[86] 1978년에는 적외선 이미징 천문학이 성숙기에 접어들어 마우나 케아에 IRTF이 개장되었다.

4. 활용 분야

적외선은 다양한 분야에서 활용되고 있다.


  • 군사 분야: 표적 탐지 및 추적에 사용된다.[18][19][20]
  • 산업 및 의료 분야: 적외선전구는 강한 적외선을 방출하여 공업 및 의료용으로 사용된다. 일반적인 텅스텐 백열전구도 대부분 적외선을 방출하며, 가시광선은 발광 에너지의 2~3%에 불과하다.
  • 연구, 산업, 의료용: 적외선레이저는 높은 단색성과 강도를 가지며, 다양한 파장의 레이저가 활용된다. (예: 0.83μm GaAs 반도체 레이저, 10.6μm CO2 레이저 등)
  • 화학 분석: 액체나 기체 상태의 물질은 특유한 파장의 적외선을 강하게 흡수한다. 적외선분광분석은 이 흡수 스펙트럼을 조사하여 물질의 화학적 조성, 반응 과정, 분자 구조를 정밀하게 추정한다.
  • 대기 투과성 활용: 적외선은 파장이 길어 미립자에 의한 산란 효과가 적어 공기를 비교적 잘 투과한다. 이를 이용해 항공 사진 측량(0.8µm), 원거리 사진, 야간 촬영, 거리 측정, 적외선감시장치 등에 활용된다.
  • 위조 검사 및 감정: 적외선은 가시광선과 다른 반사율을 가지는 특성을 이용해 화폐, 증권, 문서 등의 위조 검사나 감정에 사용된다.
  • 농수산품 건조 및 가열: 열효과 특성은 각종 재료, 공산품, 농수산품의 건조 및 가열에 응용된다.
  • 의료 분야: 소독, 멸균, 관절 및 근육 치료에 근적외선(NIR)이 많이 쓰이고, 10µm 적외선 레이저빔은 외과 수술, 종양 제거, 신경 연결 등에 사용된다. 적외선 영상은 진단용으로도 활용된다.
  • 기타: 자동 경보기, 문의 자동 개폐기 등에도 적외선과 검출기가 조합되어 사용되며, 학술적 연구에도 적외선 레이저빔이 유용하게 사용된다.
  • 야간 투시: 가시광선이 부족한 환경에서 야간 투시 장치에 사용된다.[34]
  • 열화상 이미징: 물체와 주변 환경에서 나오는 적외선(열)을 감지하여 표면 온도 차이를 기반으로 이미지를 생성한다.[35][8]

재진입 중 우주왕복선 열 차폐 시스템의 온도 분포를 결정하는 데 열화상 사진이 도움이 되었다.

  • 초분광 영상: 각 픽셀에 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 연속적인 스펙트럼을 포함하는 "사진"이다. 특히 NIR, SWIR, MWIR 및 LWIR 스펙트럼 영역을 사용하는 응용 분광학 분야에서 중요성이 커지고 있다. 일반적인 응용 분야에는 생물학적, 광물학적, 방위 및 산업 측정이 포함된다.

초분광 열 적외선 방출 측정, 겨울철 야외 스캔, 주변 온도 -15 °C, Specim LWIR 초분광 이미저로 생성된 이미지

  • 적외선 사진: 적외선 필터를 사용하여 근적외선 스펙트럼을 포착한다. 디지털 카메라는 종종 적외선 차단 필터를 사용한다.

디지털 카메라로 기록된 리모컨의 LED에서 나오는 적외선

  • 지구 온난화와 적외선: 기후학 분야에서 대기 적외선 복사는 지구와 대기 사이의 에너지 교환 추세를 감지하기 위해 모니터링된다. 이러한 추세는 지구 기후의 장기적인 변화에 대한 정보를 제공한다.

메탄, 수증기, 이산화탄소 분자가 태양열을 재방출하는 온실 효과


일반적으로 사용되는 파장 영역 분류는 다음과 같다.

영역 명칭약칭파장특징
근적외선NIR, IR-A DIN0.75–1.4 μm광섬유 통신, 야간 투시 장치, 근적외선 분광법
단파장 적외선SWIR, IR-B DIN1.4–3 μm장거리 통신 (전송 창)
중파장 적외선MWIR, IR-C DIN; MidIR3–8 μm유도 미사일 기술, 열 적외선
장파장 적외선LWIR, IR-C DIN8–15 μm열 영상
원적외선FIR15–1,000 μm원적외선 레이저 및 원적외선 참조



NIR과 SWIR을 함께 "반사 적외선", MWIR과 LWIR은 "열 적외선"이라고 부르기도 한다.

적외선 야간 투시: 카메라는 인간의 눈에는 보이지 않는 적외선 파장으로 장면을 비춘다.

