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보름달이 휘엉청 뜬 밤일지라도 인간의 시력에는 한계가 있게 마련. 지금도 이를 극복하기 위한 야간장비들이 속속 개발되고 있다.

2차대전 말기, 독일과 네덜란드 간의 군용도로. 칠흙같은 어둠속에서 대형 군용차량이 빠른 속도로 이동하고 있었다. 이미 전세는 기울어 연합군이 제공권을 완전 장악하고 있었으나 이 독일군트럭들은 아무런 공습도 받지 않았다.
헤드라이트도 켜지 않은 채 쏜살같이 달리는 트럭을 당시로서는 상상할 수 없었기 때문이었다.

이 차량들은 유명한 V-2미사일과 그 발사대를 영국해협 연안으로 운반하는 트럭들이었다. 적외선반사경과 야간탐지를 위한 영상변화기를 갖춘 특수한 장비를 트럭에 설치, 연합군 공군기의 공격을 피해 야간에 V-2미사일을 네덜란드로 보낼 수 있었던 것.
이 적외선시스템은 1942년 연합군이 노획, 자국(自國) 군대에 보급하기 시작했다.

그후 미국이 최초로 소총의 야간사격 조준경에 적외선을 사용하였다. 이 조명으로 어둠 속에서도 80m떨어진 곳의 적병을 정확히 조준, 명중시킬 수 있었다. 저격조준경(sniperscope)으로 알려진 이 장비는 미국이 태평양전쟁(주로 섬 상륙작전에 활용)에서 처음 사용하였다. 당시 이것을 알지 못했던 일본군에게 큰 놀라움과 타격을 주었음은 물론이다.

적외선과 비는 상극

인간은 보다 먼거리의 물체를 보기 위하여 망원경을 만들었다. 낮에는 태양빛의 반사로 인하여 물체를 선명하게 볼 수 있으나 야간에는 달이 밝은 보름 밤일지라도 인간의 시력에 한계를 느끼게 된다. 이를 극복하기 위하여 연구해 낸 것이 바로 야간감시장비이다.
야간에 적을 탐지해 내는 것은 국가의 군사적인 목적을 위하여 특히 절실했다. 그래서 각국은 1차대전 때부터 군에서 야간감시장비를 연구·발전시켜 온 것이다.

야간에 물체를 탐지한다는 개념은 같으나 그 방법이 상이한 것이 하나 있다. 레이다(radar)다. 레이다는 야간이나 주간을 불문하고 인간이 직접 눈으로 볼 수 없는 물체를 원거리에서 전파(電波)라는 매개체를 통하여 탐지하고 식별할 수 있다.

그러나 이 장비는 스크린상에 휘점(輝点, blip)만으로 나타날뿐, 영상(映像, image)이 나오지 않는다.
그래서 전파를 이용하는 것과는 다른 방법의 영상장비가 개발되었다. 이 장비는 물체의 모양을 그대로 관측함으로써 가장 확실한 정보를 제공, 신속한 대응책을 강구할 수 있게 하고 감시에 흥미를 갖게 해 준다.

그러나 이러한 영상장비들은 주위의 환경조건에 의해 많은 제약을 받는다. 즉 물체의 대조비(対照比) 조도(照度) 시정(視程) 등이 영상에 크고 작은 영향을 미치는 것이다. 이외에도 적외선은 비올 때 사용할 수 없다는 결정적인 결함이 있다.
영상장비를 좀더 자세히 구분해 보면 크게 능동(能動)형과 수동(受動)형으로 나눌 수 있다.

능동형이란 전파대신 적외선을, 레이다의 원리대로 목표에 비추었다가 반사해서 되돌아오는 적외선을 이미지관(管)으로 보는 방식이다. 수동형은 목표로부터 오는 미약한 빛 또는 열선(적외선)을 이미지관으로 증폭하여 보는 방법이다.

