적용 사례
고속 자외선 이미징으로 관찰한
메탄-암모니아 혼합 연소 화염 구조
암모니아는 탄소를 포함하지 않는 연료로, 저탄소·무탄소 연소 기술 분야에서 주목받고 있습니다. 하지만 암모니아 단독 연소는 점화성과 화염 안정성 측면에서 한계가 있어, 실제 연구 현장에서는 메탄과 암모니아를 혼합한 연소 시스템이 자주 활용됩니다.
이번 연구에서는 Revealer 고감도 고속카메라 NEO25(UV)를 중심으로 다중 대역 자외선 이미징 시스템을 구성하고, 메탄/암모니아/산소 혼합 연소 과정에서 발생하는 라디칼 방사 특성을 시간·공간적으로 관찰했습니다.
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Revealer NEO25는 BSI 센서 기반의 고감도 초고속 카메라로, 수만 fps급 이미지 캡처와 짧은 노출 시간, 넓은 스펙트럼 검출 범위를 지원합니다. 자외선부터 가시광 영역까지 다양한 고속 이미징 연구에 활용할 수 있습니다.
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왜 고속 자외선 이미징이 필요한가?
저온 산화 반응 동역학 연구에서 화염 내부 라디칼의 생성과 변화는 연소 반응 경로, 열 방출 구조, 오염물 형성 메커니즘을 이해하는 중요한 단서가 됩니다. 특히 메탄-암모니아 혼합 연소에서는 암모니아가 포함되면서 라디칼 풀 구조가 변화하기 때문에, 전체 발광이나 온도장만으로는 반응 영역을 세밀하게 구분하기 어렵습니다.
이를 보완하기 위해 특정 라디칼의 방사 신호를 선택적으로 관찰할 수 있는 협대역 필터 기반 자발광 이미징이 활용됩니다. 다만 300nm 이하의 자외선, 특히 심자외선 영역은 방사 신호가 약하고 공기 중 흡수도 크기 때문에 이미지 품질과 시간 해상도를 동시에 확보하기가 쉽지 않습니다.
본 실험에서는 Revealer NEO25(UV) 고속카메라를 사용해 다중 대역 UV 이미징 시스템을 구성하고, 서로 다른 파장대에서 라디칼 방사 신호를 시간 분해 방식으로 관찰했습니다.
228nm
NO*
심자외선 영역의 약한 방사 신호 관찰
310nm
OH*
주요 반응 영역과 열 방출 구조 분석
430nm
CH*
화염 전면 구조와 전파 특성 관찰
632nm
NH₂*
질소 포함 중간 생성물 분포 확인
실험에 사용된 이미징 시스템 구성
이번 실험은 고속카메라를 중심으로 한 비접촉식 광학 진단 플랫폼에서 진행되었습니다. 전체 시스템은 NEO25(UV) 고속카메라, UV 광학계, 협대역 필터, 이미지 인텐시파이어로 구성되었습니다.
NEO25(UV) 고속카메라의 스펙트럼 응답
이미징 시스템 NEO25 고속카메라는 1280×1024 해상도에서 최대 25,000fps 촬영이 가능하며, 200~1100nm의 넓은 스펙트럼 검출 범위를 지원합니다. 특히 250nm 자외선 영역에서도 약 60%의 양자효율을 제공해 심자외선 방사 신호 검출에 활용됩니다.
광학 시스템 UV 전용 렌즈와 228nm, 310nm, 430nm, 632nm 중심 파장의 협대역 필터를 사용해 라디칼별 방사 신호를 분리했습니다.
이미지 인텐시파이어 광증폭을 위해 이미지 인텐시파이어를 함께 적용했으며, 특히 NO* 228nm 대역처럼 신호가 약한 조건에서 신호대잡음비 향상에 도움을 줍니다.
실험 방법
실험은 개방형 연소 버너에서 진행되었습니다. 메탄, 암모니아, 산소 혼합 가스가 하단에서 안정적으로 공급되도록 구성했으며, 화염은 자유롭게 발달하도록 설계했습니다. 연구팀은 각 라디칼에 맞는 필터를 적용하고, NEO25(UV) 고속카메라의 취득 조건을 조정하면서 파장별 이미징 성능을 비교했습니다.
| 구분 |
내용 |
| 스펙트럼 |
NO*, OH*, CH*, NH₂* 방사를 구분하기 위한 중심 파장 변경 |
| 이미징 파라미터 |
20~1000fps 프레임 속도 및 노출 시간 조정 |
| 감도 |
카메라 게인 조정 또는 이미지 인텐시파이어 적용 |
| 광 처리량 |
조리개와 초점거리 최적화를 통한 광자 수집 효율 향상 |
```html
파장별 실험 결과 1. 228nm 심자외선 이미징(NO*)
228nm 대역은 NO* 방사에 해당합니다. 이 영역은 신호가 매우 약하고 공기 중 흡수도 크게 발생하기 때문에, 심자외선 이미징에서 가장 까다로운 조건에 해당합니다.
실험 결과, 이미지 인텐시파이어를 적용했을 때 NEO25(UV) 고속카메라는 100fps 조건에서 화염 윤곽을 비교적 명확하게 포착했습니다. 관찰된 화염 구조는 축 방향 중심부에 집중되어 길게 형성되는 양상을 보였습니다.
기술적 의미 프레임 속도를 높일수록 신호가 급격히 감소했으며, 이는 228nm 이미징 성능이 카메라 판독 성능보다 입사 광자 수 부족에 의해 제한된다는 점을 보여줍니다.