  • 적외선 청소 기술: 일부 영화 필름 스캐너, 필름 스캐너, 평판 스캐너에서 완성된 스캔의 먼지 및 흠집 효과를 줄이거나 제거하는 데 사용되는 기술이다.
  • 미술: 적외선 반사 사진법[48]은 비파괴 방식으로 그림의 하층을 드러내는 데 사용할 수 있으며, 특히 화가의 밑그림 또는 안내용으로 그린 윤곽선을 확인하는 데 유용하다.

레오나르도 다 빈치의 모나리자 적외선 반사 사진



  • 생물학: 독사는 머리에 한 쌍의 적외선 감지 구멍을 가지고 있다. 방울뱀과 보아뱀은 먹이가 방출하는 열을 감지하여 적외선 감지 구멍을 이용해 먹이를 찾고 사냥한다.

뱀이 쥐를 먹는 열화상 이미지

  • 의학: 근적외선 광선 또는 광생물조절은 항암화학요법 유발 구강궤양 치료 및 상처 치유에 사용된다.

4. 1. 열원

미용실용 적외선 헤어드라이어


적외선은 의도적인 열원으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 적외선 사우나에서 이용자를 가열하는 데 사용된다. 또한 항공기 날개의 얼음을 제거하는 제빙 등 다른 난방 응용 분야에도 사용될 수 있다.[39] 적외선은 브로일링 또는 그릴링과 같은 요리에도 사용된다. 에너지적 장점 중 하나는 적외선 에너지가 주변 공기가 아닌 음식과 같은 불투명한 물체만 가열한다는 것이다.[25]

적외선 난방은 코팅 경화, 플라스틱 성형, 어닐링, 플라스틱 용접 및 인쇄 건조 등 산업 제조 공정에서도 점점 더 인기를 얻고 있다. 이러한 응용 분야에서 적외선 히터는 대류 오븐과 접촉 가열을 대체한다.

여러 기술 또는 제안된 기술들은 건물이나 다른 시스템을 냉각하기 위해 적외선 방출을 이용한다. LWIR(8–15 μm) 영역은 특히 유용한데, 이 파장의 일부 복사는 대기의 적외선 창을 통해 우주로 빠져나갈 수 있기 때문이다. 이것이 바로 수동 주간 복사 냉각(PDRC) 표면이 직사광선 아래에서 주변 온도보다 낮은 냉각 온도를 달성할 수 있는 이유이며, 열 흐름을 지구에서 우주로 향상시키면서 에너지 소비나 오염이 전혀 없다.[40][41] PDRC 표면은 단파 태양 반사율을 극대화하여 열 취득을 줄이는 동시에 강력한 장파 적외선(LWIR) 열 복사 열 전달을 유지한다.[42][43] 전 세계적인 규모로 볼 때, 이 냉각 방법은 지구 온난화를 늦추고 심지어 역전시키는 방법으로 제안되었으며, 일부 추정에 따르면 전 세계 표면적의 1~2%를 덮으면 전 세계 열 흐름의 균형을 맞출 수 있다고 한다.[44][45]

원적외선은 열선이라고도 불리며, 파장이 약 4~1000 µm인 전자기파이다. 성질은 전파와 비슷하다. 천문학 분야에서는 40~400 µm의 파장을 원적외선으로 정의한다.

모든 물질은 열복사에 의해 온도에 따른 스펙트럼의 전자기파를 방출한다. 이 강도는 고온의 물체일수록 강해진다. 또한, 열복사의 피크 파장은 온도에 반비례하여 상온의 물체에서는 적외선의 강도가 가장 강하다. 예를 들어, 20 ℃의 물체가 방출하는 적외선의 피크 파장은 약 10 µm이다.

원적외선(열선)의 복사는 대상 물체에 열을 가하는 효과가 있어 난방 및 조리 기구 등으로 이용되고 있다. 많은 난방 기구가 복사를 이용하고 있지만, 난방 효과에서 복사의 비율에는 크고 작음이 있다. 주로 복사에 의한 난방 기구로는 코타츠, 전기 스토브 등이 있다. 연소를 사용하는 기구는 온도가 높기 때문에 가시광선의 비율이 많지만, 온도가 낮은 촉매 연소를 이용하는 기구도 있다. 복사를 이용한 조리 기구로는 전기 오븐과 오븐 토스터가 있다. 또한 도장 공정에서 도장면에 열을 가하여 경화시킬 때는 복사를 이용한 전용 히터가 사용된다. 리플로우 방식에 의한 인쇄회로기판의 납땜에서는, 기판 및 부품의 가열에 사용하는 리플로우로에서 원적외선이 자주 사용된다.

4. 2. 센서

근적외선과 원적외선은 여러 분야에서 센서로 널리 사용되고 있다.

적외선은 가시광선보다 파장이 길어 산란되기 어렵다. 이 성질을 이용하여 연기나 얇은 천 등을 투과해 그 너머의 물체를 촬영할 수 있다. 또한, 눈에 보이지 않으므로 야간에 피사체를 근적외선 광원으로 비추어도 피사체에게 알리지 않고 촬영할 수 있다. 이러한 점 때문에 경비·방위, 야생 동물 관찰·연구 용도로 널리 사용되며, 주로 근적외선이 사용된다.

