전자광학 기술(영상 증폭관 및 열적외선)은 보안, 감시 및 공중, 육상, 해상에서의 전술 임무를 지원해왔습니다. 최근 기술 발전으로 육상, 해상, 공중 전력에서 사용 가능한 영상증폭관 및 적외선 센서의 역할이 더욱 커질 것입니다.

기존 영상증폭관장비 또는 야간투시경장비는 일반적으로 휴대용 및 클립식 무기 조준경에서부터 단 안경 및 쌍안경과 같은 헬멧 부착 장비에 이르기까지 다양합니다. 이런 장비들은 최근 아프가니스탄, 이라크, 시리아, 리비아에 발생한 분쟁에서 미국 네이비실, 델타, 프랑스, 영국 등 특수부대가 대대적으로 배치해 사용하고 있습니다.또한 육·해군 개인 병사들도 상황 인식과 목표 포착을 위해 영상증폭관을 사용하고 있습니다. 또 다른 중요한 용도는 어두운 야간의 차량 운행이나 비행에서의 시야 확보입니다.

오늘날 현대 군대에서 영상증폭관 장비를 대규모로 배치하는 것은 논쟁의 여지가 없으며 앞으로 10~15년 사이에 야간 비행과 저격수의 신원 확인을 가능하게 하는 다른 대체 기술은 없을 것입니다.

전통적으로 열화상 장치는 부피가 크고 전력이 많이 소모되며 가격이 비싸서 플랫폼이나 장치 내 단일 센서로 사용됩니다. 전장에서 없어서는 안 될 장거리(수백 미터에서 킬로미터 단위의 거리) 감지가 가능합니다.

 

핵심센서 기술
영상증폭관 아키텍처(크기, 포맷)는 지난 20년 동안 변경되지 않았지만, 전문 회사들(미국업체인 L3 Technologies, 최근 Harris 공장을 인수한 ELBIT USA, 유럽 업체인 Photonis)의 기술발전으로 최신 고성능 제품은 10년 전 제품에 비해 약 2배나 성능이 향상되었습니다. 러시아와 중국은 여전히 성능이 낮은 제품들만 생산하고 있습니다. 영상 증폭관을 제조에 요구되는 기술을 모두 확보하는 것도 매우 어려운 일이지만, 공정 수율을 올리며 경제적으로 생산하는 것은 더 어렵습니다(저렴한 가격에 더 좋은 제품을 생산). 따라서 진입 장벽이 매우 높아서 대규모 투자와 지원 없이는 진입할 수 없는 분야입니다

 

영상증폭관은 기술적으로 어떻게 작동하는가?

영상증폭관이 증폭시키는 빛은 달, 별, 대기(밤의 빛)와 인공 광원에서 나옵니다. 여기에는 가시적 파장과 UV(별에 의해 생성된) 및 근적외선(항상 존재하는 것은 아니지만, 달과 밤에 의해 생성된)의 일부가 포함됩니다. 영상증폭관은 야간 투시 장치의 대물렌즈를 통해 사용 가능한 빛을 수집합니다. 광자로 구성된 어두운 빛이 영상증폭관으로 들어가 광음극을 거칩니다. 광음극은 영상증폭관 안쪽에 있는 매우 얇은 감광층으로 광자를 전자로 변환하여 진공상태의 튜브로 방출합니다. 모든 현대식 영상증폭관 튜브는 10-9 ~ 10-10 torrs의 진공상태에서 작동하며 이는 광음극을 산화 및 손상으로부터 보호하는 데 필수적입니다. 광음극에 의해 방출되면, 전자는 높은 전기장에 의해 가속되고 집결되어 마이크로 채널 플레이트(MCP)로 향하게 됩니다.

마이크로 채널 플레이트(MCP)는 두께가 0.5mm 미만인 얇은 유리 디스크이며 수백만 개의 작은 채널들이 포함되어 있습니다. 광음극에서 나오는 전자가 한 채널의 내벽에 부딪히면 충격 때문에 여러 개의 2차 전자가 생성됩니다. 2차 전자가 각각의 서로 다른 높은 전기장에 의해 마이크로 채널 플레이트(MCP) 내에서 가속되어 채널의 내벽을 치고 훨씬 더 많은 2차 전자를 생성합니다. 이 과정은 마이크로 채널 플레이트(MCP)의 채널 깊이에 따라 반복됩니다. 마이크로 채널 플레이트(MCP)에 들어가는 각각의 전자에 대해, 대략 1,000개의 전자가 생성되고 이어서 형광체 스크린으로 가속됩니다.