여기에서 이미지관이란 눈으로는 볼 수 없는 파장의 빛, 예컨대 적외선을 우리가 볼 수 있는 가시광선(파장 약 0.4~0.75μ, 1μ은 1/1천mm)으로 바꾸어 주는 관을 말한다. 즉 이미지변환관(變換管, image converter tube)을 가리킨다. 또 눈으로 볼 수 없는 약한 빛을 증폭, 우리 눈으로 볼 수 있도록 해주는 관을 지칭하므로 이미지증배관(增培管, image intensifier tube)이라고도 부른다.

그러나 요즈음 사용되는 많은 관들은 변환작용과 증폭작용을 겸하고 있다.
이미지변환과 이미지증배관으로 구분하여 부르기가 어렵게 된 것이다. 그러므로 그냥 이미지관(image tube)이라고 부르는 경우가 많다.

3만~6만배 증폭돼

이미지관은 적외선이나 가시광선을 받으면 광전자를 방출시키는 광음극(光陰極, photocathode)과 광전자를 집속·가속하는 전극(電極), 그리고 가속된 전자가 충돌하면 밝은 상(像)을 나타내 보이는 형광막(螢光膜, phosphor screen)으로 구성되어 있다.

그림을 통하여 이미지증폭관의 원리를 알아보자. 이미지관의 원통 한끝에는 반투명한 광음극이 있고 다른 쪽 끝에는 형광막이 있다. 또 이들 사이에 전자(電磁)렌즈가 있어 광음극에서 나온 광전자가 형광막과 대응되는 위치에서 충돌, 광음극의 상과 같은 모양의 상이 형광막에 나타나도록 되어 있다.

광음극에서 나온 전자는 전계에 의해 가속되어, 큰 에너지로 형광막을 때려 발광케 한다. 따라서 형광막에서 나오는 빛은 광음극으로 들어온 빛보다 훨씬 밝으며 빛의 증폭도 이루어진다. 보통 1단(段)의 이미지관에서 40~1백배의 광증폭을 얻을 수 있다.
이미지 증폭관은 대개 3단으로 이루어지는데, 3단을 거치면 3만~6만배 정도의 증폭이 얻어진다. 흔히 지상군에서는 통상 3만 배의 증폭을 요구한다. 하지만 특별한 해군장비의 경우에는 7만배의 증폭을 요구하고 있다.

보름달을 이미지관으로 5만배만 증폭하면 밤을 대낮처럼 밝게 한다. 이처럼 이미지관은 희미한 불빛 또는 보이지 않는 적외선을 증폭, 생생한 영상을 보게 하는 장치이다.
수동형 영상장치들인 방사온도계와 적외선 관측장비(infravision)에 대해 알아보자. 여기서 수동형이란 물체로부터 나오는 빛을 활용해 관측하는 장비를 일컫는다.

방사온도계는 물체로부터 나오는 적외선을 대물렌즈에서 집속시켜 검출기로 모으는 장치. 이때 검출기 앞에는 광학분리장치가 설치돼 있다. 반면 적외선관측장비는 반사경 또는 렌즈를 움직여 기계적으로 적외선을 검출기상에 모으는 장치이다.

그러면 능동형 영상장치란 무엇일까? 야간 감시장비의 이미지관은 대개 파장 1.2μ까지의 적외선에 대해 감도를 가지고 있다. 그런데 3백℃ 이하의 물체가 내는 적외선은 대단히 미미하다. 따라서 컴컴한 상태에서 물체를 관찰하려면 적외선으로 일단 조명할 필요가 있다. 요컨대 관찰하고자 하는 물체에 먼저 적외선을 쏘아 조명한 뒤, 그 빛을 되받아 보는 장비를 능동형으로 분류하는 것이다.

능동형 영상장치의 원리는 이렇다. 적외선을 조명해서 물체로부터 반사된 적외선을 대물렌즈로 집속, 이미지관 광전면위에 물체의 적외선을 만든다. 그러면 광전면에서 방출된 전자는 집속되어서 형광면상에 가시상을 만드는데 이 상을 접안렌즈로 관찰하는 것이다.