한편, 모든 물체는 자체 온도에 따른 원적외선을 방출한다(흑체복사).[31] 따라서 대상물이 방출하는 원적외선을 감지하는 센서는 광원이 없어도 목표물을 발견할 수 있다. 흑체복사에서는 온도에 따라 강도가 다른 적외선이 방출되므로, 대상물의 온도를 측정할 수 있다. 이를 이용한 기술이 열화상 사진이다.

4. 3. 통신

광통신에서 사용되는 적외선 스펙트럼의 일부는 광원, 송수신/흡수 재료(섬유) 및 검출기의 가용성을 기준으로 7개의 대역으로 나뉜다.[30]

대역설명파장 범위
O 대역원래1260nm–1360nm
E 대역확장1360nm–1460nm
S 대역단파장1460nm–1530nm
C 대역기존1530nm–1565nm
L 대역장파장1565nm–1625nm
U 대역초장파장1625nm–1675nm



C 대역은 장거리 통신 네트워크에 가장 많이 사용되는 대역이다. S 대역과 L 대역은 기술적으로 아직 완전히 확립되지 않았으며, 광범위하게 배치되지는 않았다.

적외선 추적(infrared tracking) 또는 적외선 유도(infrared homing)라고도 알려진 것은 표적이 방출하는 적외선 스펙트럼의 전자기 복사를 이용하여 표적을 추적하는 수동 미사일 유도 시스템을 말한다. 적외선 추적을 사용하는 미사일은 종종 "열추적 미사일"이라고 불리는데, 적외선(IR)은 가시광선 스펙트럼 바로 아래 주파수에 있으며 고온의 물체에서 강하게 방출되기 때문이다. 사람, 차량 엔진, 항공기와 같은 많은 물체는 열을 발생시키고 유지하므로 배경의 물체에 비해 적외선 파장의 빛에서 특히 잘 보인다.[38]

적외선 통신 (D901iS)


적외선 데이터 전송은 컴퓨터 주변기기와 개인용 디지털 보조 장치 간의 근거리 통신에도 사용된다. 이러한 장치는 일반적으로 적외선 데이터 협회(IrDA)에서 발표한 표준을 준수한다. 리모컨과 IrDA 장치는 적외선 발광 다이오드(LED)를 사용하여 적외선을 방출하며, 이 적외선은 렌즈에 의해 사용자가 검출기에 조준하는 빔으로 집중될 수 있다. 이 빔은 변조되어 수신기가 해석하는 코드에 따라 켜지고 꺼진다. 일반적으로 실용적인 이유로 매우 근적외선(800nm 미만)이 사용된다. 이 파장은 저렴한 실리콘 포토다이오드에 의해 효율적으로 검출되며, 수신기는 이를 사용하여 검출된 방사선을 전류로 변환한다. 이 전기 신호는 고역 통과 필터를 통과하여 주변 광으로부터 천천히 변하는 적외선을 걸러내면서 적외선 송신기로 인한 빠른 맥동을 유지한다. 적외선 통신은 인구 밀도가 높은 실내 사용에 유용하다. 적외선은 벽을 통과하지 않으므로 인접한 방의 다른 장치와 간섭하지 않는다. 적외선은 리모컨이 가전제품을 제어하는 가장 일반적인 방법이다.

RC-5, SIRC와 같은 적외선 리모컨 프로토콜은 적외선 통신에 사용된다.

적외선 레이저를 사용하는 자유 공간 광 통신은 방사선 피해를 제외하고는 광섬유 케이블 매설 비용에 비해 최대 4Gbps로 작동하는 도시 지역에 통신 링크를 설치하는 비교적 저렴한 방법이 될 수 있다. "눈으로 적외선을 감지할 수 없기 때문에 눈을 깜빡이거나 감아서 피해를 예방하거나 줄이려는 노력이 이루어지지 않을 수 있다."[46]

적외선 레이저는 광섬유 통신 시스템에 대한 광원을 제공하는 데 사용된다. 약 1330nm(분산이 가장 적음) 또는 1550nm(전송이 가장 좋음)의 파장은 표준 실리카 섬유에 가장 적합한 선택이다.

인쇄된 표지판의 오디오 버전에 대한 적외선 데이터 전송은 원격 적외선 가청 표지판 프로젝트를 통해 시각 장애인을 돕는 방법으로 연구되고 있다. 한 장치에서 다른 장치로 적외선 데이터를 전송하는 것을 때때로 빔 전송이라고 한다.

근거리 적외선 통신 규격 IrDA가 휴대전화에 보급되면서 적외선 통신이 일반적으로 인지되고 사용되게 되었다. 전파로 통신하는 방식에 비해 신호가 공간적으로 퍼지기 어렵고(회절을 일으키지 않고), 장애물이 있으면 통신이 되지 않는 단점이 있지만, 제3자에게 도청(傍受)되기 어렵다는 보안상의 큰 장점이기도 하다. 팜톱(ザウルス) 등 이전 기종에서는 ASK 방식이 사용되었다.

