10000nm(10μm) 필터 적용 선택 가이드
I. 산업용 열화상 시스템을 위한 필터 구성
산업 장비 고장 예측 및 에너지 효율 모니터링에서 장파장 적외선(LWIR) 열화상 시스템은 8~14μm 대역의 열 복사 신호를 정밀하게 포착해야 합니다. 이 애플리케이션의 주요 필터 요구 사항은 다음과 같습니다.
- 분광 특성
- 대역 통과 범위: 흑체 복사의 피크 영역을 포괄하기 위해 8~14μm로 엄격하게 제한됩니다. 예를 들어, 다층 Ge/SiO₂ 유전체 코팅이 된 실리콘(Si) 기판을 사용하는 필터는 9~13μm에서 높은 투과율(T>70%)을 달성할 수 있으며, UV-20μm에서는 대역 외 차단율(T<1%)이 우수합니다.
- 간섭 방지 설계: 노치 필터를 통합하여 가시광선(400~700nm) 및 근적외선(700~2500nm) 간섭을 억제하여 검출기 포화를 방지합니다. 게르마늄(Ge) 기판의 금속 코팅층은 OD3 수준의 대역 외 간섭을 억제합니다.
- 재료 및 공정
- 기판 선택: 게르마늄 단결정(Ge)은 높은 투과율(8~14μm에서 90% 이상)과 우수한 기계적/열적 전도성을 가지고 있어 고온 환경에 적합하여 선호됩니다. 비용에 민감한 응용 분야에서는 실리콘(Si)을 사용할 수 있으며, 10μm 부근의 흡수 손실을 보상하기 위해 반사 방지 코팅이 필요합니다.
- 코팅 기술: 이온빔 스퍼터링(IBS)은 0.95 이상의 패킹 밀도를 갖는 다층 유전체 박막을 증착하여 습기로 인한 파장 편차(<1nm/℃)를 줄입니다. 다이아몬드상 탄소(DLC) 경질 코팅(경도 >10GPa)은 오일/먼지 마모로부터 보호합니다.
- 선택 근거
- 배경 소음 제거: 8~14μm 대역 통과 설계는 대기 창 밖의 수증기 흡수 피크(예: 6.3μm)를 방지하여 환경 간섭을 줄입니다.
- SNR 향상: 높은 Ge 투과율과 좁은 대역 통과(FWHM≈4μm)가 결합되어 감지되는 열 신호 강도가 30% 이상 증가합니다.
- 환경 적응성: DLC 코팅과 밀폐 구조로 -40℃~85℃의 온도 범위에서 안정성을 보장하며, 야외 산업 요구 사항을 충족합니다.
II. 메탄 누출 감지를 위한 필터 구성
석유화학 파이프라인 모니터링 및 환경 안전 분야에서 메탄(CH₄)은 7.66μm에서 강한 흡수 피크를 나타냅니다. 이 용도에 필요한 주요 필터 요건은 다음과 같습니다.
- 분광 특성
- 중심 파장 정밀도: 메탄 흡수 피크(7.669μm±0.02μm)와 정밀하게 일치해야 합니다. 전자빔 증착 방식을 적용한 "분할층" 코팅 설계로 파장 오차 <0.3%를 달성합니다.
- 협대역 통과 설계: 반치폭(FWHM)은 59~120nm 사이에서 제어됩니다. 예를 들어, Ge/SiO₂ 코팅이 된 사파이어(Al₂O₃) 기판은 7.66μm 중심 파장과 120nm 대역폭을 제공하며, 400~12,000nm에서 대역 외 차단율(T<0.5%)을 보입니다.
- 재료 및 공정
- 기판 선택: 사파이어(Al₂O₃)는 낮은 열팽창률(7.5×10⁻⁶/℃)과 기계적 강도로 인해 고온 환경에 적합합니다. 셀렌화아연(ZnSe)은 높은 투과율을 제공하지만 내습성을 고려해야 합니다.