형광체 스크린은 전자를 다시 광자로 변환시키는 영상증폭관의 얇은 막으로(보통 광섬유) 출력물을 보여주는 뷰파인더 안쪽에 있습니다. 마이크로 채널 플레이트(MCP)에서 나오는 전자의 다중 흐름이 그 층을 때리면, 처음 광음극에 의해 변환된 광자의 수는 1만 배로 증폭됩니다. 이 전체 단계의 과정은 전원 공급 장치에 의해 제어되며, 최종적으로는 원래 이미지보다 훨씬 밝으면서 사람의 눈으로 볼 수 있는 “증폭된” 이미지를 생성하게 됩니다.

따라서 영상증폭관의 센서는 매우 어두운 수준의 조명에서도 매우 선명한(고해상도,적은 노이즈) 이미지를 생성할 수 있습니다.

영상증폭관 장치는 높은 영상 화질 외에도 열 화상 카메라 및 새롭게 부상하는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor이미지센서과 같은 다른 디지털 센서와 비교할 때 매우 가볍고 적은 전력을 소비합니다. (참고로 CMOS 이미지센서도 낮에는 볼 수 있지만, 야간 성능은 영상증폭관보다 수십 년 뒤처져있습니다.)

시중에서 구할 수 있는 야간 투시용으로 개발된 가장 좋은 CMOS는 최소 2Mpx 해상도에 120HZ 이상(영상 증폭관과 동일)으로 작동하지만, Night Level2 (하단 그림 참조)에서는 거의 볼 수 없는 반면 영상 증폭관은 Night Level5 (흐린 별빛, 하단 그림 참조)에서도 볼 수 있습니다.

성능적 요소 외에도 크기, 무게 및 전력과 디스플레이에 이미지를 적절히 제공하기 위한 문제 등으로 인해 CMOS 에는 아직 한계가 있습니다.이러한 이유로 영상증폭관은 보병 야간 투시경 시장, 특히 대부분 제품을 사용할 수 있는 헤드 마운트 및 무기 마운트 섹터와 같이 SWaP(크기, 무게, 소비전력)에 민감한 보병 야간 투시경 시장을 계속 독점하고 있습니다.

현재 영상증폭관 시장에서는 기존의 녹색 형광체 이미지 대신 백색 형광체 스크린에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 이는 야간투시경 장치와 관련이 있습니다. 백색 및 녹색 형광체 튜브의 차이는 작동되는 환경에 따라 다양한 대비(contrast) 레벨을 포함하는 색상으로, 사용자의 선호에 따라 달라집니다.

영상증폭관을 열화상 이미지와 융합하여 이미지 선명도와 자연스러움을 개선하고 빛이 하나도 없는 상태에서도 표적 감지가 가능한 장비를 생산했습니다.(부피가 크고 전력소모량은 많습니다. ) 이 기술은 융합 무기 조준경, 융합 쌍안경 또는 관측 장치와 같은 다기능 장치에 채택되었으며, 영상 증폭관 이미지에 중첩된 열화상 이미지는 열화상으로만은 볼 수 없던 대상(예를 들면 뜨거운 곳에서의 감지)을 표시할 수 있습니다.

융합된 야간 투시경 장비는 비싸고 무겁고(헬멧에 약 1kg) 부피가 커지므로, 일반적으로는 매우 현대적인 군대의 특수 작전을 위해 제한적으로 사용됩니다. 융합된 야간 투시경 장비의 좋은 대안은 COTI(clip-on thermal imager) 입니다. 이 장치는 빛이 하나도 없는 완벽히 어두운 상황 속에서도 표적을 감지하는 기능을 제공합니다. COTI의 장점은 필요하지 않을 때 열화상 장치를 떼어낼 수 있다는 것입니다. 단점은 가장 어두운 조건에서 야간 투시 장비의 탐지, 인식, 식별 범위가 10~15% 정도 줄어든다는 점입니다.

지속해서 뛰어나게 성능이 개선된 영상증폭관과 열화상 장비가 융합된 클립 온 형태의 투시경(야간 투시경 및 무기 조준경 포함)의 등장은 무기조준경 분야에서 열화상 장비의 자리를 위태롭게 만들었습니다.

 

야간 투시경을 작동하게 하는 것
 야간투시경에는 영상 증폭 센서가 있습니다. 앞선 제조업체 중 하나인 Photonis는 90년대에 Gen II 기술을 채택하고 2000년대에 성능을 발전시켜 2014년에 완벽히 새로운 영상 증폭 기술로 바꾸었습니다. 4G 기술은 특허를 받은 나노 구조의 광음극을 사용하여 회절된 감도를 기반으로 광자의 흡수를 높이고 광음극의 에너지 수용성을 올립니다.