야외에서 사용하는 자동차용 도어록·무선 리모컨은 주변의 밝은 빛이 방해원이 되어 적외선 통신에는 적합하지 않으므로 전파를 이용하는 것이 많지만, 강렬한 빛에 노출되지 않는 실내에서 사용되는 가전제품의 무선 리모컨은 전자파 노이즈의 영향을 받지 않는 적외선을 이용하는 것이 대부분이다.

소리를 무선으로 전송하는 경우, 전파를 사용하지 않고 펄스 변조된 적외선을 광원에서 발신하고, 수광기로 수신하여 복조하는 장비가 몇 가지 있다. 가정에서는 헤드폰에 사용되고, 업무용으로는 가라오케의 마이크로폰이나 동시통역을 들을 때의 수신기에 사용된다. 전파와 달리 벽을 통과하지 않으므로 외부와의 혼신이나 도청의 걱정이 적고, 멀티채널화도 용이하여 편리성이 높지만, 송수신기 사이에 큰 물체가 있는 등 적외선이 도달하지 않는 조건도 자주 발생하기 때문에, 사용 장소의 형상에 따라서는 송수신기 중 고정기 쪽에 대해 개수를 늘리거나, 사람이나 물건에 가리지 않는 고소에 설치하는 등의 검토가 필요하다. 또한 이동기 쪽도 의류의 포켓에 넣거나, 손으로 쥐는 등 적외선을 차단하지 않도록 주의해야 한다. 수신기에 태양광 등의 강력한 열선이 닿으면 수신 센서의 적외선이 포화되어 전송이 불량해지는 경우도 있다.

생체 인식의 한 방식으로 사용된다. 피부 침투 깊이는 근적외선 영역에서는 수 mm(최대 6mm)이다. 단파장 측(0.7µm - 0.8µm)의 근적외선은 정맥 인식[96]이나 의료용의 일부 검사 장치[97] 등에 이용된다. 정맥 인식은 정맥혈 속의 헤모글로빈이 근적외선을 강하게 흡수하는 성질을 이용한다.[98]

4. 4. 기타

군사 분야에서는 표적 탐지 및 추적에 적외선이 사용된다.[18][19][20]

적외선전구는 공업용이나 의료용으로 강한 적외선을 방출한다. 일반적인 텅스텐 백열전구에서 나오는 빛도 대부분 적외선이며, 가시광선은 발광 에너지 총량의 2~3%에 불과하다. 텅스텐 필라멘트 전구는 약 3.5µm까지의 근적외선만 방출하며, 더 넓은 파장 영역의 적외선원으로는 가열된 흑체(0~3,300°C)와 네른스트 전구가 있다.

적외선레이저는 높은 단색성과 강도를 가지며 연구, 산업, 의료용 적외선원으로 활용된다. 0.83μm(GaAs 반도체 레이저), 1.3µm, 1.06µm(Nd-YAG 또는 Nd-glass 레이저), 2.8µm(HF 레이저), 5µm(CO 레이저), 10.6µm(CO2 레이저), 16µm(SF6 레이저) 및 수십에서 수백 µm 원적외선 영역에 발진 파장을 가지는 H2O, D2O, HCN, 에탄올 레이저 등이 대표적이다.

적외선은 주파수가 물질을 구성하는 분자의 고유 진동수와 비슷하여 강한 열효과를 낸다. 물질에 적외선이 부딪히면 전자기적 공진 현상이 일어나 에너지가 효과적으로 흡수된다.

액체나 기체 상태의 물질은 특유한 파장의 적외선을 강하게 흡수한다. 이 흡수 스펙트럼을 조사하여 물질의 화학적 조성, 반응 과정, 분자 구조를 정밀하게 추정하는 데 사용되는 것이 적외선분광분석이다. 적외선은 파장이 길어 미립자에 의한 산란 효과가 적어 공기를 비교적 잘 투과한다.

이러한 대기 중 투과성을 이용하여 항공 사진 측량(0.8µm), 원거리 사진, 야간 촬영, 거리 측정, 적외선감시장치 등에 활용된다. 적외선은 가시광선과 다른 반사율을 가지는 특성을 이용해 화폐, 증권, 문서 등의 위조 검사나 감정에 사용된다. 열효과 특성은 각종 재료, 공산품, 농수산품의 건조 및 가열에 응용되어 산업과 실생활에서 널리 쓰인다. 의료 분야에서는 소독, 멸균, 관절 및 근육 치료에 근적외선(NIR)이 많이 쓰이고, 10µm 적외선 레이저빔은 외과 수술, 종양 제거, 신경 연결 등에 사용된다. 적외선 영상은 진단용으로도 활용된다.

자동 경보기, 문의 자동 개폐기 등에도 적외선과 검출기가 조합되어 사용되며, 학술적 연구에도 적외선 레이저빔이 유용하게 사용된다.

일반적으로 사용되는 파장 영역 분류는 다음과 같다.