별빛을 활용하기도

현재 세계 각국에서 사용하는 야간감시장비에는 많은 종류가 있다. 그중 별빛을 증폭해서 사용하는 성광경(星光鏡, star light scope)은 2.7볼트짜리 수은전지를 전원으로 한다. 탐색거리는 3백m이고 시계는 10도, 배율은 4.3배, 중량은 1.8㎏이다.

이보다 무게가 더 무거운 성광경도 있다. 이 장비는 5.4볼트 수은전지를 쓰고 탐색거리 1천m, 시계는 7도, 배율은 8배, 중량은 21㎏이다.
또 25mm 3단 이미지관을 사용하는 야간 감시장비는 주로 무반동포에 장착한다. 이 장비는 배율이 5.7배나 되고 조리개는 50m부터 무한대까지 변화시킬 수 있다. 시계는 6도이고 전원은 6.75볼트 수은배터리 또는 재충전이 가능한 6.75볼트 니켈·카드뮴 배터리를 사용한다. 중량은 8.3㎏.

야간감시장비에는 포대경에 사용하는 것처럼 대형이고 중량이 무거운 것만 있는 것은 아니다.
쌍안경을 눈에 걸치는 듯한 고글(goggles, 둥근렌즈의 안경)도 널리 사용되고 있다. 고글은 높이 11.9㎝, 폭 17.3㎝, 두께 16.5㎝에 불과하다. 또 중량은 8백50g밖에 되지 않고 전원은 2.7볼트 수은 배터리(10시간 지속)를 사용한다. 배율은 9배이고 신장 1m80㎝인 사람을 1백50m 떨어진 거리에서 탐지할 수 있다. 이 장비를 갖추면 차량이나 전차를 야간에도 운전할 수 있는 것.

적외선을 이용한 야간감시장비를 제1차대전중 급격히 발전하였다. 전쟁중 적외선 펄스를 발사하는 신호시스템이 만들어져 유효거리가 3㎞에 이른 것이다.

그 후 야간에 1천5백m 높이로 비행하는 항공기를 탐지하고 3백m 거리의 인간을 수색할 수 있는 장비도 등장했다.
오늘날 가장 발전된 야간감시장비는 장갑차에 적재돼 있다. 열을 증폭시키는 원리를 도입한 대(対)전차무기로 사용되고 있는 것.
주간에 사용하는 포 조준경과 같은 거리를 탐지할 수 있으며 전원은 별도의 배터리 또는 차량의 전원을 연결하여 사용한다.
어떤 표적이든 -1백25℃보다 더 높은 온도의 물체이면 탐지와 함께 조준사격을 가할 수 있는 놀라운 장비인 것이다.

B-52가 적재한 첨단장비들

적외선을 이용한 대형 야간감시장비로는 B-52 전략폭격기의 기수에 장착한 AN/AAQ-6라 불리우는 전방감시용 적외선장치(FLIR, Forward Looking Infra Red)가 유명하다. 이 장비는 B-52의 우측 기수에 장치되어 있는데 전방에서 나타나는 목표물을 포착하고 장애물을 피하면서 비행하게 한다.

한편 B-52에는 AN/AVQ-22라 불리우는 저광량 TV카메라(LLL TV, Low Level Light TV)가 좌측 기수에 장착되어 있다. 어두운 밤에도 별빛을 이용, 비행중 전방의 물체를 자유로이 탐지하게 한 것.

B-52폭격기에 있는 이 두 장치를 한데 묶어 전방감시시스템(AN/ASQ-151)이라 부른다. B-52는 이 밖에도 많은 감시장비를 갖추고 있다. 폭격항법시스템 자이로시스템 전파고도계 지형회피레이다 등이 함께 장착되어 어떠한 기상조건 하에서도 임무를 완수하게 하는 것이다.