그 결과 영상 증폭 센서는 더 큰 감도를 제공하며 미국에서 사용되는 구형 기술보다 훨씬 넓은 스펙트럼 범위 (4G 확장 대역폭)에서 더 높은 양자 효율을 제공합니다. 350nm~1,100nm 의 대역폭을 지닌 광대역 광음극 덕분에 Photonis의 4G  영상 증폭관은 사막과 같은 파란색의 UV 스펙트럼에서부터 정글과 열대우림, 그뿐만 아니라 하늘(적외선)에 이르기까지 모든 임무 환경에서 탁월한 성능을 발휘합니다.

 

 

신호 대 잡음 비 (Signal to Noise Ratio)

모든 영상증폭관 센서는 가능한 노이즈를 낮추려고 합니다(또는 신호대 잡음비를 올리려고 합니다. 이 노이즈는 특히 어두운 곳 (Night Level 3~6), 이른바 “어두운 조명 수준”에 적용됩니다. Photonis에서는 SNR 30이상을 제공합니다.

 

제한 해상도(Limiting Resolution)

제한 해상도(Limiting Resolution)는 가능한 한 높여야 합니다. 가장 일반적으로 사용되는 측정 방법은 3 bar 패턴으로 구성된 USAF 1951 해상도 테스트(왼쪽 그림 참조) 입니다. 그러나 이 USAF 테스트는 낙관적 관찰자를 지원하는 경향이 있으므로 단점이 있습니다. Photonis는 관측시에 객관성을 더욱 잘 보장하기 위해 또 다른 테스트를 개발했습니다. (오른쪽 그림 참조) Photonis는 70 lp/mm 이상 제공할 수 있습니다.

1600FoM(성능지수, Figure of Merit) 과 2000FoM을 가진 센서의 탐지 범위는 Night Level 1~3 단계에서 차이가 미미하지만, Night Level 4~6 단계에서는 매우 큰 차이가 납니다.(아래 그래프에 표시된 대로 45% 이상의 탐지, 식별거리 차이)

Photonis는 사용자에게 더 나은 성능을 제공하기 위해 노력합니다. 영상 증폭관 기술은 단순히 연구시설에서 발명된 신기술이나 실험실에서 측정된 이론적 기준에 관한 것이 아닙니다. 실전에서의 활용 사례들이 모든 것을 증명합니다. Photonis의 높은 FoM(성능지수)로 탐지, 인식, 식별 범위를 증가시켜 군인이 넓은 스펙트럼 범위와 더욱더 어두운 곳을 볼 수 있도록 도와줍니다. 넓은 스펙트럼 범위를 통해 4G 영상 증폭 센서는 이제 모든 종류의 광원뿐만 아니라 야간투시경이 사용되는 전장에서 눈에 보이지 않는 레이저 또는 표적지시기 또한 식별할 수 있습니다. 이러한 점들은 군인들이 임무 중 잠행을 계속 이어갈 수 있도록 도와줍니다.

Photonis 4G 영상 증폭 센서는 폭발과 같은 갑작스러운 빛의 변화에 병사들이 눈이 멀지 않도록 보호하는 SFATG(Super-Fast-Auto-Gating) 기능이 들어가 있습니다. Photonis의 영상증폭관은 눈이 깜빡이는 속도처럼 빠르게 반응하게 하였습니다. 만약 폭발이 일어나도 반응 속도가 빠르므로 사람의 눈에 문제가 되지 않습니다. 보통 다른 영상증폭관들은 전부 하얗게 변해버려 정상적으로 되돌아오기까지 1초 이상 기다려야 하지만, 4G 영상증폭관은 0.1초 안에 정상적으로 전환됩니다. 이는 눈의 지각 속도에 더 가깝습니다. 영상증폭관은 스쿠버 다이빙 장비, 육상, 해상 및 항공 분야에서 야간 투시경에 탑재되어 사용됩니다.

특수부대 및 테러방지팀은 특별한 임무 성격 때문에 독보적으로 빠른 초고속 오토게이팅(Super Fast Auto-Gating) 기능을 높이 평가하고 있습니다. 뿐만 아니라 도시 지역 또는 역동적인 전쟁터에서 작전을 수행하기 때문에 이 기능은 일반 보병 병사의 작전 효과와 안전에도 도움이 됩니다. 임무를 진행하다 보면 조명이 없는 어두운 건물 출입 뿐만 아니라 밝은 곳으로도 이동해야 합니다. 4G SFATG(Super-Fast-Auto-Gating)의 또 다른 발전은 밝은 조명(도시지역)에서 60lp/mm(미국 제품은 45lp/mm 미만) 이상의 매우 선명한 이미지를 유지한다는 점입니다.