영역 명칭약칭파장주파수광자 에너지특징
근적외선NIR, IR-A DIN0.75–1.4 μm214–400 THz886–1,653 meV광섬유 통신, 야간 투시 장치, 근적외선 분광법
단파장 적외선SWIR, IR-B DIN1.4–3 μm100–214 THz413–886 meV장거리 통신 (전송 창)
중파장 적외선MWIR, IR-C DIN; MidIR[22]3–8 μm37–100 THz155–413 meV유도 미사일 기술, 열 적외선
장파장 적외선LWIR, IR-C DIN8–15 μm20–37 THz83–155 meV열 영상
원적외선FIR15–1,000 μm0.3–20 THz1.2–83 meV원적외선 레이저 및 원적외선 참조



NIR과 SWIR을 함께 "반사 적외선", MWIR과 LWIR은 "열 적외선"이라고 부르기도 한다.

가시광선이 부족하여 볼 수 없는 경우 야간 투시 장치에 적외선이 사용된다.[34] 야간 투시 장치는 주변광 광자를 전자로 변환하는 과정을 거쳐 화학 및 전기적 과정을 통해 증폭한 다음 가시광선으로 다시 변환하는 방식으로 작동한다.[34] 적외선 광원을 사용하여 야간 투시 장치가 변환할 수 있는 사용 가능한 주변광을 증강하여 실제로 가시광선 광원을 사용하지 않고 어둠 속에서의 시야를 높일 수 있다.[34][1]

적외선 및 야간 투시 장치의 사용은 물체와 주변 환경에서 나오는 적외선(열)을 감지하여 표면 온도 차이를 기반으로 이미지를 생성하는 열화상 이미징과 혼동해서는 안 된다.[35][8]

초분광 영상은 각 픽셀에 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 연속적인 스펙트럼을 포함하는 "사진"이다. 초분광 영상은 특히 NIR, SWIR, MWIR 및 LWIR 스펙트럼 영역을 사용하는 응용 분광학 분야에서 중요성이 커지고 있다. 일반적인 응용 분야에는 생물학적, 광물학적, 방위 및 산업 측정이 포함된다.

열 적외선 초분광 영상은 열화상 카메라를 사용하여 수행할 수 있으며, 기본적인 차이점은 각 픽셀에 전체 LWIR 스펙트럼이 포함된다는 것이다. 따라서 태양이나 달과 같은 외부 광원 없이도 물체의 화학적 식별을 수행할 수 있다. 이러한 카메라는 일반적으로 지질 측정, 야외 감시 및 무인 항공기(UAV) 응용 분야에 사용된다.[37]

적외선 사진에서는 적외선 필터를 사용하여 근적외선 스펙트럼을 포착한다. 디지털 카메라는 종종 적외선 차단 필터를 사용한다. 저렴한 디지털 카메라와 카메라폰은 효과가 덜한 필터를 사용하므로 강한 근적외선을 밝은 자주색-흰색으로 볼 수 있다. 이는 특히 적외선이 밝은 영역(예: 램프 근처)의 피사체를 촬영할 때 두드러지는데, 이 경우 발생하는 적외선 간섭으로 인해 이미지가 흐릿해질 수 있다. T-선 이미징이라고 하는 기술도 있는데, 이는 원적외선 또는 테라헤르츠파를 사용한 이미징이다. 밝은 광원이 부족하면 테라헤르츠 사진 촬영은 다른 대부분의 적외선 이미징 기술보다 더 어려울 수 있다. 최근 테라헤르츠 시간 영역 분광법과 같은 여러 가지 새로운 개발로 인해 T-선 이미징에 대한 관심이 상당히 높아졌다.

빛의 파장이 변함에 따라 나타나는 모양을 보여주는 다양한 적외선 스펙트럼에서 반사광 사진


적외선 추적(infrared tracking) 또는 적외선 유도(infrared homing)라고도 알려진 것은 표적이 방출하는 적외선 스펙트럼의 전자기 복사를 이용하여 표적을 추적하는 수동 미사일 유도 시스템을 말한다. 적외선 추적을 사용하는 미사일은 종종 "열추적 미사일"이라고 불리는데, 적외선(IR)은 가시광선 스펙트럼 바로 아래 주파수에 있으며 고온의 물체에서 강하게 방출되기 때문이다. 사람, 차량 엔진, 항공기와 같은 많은 물체는 열을 발생시키고 유지하므로 배경의 물체에 비해 적외선 파장의 빛에서 특히 잘 보인다.[38]

적외선은 의도적인 열원으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 적외선 사우나에서 이용자를 가열하는 데 사용된다. 또한 항공기 날개의 빙결을 제거하는(제빙) 등 다른 난방 응용 분야에도 사용될 수 있다.[39] 적외선은 요리, 즉 브로일링 또는 그릴링에 사용된다. 에너지적 장점 중 하나는 적외선 에너지가 주변 공기가 아닌 음식과 같은 불투명한 물체만 가열한다는 것이다.[25]

적외선 난방은 코팅 경화, 플라스틱 성형, 어닐링, 플라스틱 용접 및 인쇄 건조 등 산업 제조 공정에서도 점점 더 인기를 얻고 있다. 이러한 응용 분야에서 적외선 히터는 대류 오븐과 접촉 가열을 대체한다.