1987년 미공군의 F-111전투폭격기가 영국에서 이륙하여 4천㎞를 비행한 후 리비아를 야간에 폭격한 사건은 현대 야간장비의 위력을 여실히 보여준다. F-111은 전방감시용 적외선장비로 목표에 접근, 레이저 광선의 유도를 받아 스마트폭탄 등으로 폭격한 것이다. 오늘날은 폭격기만이 아니고 전투기들에게도 야간장비가 장착되어 있어 전천후 대지공격이 가능하게 되었다.

야간정찰카메라로 항공기에 장착된 적외선 정찰장비(IRLS, Infra Red Line Scanner)는 지상(地上)물체들의 온도차에 의한 열상(熱像)을 관측하도록 고안된 특수한 장비이다. 즉 물체 자체가 방출하는 적외선을 탐지하는 수동형 장비인 것이다. 이 장비는 지하 또는 위장표적을 탐지하고 이동궤적을 탐지할 수 있다는 강점이 있다. 따라서 항공카메라 영상레이다와 함께 중요한 항공정찰장비로 인식되고 있다.
이러한 적외선 정찰장비는 2차대전중 미국에서 개발에 착수, 1950년대 중반에는 초기형태의 장비가 등장했다.

초기의 모델로는 단지 띠모양의 영상만을 얻을 뿐이었다. 또 감지기로 열감지기를 사용했으나 만족할 만큼 좋은 성능을 얻지는 못했다.
그러나 1960년 이후 반응시간이 짧고 감광도가 높은 광자감지기가 실용화됨에 따라 선형주사 정찰장비가 등장했다. 두말할 나위없이 이 장비는 종래의 장비보다 지상물체의 감지능력과 해상력이 월등이 높다.

그 성능과 제원을 알아보자. 새 광자감지기는 약 0.2℃의 온도차를 식별하며 0.5~1.5m rad정도의 분해능을 가지고 있다. 또 크기는 26×44×32㎝이고 무게는 12㎏, 필름의 폭은 70㎜이다.
적외선을 이용하는 카메라 앞에서는 숨박질도 안 통한다. 장비를 산림속에 은폐시켰더라도 장비가 발산하는 적외선이 필름에 노출되어 모두 탐지된다. 만일 나무를 꺾어서 위장했다 하더라도 1시간 후면 나무를 꺾었다는 사실을 알아낼 수 있다.

이러한 기능은 군용이외의 분야에서도 활용할 수 있다. 예컨대 병충해를 발견하게 하고 대책을 세울 수 있게 한다. 또 곡물의 작황을 촬영, 가을이면 얼마나 거둘 수 있는지를 미리 산출, 수요와 공급을 예측하게 한다.
나아가 자국뿐만 아니고 적국의 곡물작황을 알아내 그 나라의 식량사정을 정확히 판단할 수 있게 되었다.

F1.4가 F0.03으로

아무튼 야간감시장비의 원리를 이용한 제품이 이제는 일반에도 널리 보급되어 있다.
카메라와 연결한 야간촬영기도 그 한 예이다. 예를 들어 F1.4에 야간촬영전용의 망원렌즈를 붙이면 F0.03이라는 놀랄만한 밝기가 된다. F0.03은 F1.4보다 약 2천5백배의 밝기를 갖는다.

야간촬영용 망원렌즈는 초미광(超微光) 하에서도 비교적 빠른 속도로 사진을 찍을 수 있게 한다.
예로 ASA 400 필름을 사용하면 밝은 달밤(조도 ${10}^{-1}$ lux정도)에는 약 1/5백초, 초생달등 어두운 달밤(${10}^{-2}$Lux)에는 1/60초, 별빛에서도 1/4초 동안 셔터를 누르면 된다.

눈이 대단히 좋은 사람도 6등성 이하의 별은 육안으로 볼 수 없다. 은하계의 1천억개의 별들중 6천여개 밖에 볼 수 없는 것. 반면 쌍안경을 통해서는 약10만개를 볼 수 있고 팔로마(Palomar)산 천문대의 2백인치 망원경으로는 10억개 이상을 관찰할 수 있다.
그런데 야간감시경을 가지고 밤하늘을 관찰하면 6등성인 별보다 밝기가 1/5백 정도밖에 안되는 희미한 14~15등성까지 본다.