4G 영상 증폭 센서는 후광(Halos) 크기가 감소하여(0.75mm 미만) 광원 내부 또는 광원 옆 대상에 대해 더욱 깨끗한 시야를 제공합니다. 밝은 광원을 볼 때 광원 주위에 항상 여분의 링(일명 후광)이 있어서 특정 방향에서 시야가 확보되지 않기 때문에 Photonis의 4G 제품은 전자 장치 뿐만 아니라 영상증폭 센서의 재료와 구조를 변경하여 이러한 후광의 크기를 크게 줄였습니다.

마지막으로 중요한 점은 3세대(Gen3) 영상증폭관 뿐만 아니라 4G 영상 증폭관 역시 지난 10년간 제품의 수명이 개선되었습니다. 모든 영상 증폭관은 Mil-Spec 기준에 따라 1만 시간 이상의 보장된 수명을 제공하며 사용 시간이 증가할수록 제한적인 성능저하가 발생합니다. 4G 모델은 최근 유명한 프라운호퍼 연구소(독일)에 의해 검증된 바 있으며, 신호 대 잡음 비(Signal to Noise Ratio) 특성은 전체 수명 동안5% 미만으로 감소합니다. 이는 미국의 Mil-Spec 기준을 상당히 뛰어넘는 결과 입니다.

Photonis는 현재 시중에서 구매할 수 있는 가장 진보된 영상 증폭 센서를 개발하고 생산합니다. 주목할만한 점은 Photonis가 세계 최고의 광학제조업체와 긴밀히 협력하고 있으며 더 작고 가벼운 영상증폭 장비(하우징, 광학, 마운팅 및 기타 부착물 포함)를 제공하기 위해 야간 투시 장비 아키텍처 측면에서 새로운 표준 규격을 만들기 위해 노력하고 있다는 것입니다. 고유한 16mm 영상증폭관을 기반으로 한 초경량 쌍안경은 Photonis의 OEM 고객들에게 성공을 가져다주었고 이는 SWaP(크기, 무게, 소비전력)가 군인들에게 점점 더 중요 해지고 있음을 확인시켜주는 하나의 예시입니다. 영상증폭관 기반의 시스템은 모든 주요 NATO 국들과 동맹국에서 시작되고 있습니다. 가능한 모든 적보다 우위를 점하기 위해 새로운 표준 규격이 되었습니다.

적 전투원 역시 전장에서 열화상 및 영상증폭관을 사용한 야시장비를 사용하기 시작했을뿐만 아니라 (일반적으로 NATO 부대에서 도난당한 장비 또는 러시아와 중국 회사에서 공급한 장비로) 영상증폭관 및 적외선의 효과적인 사용에 대응하기 위한 전술, 기술 및 절차를 계속 개발하고 있습니다.(예를 들어 위장 하거나 민간인들 사이에 껴서 교전 전 신원확인의 필요성을 증가시킵니다.) 밤에 볼 수 있는 능력(반대로 적은 볼 수 없을 가능성이 가장 높아졌을 때)은 해당 능력을 소유한 세력에게 결정적인 이점으로 간주 되어왔습니다. 하지만 오늘날은 다릅니다. 군사와 준 군사 세력을 넘어 민간인 및 범죄자와 테러리스트의 손에도 관련 기술들이 확산 되었기 때문에 오늘날에는 더욱 뛰어난 기능을 가진 야시장비를 이용하는 것이 효과적이고 안전하게 임무를 수행할 수 있게 도와줍니다.

Photonis는 OEM 및 최종 사용자와 긴밀한 협력을 통해 영상 증폭 센서 기능에 대한 새로운 개선 사항을 지속해서 개발하여 모든 적국보다 야간에 우위를 점하고 있습니다. Photonis 의 4G 영상증폭관 및 R&D 를 진행 중인 프로젝트를 통해 한국군의 최신 작전 요구사항들을 충족시킬 수 있을 것이며, 이를 통해 유능한 병사들이 안전하게 작전을 수행할 수 있게 될 것입니다. 아울러 Photonis는 한국군(유관기관 및 한국내 산업, 이오시스템)과의10여년간의 협업관계를 향상시키기 위해 센서 및 시스템에 대한 공동개발에 열려 있습니다. 이는 한국군이 항상 어떠한 위협보다도 한발 앞 서있을 수 있도록 하는데 기여할 것입니다.

[디펜스투데이]