생물학적 감지 분야에서 SWIR (단파 적외선) 기술에 대한 기본 지식

SWIR 이란 무엇인가요? 단파 적외선 기술의 기본 원리 이해

"SWIR (단파 적외선)"에 대해 들어보셨나요? SWIR 적외선 스펙트럼에서 파장이 더 짧은 빛을 말합니다. "스와이어"라고 발음하는 이 기술은 이제 우리 일상생활의 다양한 분야에 적용되고 있습니다. 이 글에서는 적외선의 일종인 SWIR에 대한 기본 지식과 실제 활용 사례를 설명합니다.

적외선은 가시광선보다 파장이 길고 전자레인지에 사용되는 마이크로파보다는 짧은 전자파를 말합니다. 인간의 시각은 파장이 긴 빛을 빨간색 빛으로 인식하지만, 그 상한선은 760~830nm입니다. 이 파장을 넘는 전자파는 빛으로 인식할 수 없습니다. 따라서 "가시광선의 빨간색 영역 바깥"이라는 의미로 "적외선"(infrared)이라고 합니다.

적외선은 파장 범위에 따라 근적외선(NIR: 780~2500nm), 중적외선(MIR: 2500~4000nm), 원적외선(FIR: 4000nm~1mm)으로 분류됩니다. 이 글에서 설명하는 SWIR (900~1700nm)은 근적외선 대역의 일부를 나타냅니다. 아래 그림은 전자기 스펙트럼에서 SWIR의 위치를 보여줍니다.
참고: SWIR 이란 무엇인가요? | 에드먼드 옵틱스

SWIR의 기본 및 광학 특성

빛은 우주 공간과 같은 진공 속에서는 직진하지만, 물이나 공기와 같은 물질에 닿으면 "흡수", "투과", "반사", "산란"과 같은 다양한 현상을 보입니다. 빛이 물질에 닿을 때, 물질이 매우 투명하면 빛은 물질 내부를 통과(투과)하여 빠져나갑니다. 투과 과정에서 일부 빛은 물질에 흡수되어 열에너지로 변환(흡수)됩니다. 물질 표면이 거울처럼 매끈하면 일부 빛은 반사(반사)되고, 표면이 불규칙하면 빛은 여러 방향으로 산란(산란)됩니다.
우리의 눈은 이러한 '투과된 빛', '반사된 빛', '산란된 빛'을 통해 모든 물체의 색깔과 모양을 인식합니다.

이러한 빛의 거동은 각 물질의 파장에 따라 특징적인 변화를 보입니다. 예를 들어, 실리콘은 가시광선에는 불투명하지만 SWIR 적외선) 영역에서는 투명합니다. 반대로, 일부 유리는 가시광선은 투과하지만 특정 적외선은 투과하지 못할 수 있습니다. 이러한 재료 특유의 광학적 특성을 활용하여 다양한 측정 및 분석이 가능합니다.

SWIR 기술의 실용적 응용

• 무선 이어폰 구현
  SWIR의 높은 수분 흡수 특성은 무선 이어폰의 착용 감지 센서에 활용됩니다. 최근 무선 이어폰에는 SWIR 기술을 접목하여 직접 접촉하지 않고도 물체를 감지할 수 있는 "근접 센서"가 탑재되어 있습니다. 무선 이어폰의 근접 센서는 약 1300nm의 SWIR 생성합니다. 피부에 입사하는 산란광 중 일부는 물에 흡수되고, 감쇠된 빛은 센서로 되돌아옵니다. 센서는 이 감쇠량을 측정하여 무선 이어폰이 생체 조직과 접촉했는지 감지할 수 있습니다. 이를 통해 테이블에 놓으면 자동으로 전원이 꺼지고, 귀에 착용하면 자동으로 켜지는 등의 기능을 구현할 수 있습니다.
  