- 코팅 기술: 이온 지원 증착(IAD)은 필름 응력을 ±50MPa 이내로 제어하여 온도에 의한 파장 드리프트(<0.05nm/℃)를 최소화합니다.
- 선택 근거
- 선택적 흡수: 좁은 대역 통과 설계로 CO₂(4.26μm) 및 H₂O(6.3μm)의 간섭을 배제하여 ppm 수준의 메탄 감지 감도를 구현합니다.
- SNR 향상: 최적화된 λ/4 스택 코팅은 최대 투과율 >85%와 OD3 수준의 스트레이 라이트 억제를 달성하여 검출기 SNR을 두 배로 높였습니다.
- 동적 조정 가능성: 휴대용 기기의 그래핀 기반 가변 필터는 정전기 게이팅을 통해 ±50nm 스펙트럼 조정이 가능하며, 다양한 메탄 농도에 적응합니다.
III. 선택을 위한 주요 매개변수 비교
- 중심 파장
- 산업용 열화상: 8–14μm(광대역, 흑체 복사 피크 포함)
- 메탄 검출: 7.66μm(협대역, 메탄 분자 진동 흡수와 일치)
- 기판 재료
- 산업용 열화상: 게르마늄(Ge, 8~14μm에서 높은 투과율 >90%); 실리콘(Si, 10μm 흡수에 대한 반사 방지 보상으로 비용 효율적)
- 메탄 검출: 사파이어(Al₂O₃, 낮은 열팽창을 가진 고온 저항성); 셀렌화아연(ZnSe, 높은 투과율이지만 습기 보호 필요)
- 코팅 공정
- 산업용 열화상: 이온빔 스퍼터링(IBS), 패킹 밀도 >0.95, 파장 드리프트 <1nm/℃
- 메탄 검출: 전자빔 증발 + 이온 보조 증착(EAD-IAD), 응력 제어 ±50MPa, 파장 드리프트 <0.05nm/℃
- 대역 외 거부
- 산업용 열화상: UV–20μm, T<1%(가시광선/근적외선 간섭의 OD3 수준 억제)
- 메탄 검출: 400–12,000nm, T<0.5% (CO₂/H₂O 흡수 피크 제외)
- 온도 안정성
- 산업용 열화상: 작동 범위 -40℃ ~ 85℃, 파장 드리프트 <1nm/℃(실외 고온 모니터링에 적합)
- 메탄 감지: 작동 범위 -20℃ ~ 60℃, 파장 드리프트 <0.05nm/℃(휴대용 기기 환경 요구 사항 충족)
- 일반적인 응용 프로그램
- 산업용 열화상: 고온 장비 모니터링, 전력 시스템 효율 분석, 산업용로 열 매핑
- 메탄 감지: 석유화학 파이프라인 누출 검사, 매립지 가스 모니터링, 석탄 광산 가스 농도 경고
IV. 선발 결정
- 목표 파장 대역 결정
- 일반적인 열 복사 포착을 위한 광대역(8~14μm), 특정 가스 흡수 매칭을 위한 협대역(예: 7.66μm).
- 환경 조건 평가
- 고온: DLC 코팅이 된 Ge 기판을 우선시합니다. 습한 환경: ZnSe는 피하고 사파이어 또는 실리콘 기판을 선택하세요.
- 성능과 비용의 균형
- 고급 응용 분야(예: 항공우주): Ge 기판 + IBS 코팅; 산업 응용 분야: 비용 절감을 위한 Si 기판 + 전자빔 증발.
- 간섭 방지 기능 검증
- 스펙트럼 테스트를 통해 대역 외 제거(예: OD3 수준)를 확인합니다. 실제 상황에서 배경 소음 억제를 테스트합니다.
이러한 구성을 통해 필터가 대상 신호를 정확하게 추출하여 열화상의 배경 간섭과 가스 감지의 저농도 식별 문제를 해결하고 궁극적으로 시스템의 안정성과 감도를 향상시킵니다.