의료분야에서도 한몫

적외선을 이용한 장비는 최근 의료분야에서의 응용도 시도되고 있다. 예컨대 채혈 등의 고통을 주지 않고 다양한 병을 검사할 수 있게 되었다. 또 근적외선을 이용, 보육기 속에서 사는 미숙아의 뇌중산소량을 항상 모니터하는 방법도 개발됐다.
아울러 혈액속의 포도당량을 측정하는 장비도 개발되고 있다. 빈번한 채혈이 요구되는 당뇨병환자를 대상으로 개발된 이 장치는 근적외선을 쏘아 혈당치를 측정하게 되어 있다.

그리고 근적외선을 사용한 컴퓨터 단층촬영장치(CT)의 개발도 추진되고 있다.
뿐만아니라 적외선을 손에 쬐는 것만으로 전신의 건강상태를 파악할 수 있는 방법도 연구되고 있다.
한편 1백만분의 1의 온도차를 식별할 수있는 고감도적외선 센서에 사용될 루테늄(Ru) 박막이 영국에서 개발되었다.

이 박막은 루테늄의 화합물 분자를 30층이나 겹쳐서 만든 것으로 열을 받으면 표면에 전압이 생기는 성질을 가지고 있다. 더욱이 상온에서 작동하며 반응시간도 짧다는 장점을 갖고 있다.
또 루테늄박막을 검출부분에 활용, 고감도 적외선카메라를 제조하려는 시도도 이뤄지고 있다. 아무튼 이 센서가 실용화돼 물체를 1백만분의 1도까지 식별할 수 있게 된다면(현재는 1/1천도정도까지 식별) 새로운 적외선의 세계가 펼쳐지리라 기대된다.

레이저 레이다의 등장

이번에는 야간감시장비와 함께 영상을 나타낼 수 있을 것으로 기대되는 레이저 레이다(laser radar)에 대해 알아보자.
종래의 레이다가 전파나 마이크로파를 이용한데 비해 레이저 레이다는 파장이 훨씬 짧은 (0.51~10.6μ)레이저광을 사용한다. 이렇게 짧은 파장으로 먼 곳에 있는 다양한 물체의 거리 방향 크기 형상 분포상태 속도 밀도 등의 정보를 원격측정하는 방식이나 장치가 바로 레이저 레이다.

작동원리는 종래의 레이저와 다를 바 없다. 그러나 광파장이 마이크로파에 비해 훨씬 짧기 때문에 시간폭이 짧은 펄스(pulse) 광을 얻을 수 있으므로 측정정밀도가 대폭 향상된다. 또한 빛의 굵기가 대단히 가늘기 때문에 방위분해능(方位分解能)이 좋고 영상으로 나타낼 수도 있다.
도달거리는 지상용의 경우 수십 ㎞, 우주용은 약 38㎞에 이른다. 또 레이저 레이다의 거리측정 정밀도는 실로 대단하다. 예컨대 마이크로파 레이저는 지구에서 달까지의 거리를 측정시 1㎞정도의 오차를 내었으나 레이저 레이다는 그 오차한계를 훨씬 줄여 놓았다.

미국의 아폴로 우주선이 날라다 놓은 월면의 역반사기를 이용하면 불과 몇㎝의 오차 밖에 나지 않는 것이다.
아무튼 레이저 레이다는 거리나 속도의 계측, 물체의 감시, 이미지 검출 등 종래의 레이저 기술을 파장이 더욱 짧은 영역으로 확장했다. 뿐만 아니라 레이저광이 본질적으로 갖고 있는 단색성 지향성 고출력성 제어성 등을 구사함으로써 전파나 마이크로파로는 실현할 수 없었던 새로운 활동분야의 개척에 성공했다.
그 중 하나는 대기나 지상에 존재하는 스모그 안개 연기 분진구름 입자 등에 빛이 강하게 산란되는 현상을 이용하는 방법이다.