여러 가지 기술 또는 제안된 기술들은 건물이나 다른 시스템을 냉각하기 위해 적외선 방출을 이용한다. LWIR(8–15 μm) 영역은 특히 유용한데, 이 파장의 일부 복사는 대기의 적외선 창을 통해 우주로 빠져나갈 수 있기 때문이다. 이것이 바로 수동 주간 복사 냉각(PDRC) 표면이 직사광선 아래에서 주변 온도보다 낮은 냉각 온도를 달성할 수 있는 이유이며, 열 흐름을 지구에서 우주로 향상시키면서 에너지 소비나 오염이 전혀 없다.[40][41] PDRC 표면은 단파 태양 반사율을 극대화하여 열 취득을 줄이는 동시에 강력한 장파 적외선(LWIR) 열 복사 열 전달을 유지한다.[42][43] 전 세계적인 규모로 생각해 볼 때, 이 냉각 방법은 지구 온난화를 늦추고 심지어 역전시키는 방법으로 제안되었으며, 일부 추정에 따르면 전 세계 표면적의 1~2%를 덮으면 전 세계 열 흐름의 균형을 맞출 수 있다고 한다.[44][45]

적외선 진동 분광법(또한 근적외선 분광법 참조)은 분자를 구성하는 결합을 분석하여 분자를 식별하는 데 사용할 수 있는 기법이다. 분자 내 각 화학 결합은 그 결합의 특징적인 진동수로 진동한다. 분자 내 원자들의 그룹(예: CH2)은 전체 그룹의 신축 및 굽힘 운동으로 인해 여러 가지 진동 모드를 가질 수 있다. 진동이 분자의 쌍극자 모멘트 변화를 일으키면 같은 주파수를 갖는 광자를 흡수한다. 대부분의 분자의 진동 주파수는 적외선의 주파수에 해당한다. 일반적으로 이 기법은 중적외선(4,000–400 cm−1)의 빛을 사용하여 유기 화합물을 연구하는 데 사용된다. 시료 내 모든 흡수 주파수의 스펙트럼을 기록한다. 이것은 존재하는 화학 그룹과 순도 측면에서 시료 조성에 대한 정보를 얻는 데 사용할 수 있다(예를 들어, 습한 시료는 약 3200 cm−1에서 넓은 O-H 흡수를 보여준다). 이 응용 분야에서 복사선을 표현하는 단위인 cm−1은 분광 파수이다. 진동수를 진공에서의 광속으로 나눈 값이다.

반도체 산업에서 적외선은 박막 및 주기적인 트렌치 구조와 같은 재료의 특성을 분석하는 데 사용될 수 있다. 반도체 웨이퍼 표면에서의 빛 반사율을 측정함으로써, 포루히-블루머 분산 방정식을 통해 굴절률(n)과 흡광 계수(k)를 결정할 수 있다. 적외선의 반사율은 또한 높은 종횡비 트렌치 구조의 임계 치수, 깊이 및 측벽 각도를 결정하는 데 사용될 수 있다.

미국의 그레이트플레인스 상공 적란운의 적외선 위성 사진


주사 방사계를 장착한 기상위성은 열 또는 적외선 영상을 생성하며, 이를 통해 숙련된 분석가는 구름의 높이와 종류를 판별하고, 지표면과 수면 온도를 계산하며, 해양 표면의 특징을 찾아낼 수 있다. 주사는 일반적으로 10.3~12.5 μm(IR4 및 IR5 채널) 범위이다.

사이클론이나 적란운과 같이 상층부가 높고 차가운 구름은 종종 빨간색이나 검은색으로 표시되고, 층운이나 층적운과 같이 하층부가 따뜻한 구름은 파란색이나 회색으로 표시되며, 중간 구름은 그에 따라 음영 처리된다. 뜨거운 지표면은 짙은 회색이나 검은색으로 표시된다. 적외선 영상의 단점 중 하나는 층운이나 안개와 같은 저층 구름이 주변 지표면이나 해수면과 유사한 온도를 가질 수 있고 나타나지 않는다는 것이다. 그러나 IR4 채널(10.3~11.5 μm)과 근적외선 채널(1.58~1.64 μm)의 밝기 차이를 이용하면 저층 구름을 구별하여 "안개" 위성 사진을 생성할 수 있다. 적외선의 주요 장점은 야간에도 영상을 생성할 수 있어 기상 변화의 연속적인 순서를 연구할 수 있다는 것이다.

이러한 적외선 사진은 해양 소용돌이 또는 와류를 묘사하고, 해운업에 귀중한 걸프 스트림과 같은 해류를 매핑할 수 있다. 어부와 농부들은 작물을 서리로부터 보호하거나 바다에서 어획량을 늘리기 위해 지표면과 수면 온도를 아는 데 관심이 있다. 심지어 엘니뇨 현상도 발견할 수 있다. 컬러 디지털화 기술을 사용하면 회색 음영 열 영상을 색상으로 변환하여 원하는 정보를 더 쉽게 식별할 수 있다.