• 식품 검사 신청서
  SWIR 기술은 식품 품질 관리에서 비파괴 검사에 필수적인 도구로 사용됩니다. 예를 들어, 과일의 당도 측정 시, SWIR은 수분과 당도에 대한 높은 감도를 통해 과일을 손상시키지 않고 내부 당도를 측정할 수 있습니다. 이를 통해 최적의 수확 시기를 결정하고 당도에 따라 과일을 분류하는 데 도움이 됩니다. 또한, 식품 공장 생산 라인에서 SWIR 광을 사용하는 카메라는 가시광선으로는 감지하기 어려운 플라스틱이나 종이 조각과 같은 이물질을 높은 정밀도로 감지할 수 있습니다.
  
• 의료 기기 애플리케이션
  SWIR 기술은 보다 정확한 혈액 성분 측정을 가능하게 하는 맥박 산소 측정기의 개발을 발전시키고 있습니다. 맥박 산소 측정기는 손가락이나 귓볼에 부착된 센서를 사용하여 비침습적으로 혈중 산소 농도를 측정하는 의료 기기입니다. 일반적으로 건강한 사람의 혈중 산소 포화도는 95~100% 사이입니다.
  
  기존의 맥박 산소 측정기는 두 가지 파장의 빛을 사용하여 혈중 산소 포화도(SpO2)를 측정했습니다:
  
  적색광: 약 660nm
  적외선: 약 940nm
  
  그러나 이러한 파장은 카르복시헤모글로빈(COHb)을 감지할 수 없습니다. 일산화탄소 중독은 심각한 건강 손상을 유발할 수 있으므로 조기 발견이 매우 중요합니다.
  
  카르복시헤모글로빈(COHb)은 1500-1700nm 범위의 특징적인 흡수 스펙트럼(SWIR)을 가지고 있어 SWIR 기술을 통해 측정할 수 있습니다. 최근 미국 의료 시설에서는 일산화탄소 중독이 의심되는 환자를 진단하기 위해 SWIR 기반 맥박 산소 측정기를 도입하고 있습니다.

의료 분야에서 SWIR 기술의 미래 잠재력

의료 및 헬스케어 분야에서의 현재 개발은 생체 감지를 위한 SWIR 기술에 중점을 두고 있으며, 소형화와 감도가 향상되어 웨어러블 기기에 통합이 가능해졌습니다.

• 비침습적 혈당 측정
  SWIR 피부를 통과하여 혈액 내 포도당 분자에 흡수됩니다. 이를 통해 바늘 없는 혈당 측정 기술 개발이 가능해져 당뇨병 환자의 혈당 모니터링에 잠재적인 이점을 제공할 수 있습니다.
  
• 피하 조직 시각화화
  투과 특성을 활용하는 SWIR 카메라는 비침습적으로 피하 혈관과 조직 상태를 관찰할 수 있어 정맥 주사 정확도와 조기 피부암 발견을 향상시킬 수 있습니다.
  
• 웨어러블 기기 생명 모니터링
  SWIR 기술이 통합된 스마트 워치와 반지는 혈중 산소 수치 등의 생체 신호를 지속적으로 모니터링할 수 있게 해줍니다.
  
• 고정밀 생체 신호 측정
  고급 SWIR 센서는 기존 방식보다 더욱 정밀한 생체 신호 측정을 가능하게 합니다. 이러한 센서는 생물학적 물질과 혈류의 변화를 감지하여 향후 스트레스 수준과 자율신경계 상태를 평가할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

SWIR 기술은 의료 기기와 헬스케어 분야에서 적용 범위가 확대될 것으로 예상되며, 앞으로도 계속 개발될 것으로 기대됩니다.

덱세리얼즈는 펄스 산소 측정기, 생체 감지 기술이 적용된 웨어러블 기기를 포함한 의료 기기에 사용되는 14가지 유형의 SWIR 유형 반사 센서를 제공합니다.

풍부한 경험을 바탕으로 SWIR 기술을 활용한 소자 소형화, 성능 향상, 비용 절감 등 다양한 문의에 답변해 드립니다. 상담을 원하시면 언제든지 연락주세요.