228nm NO* 이미징 / 100fps / 100mm F2.0 / 이미지 인텐시파이어 사용
파장별 실험 결과 2. 310nm 주요 반응 영역 구조(OH*)
310nm 대역은 OH* 방사에 해당하며, 연소 진단에서 주요 반응 영역을 나타내는 대표적인 지표로 활용됩니다. 이미지 인텐시파이어를 사용하지 않은 조건에서도 100fps 수준의 화염 윤곽은 확인할 수 있었지만, 시간 해상도를 높이면 신호 부족으로 이미지 품질이 저하되었습니다.
310nm OH* 이미징 / 100fps / 8000μs 노출 / 증폭기 미사용
310nm OH* 이미징 / 1000fps / 최대 노출 / 이미지 인텐시파이어 사용
관찰 결과 이미지 인텐시파이어를 적용하면 1000fps 조건에서도 연속적인 화염 구조를 촬영할 수 있었습니다. 촬영 이미지는 화염 전면부의 변동을 보여주며, 전단층 불안정성과 국부 유동이 반응 영역에 영향을 미친다는 점을 시사합니다.
파장별 실험 결과 3. 430nm 화염 전면 구조(CH*)
430nm CH* 이미징 / 1000fps / 최대 노출 / 증폭기 미사용
430nm 대역은 CH* 방사에 해당합니다. 이 파장은 자외선 대역보다 상대적으로 신호 강도가 높아, 이미지 인텐시파이어 없이도 안정적인 촬영이 가능했습니다.
실험에서는 1000fps, 최대 노출 조건에서 NEO25(UV) 카메라만으로 화염 구조를 포착했습니다. 촬영 이미지는 화염 전면부의 곡률 변화와 국부적인 유입 구조를 보여주며, 유동과 연소가 상호작용하는 과정을 시각적으로 확인할 수 있었습니다.
기술적 의미 CH*는 OH*보다 화염 외곽 경계에 가깝게 위치하는 경향이 있어, 화염 전면 추적과 화염 전파 속도 분석에 적합한 지표로 활용될 수 있습니다.
파장별 실험 결과 4. 632nm 질소 반응 경로(NH₂*)
632nm 대역은 NH₂* 방사에 해당하며, 가시광 영역에 속해 자외선 대역보다 신호 강도가 높습니다. 실험 결과, NEO25(UV)는 이미지 인텐시파이어 없이도 1000fps 조건에서 고대비 이미지를 확보할 수 있었습니다.
촬영된 이미지는 밝고 부피감 있는 화염 구조를 보여주었습니다. 또한 NH₂*의 공간 분포는 OH*와 CH*보다 넓게 나타났으며, 이는 암모니아 연소 과정에서 생성되는 중간 생성물의 확산과 후속 반응을 반영하는 결과로 해석할 수 있습니다.
적용 포인트 NH₂* 이미징은 암모니아 연소에서 질소 포함 중간 생성물의 분포를 파악하는 데 유용하며, 가시광 영역 특성상 고속 이미징 조건에서도 안정적인 신호 확보가 가능합니다.
632nm NH₂* 이미징 / 1000fps / 최대 노출 / 증폭기 미사용
```
파장별 이미징 성능과 시스템 구성
| 파장 대역 |
신호 특성 |
이미징 조건 |
228nm 심자외선
NO* |
광자 플럭스가 매우 낮고 광자 샷 노이즈 영향이 큼 |
이미지 인텐시파이어 필요, 100fps 수준 관찰 가능 |
310nm / 430nm
OH*, CH* |
방사 신호 강도가 높아지며 광자 제한에서 파라미터 제한으로 전환 |
인텐시파이어 없이 100fps 가능, 인텐시파이어 사용 시 1000fps 가능 |
632nm 가시광
NH₂* |
방사 신호 강도가 높고 고대비 이미지 확보 가능 |
카메라 단독 촬영 가능, 인텐시파이어 없이 1000fps 고속 이미징 지원 |
실험을 통해 확인한 기술적 의미
본 연구에서는 Revealer NEO25(UV) 고속카메라를 중심으로 구성한 다중 대역 연소 이미징 시스템을 통해, 메탄-암모니아 혼합 연소에서 발생하는 대표적인 라디칼 방사를 체계적으로 관찰했습니다.
✅ 파장별 라디칼 방사 강도에 따라 이미징 시스템 구성이 달라짐
✅ NO* 228nm 대역은 효과적인 관찰을 위해 이미지 인텐시파이어가 필요함
✅ OH* 310nm 대역은 인텐시파이어 적용 시 1000fps급 시간 해상도로 확장 가능
✅ CH*와 NH₂*는 인텐시파이어 없이도 고속 이미징 조건에서 안정적으로 관찰 가능
✅ CH*는 화염 전면, OH*는 주요 반응 영역, NH₂*는 질소 포함 중간 생성물 분포 확인에 유용함
✅ NEO25(UV)는 심자외선부터 가시광까지 다양한 연소 진단 시나리오에 적용 가능함
고속 UV 이미징을 위한 연소 진단 솔루션
NEO25 시리즈를 중심으로 한 이미징 시스템은 고속카메라, UV 광학계, 협대역 필터, 이미지 인텐시파이어를 결합해 저조도 연소 진단 환경에 대응할 수 있습니다.
이 시스템은 저온 산화 반응 동역학을 시각화하기 위한 기술적 접근 방식으로 활용될 수 있으며, 향후 고시공간 해상도의 반응 메커니즘 연구와 저탄소 연소 기술 개발을 위한 실험 도구로 활용될 수 있습니다.
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