6.40~7.08 μm의 주 수증기 채널은 일부 기상 위성에서 영상화할 수 있으며 대기 중 수분량을 보여준다.

기후학 분야에서 대기 적외선 복사는 지구와 대기 사이의 에너지 교환 추세를 감지하기 위해 모니터링된다. 이러한 추세는 지구 기후의 장기적인 변화에 대한 정보를 제공한다. 이는 지구 온난화 연구에서 태양 복사와 함께 연구되는 주요 매개변수 중 하나이다.

이 연구 분야에서는 복사계를 사용하여 지속적인 야외 측정을 수행한다. 이것은 약 4.5 μm와 50 μm 사이의 적외선 복사에 대한 감도를 가진 광대역 적외선 방사계이다.

천문학자들은 거울, 렌즈 및 고체 상태 디지털 검출기를 포함한 광학 부품을 사용하여 전자기 스펙트럼의 적외선 부분에 있는 천체를 관측한다. 이러한 이유로 적외선 천문학은 광학 천문학의 일부로 분류된다. 영상을 형성하기 위해 적외선 망원경의 부품은 열원으로부터 주의 깊게 차폐되어야 하며, 검출기는 액체 헬륨을 사용하여 냉각된다.

지구 기반 적외선 망원경의 감도는 대기 중의 수증기로 인해 크게 제한된다. 수증기는 우주에서 도달하는 적외선 복사의 일부를 대기 창을 제외하고 흡수하기 때문이다. 이러한 제한은 망원경 관측소를 고지대에 설치하거나 기구 또는 항공기를 사용하여 망원경을 상공으로 운반함으로써 부분적으로 완화할 수 있다. 우주 망원경은 이러한 단점이 없으므로 우주는 적외선 천문학에 이상적인 장소로 여겨진다.

스펙트럼의 적외선 부분은 천문학자들에게 여러 가지 유용한 이점을 제공한다. 우리 은하의 차갑고 어두운 분자 구름은 내부에 있는 별들에 의해 조사될 때 방사열로 빛난다. 적외선은 또한 가시광선을 방출하기 시작하기 전에 원시별을 검출하는 데 사용될 수 있다. 별은 적외선 스펙트럼에서 에너지의 더 작은 부분을 방출하므로, 행성과 같은 근처의 차가운 천체를 더 쉽게 검출할 수 있다. (가시광선 스펙트럼에서 별의 눈부심은 행성에서 반사된 빛을 가릴 것이다.)

적외선은 또한 종종 가스와 먼지로 가려져 있는 활동 은하의 중심을 관측하는 데 유용하다. 높은 적색편이를 가진 먼 은하들은 스펙트럼의 피크 부분이 더 긴 파장으로 이동하므로 적외선에서 더 쉽게 관측된다.[10]

적외선 청소는 일부 영화 필름 스캐너, 필름 스캐너, 평판 스캐너에서 완성된 스캔의 먼지 및 흠집 효과를 줄이거나 제거하는 데 사용되는 기술이다. 이 기술은 가시광선 3색 채널(빨강, 녹색, 파랑)과 동일한 위치 및 해상도에서 스캔으로부터 추가적인 적외선 채널을 수집하여 작동한다. 적외선 채널은 다른 채널과 결합하여 흠집과 먼지의 위치를 감지하는 데 사용된다. 위치가 파악되면 스케일링으로 해당 결함을 수정하거나 인페인팅으로 대체할 수 있다.[47]

적외선 반사 사진법[48]은 비파괴 방식으로 그림의 하층을 드러내는 데 사용할 수 있으며, 특히 화가의 밑그림 또는 안내용으로 그린 윤곽선을 확인하는 데 유용하다. 미술 보존 전문가는 이 기법을 사용하여 보이는 그림의 층이 밑그림이나 그 사이의 층과 어떻게 다른지 조사한다(원화가가 한 수정은 펜티멘티라고 한다). 이는 그림이 원화가의 최초 작품인지 사본인지, 과도한 복원 작업으로 변경되었는지 여부를 판단하는 데 매우 유용한 정보이다. 일반적으로 펜티멘티가 많을수록 그림이 최초 작품일 가능성이 높다. 또한 작업 방식에 대한 유용한 통찰력을 제공한다.[49] 반사 사진법은 종종 화가의 흑연 사용을 드러내는데, 흑연은 전체 그림의 바탕에 사용되지 않은 경우 적외선 반사 사진에서 잘 나타난다.

적외선 감응 카메라 설계의 최근 발전으로 밑그림과 펜티멘티뿐만 아니라 나중에 화가가 덧칠한 전체 그림을 발견하고 묘사할 수 있게 되었다.[51] 주목할 만한 예로는 피카소(Picasso)의 ''다림질하는 여인''과 ''푸른 방''이 있는데, 두 경우 모두 오늘날 알려진 그림 아래에 남자의 초상화가 보인다.

보존 전문가와 과학자들은 특히 사해사본, 파피루스 빌라(Villa of the Papyri)의 로마 유물, 둔황 석굴(Dunhuang Caves)에서 발견된 실크로드 텍스트와 같은 매우 오래된 문서와 같은 다양한 종류의 물체에 적외선을 유사하게 사용한다.[52] 잉크에 사용된 흑연은 매우 잘 나타난다.

독사는 머리에 한 쌍의 적외선 감지 구멍을 가지고 있다. 이 생물학적 적외선 감지 시스템의 정확한 열 감도에 대해서는 불확실성이 있다.[53][54]

다른 온도 감수성 기관을 가진 유기체로는 비단뱀(파이톤과(Pythonidae)), 일부 보아뱀(보아과(Boidae)), 흡혈박쥐 (''Desmodus rotundus''), 다양한 보석풍뎅이류 (''Melanophila acuminata''),[55] 어두운 색소의 나비 (''Pachliopta aristolochiae'' 및 ''Troides rhadamantus plateni''), 그리고 아마도 흡혈성 벌레 (''Triatoma infestans'')가 있다.[56] 방울뱀과 보아뱀은 먹이가 방출하는 열을 감지하여 적외선 감지 구멍을 이용해 먹이를 찾고 사냥한다. 마찬가지로, 흡혈박쥐 (''Desmodus rotundus'')의 적외선 감지 구멍은 온혈 동물인 먹이의 피가 풍부한 부위를 확인하는 데 도움이 된다. 보석풍뎅이 ''Melanophila acuminata''는 적외선 감지 구멍을 통해 산불을 찾아내 최근에 불탄 나무에 알을 낳는다. 어두운 색소를 가진 나비, 예를 들어 ''Pachliopta aristolochiae''와 ''Troides rhadamantus plateni''의 날개와 더듬이에 있는 온도수용체는 햇볕을 쬘 때 열 손상으로부터 보호한다. 또한, 흡혈성 벌레 (''Triatoma infestans'')의 온도수용체가 체온을 감지하여 온혈동물 먹이를 찾는 데 도움이 된다는 가설이 있다.[56]

''Venturia inaequalis''와 같은 일부 균류는 사출을 위해 근적외선이 필요하다.[57]

근적외선 시각(780–1,000 nm)은 오랫동안 시각 색소의 노이즈 때문에 불가능하다고 여겨져 왔지만,[58] 잉어와 세 종류의 시클리드과 어류에서 근적외선 감지가 보고되었다.[58][59][60][61][62] 어류는 먹이를 잡기 위해[58] 그리고 광주성 수영 방향을 위해 NIR을 사용한다.[62] 어류의 NIR 감지는 황혼 무렵의 조명이 좋지 않은 조건[58]과 탁한 표층수에서 관련이 있을 수 있다.[62]

근적외선 광선 또는 광생물조절은 항암화학요법 유발 구강궤양 치료 및 상처 치유에 사용된다. 헤르페스 바이러스 치료와 관련된 연구도 일부 있다.[63] 연구 프로젝트에는 시토크롬 c 옥시다아제 상향 조절 및 기타 가능한 메커니즘을 통한 중추신경계 치유 효과에 대한 연구가 포함된다.[64]

특정 산업의 고온 환경에서 강한 적외선은 눈에 위험할 수 있으며, 사용자의 시력 손상 또는 실명을 초래할 수 있다. 적외선은 눈에 보이지 않으므로 이러한 장소에서는 특수 적외선 차단 고글을 착용해야 한다.[65]

중적외선은 파장이 약 2.5~4 µm인 전자기파로, 근적외선의 일부로 분류되기도 한다. 적외선 분광 분야에서는 단순히 '적외선'이라고 하면 이 영역을 가리키는 경우가 많다. 파수가 1300~650 cm−1인 영역은 지문 영역이라고 불리며, 물질 고유의 흡수 스펙트럼이 나타나기 때문에 화학 물질의 동정에 사용된다. 천문학 분야에서는 3~40 µm 파장의 것을 '중간 적외선'이라고 부른다.

모든 분자는 특정 주파수의 전자기파를 흡수하는 성질이 있다. 이를 적외선 영역에서 조사하는 방법이 '적외선 분광법'(IR법)이며, 분자 내부의 원자 진동 상태를 통해 물질의 구조에 대한 정보를 얻을 수 있다. 적외선 영역의 기준 진동이 스펙트럼 분석의 기본이지만, 흡수가 너무 크기 때문에 흡수가 적은 배음, 삼배음을 근적외선 영역에서 관찰하기도 한다. 근적외선 분광법은 적외선에 비해 감도가 매우 낮아 그 활용이 늦었지만, 분석 기법의 발전으로 비파괴 검사 및 측정에 이용되게 되었다.

5. 한국의 적외선 기술 및 정책

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