비접촉 체온계는 원리가 뭘까?

발전한 체온계

 코로나 때문에 체온측정이 일상이 됐다. 이렇게 체온 측정을 많이 해본 것은, 메르스 이후로 또 처음인 것 같다. 혼란한 와중에 눈에  띄는 점 하나가 있다. 바로 체온계의 발전이다.

 

 신종플루때만 해도 체온계가 이렇지 않았다. 당시 나는 초등학생이었는데, 등교시간만 되면 정문에 선생님들 두 세명이 서서, 귀나 이마에다가 체온계를 대고 알콜로 닦고를 전교생에게 반복했다. 

2009년 신종플루 당시 KBS 자료화면. 출처 : 체온계 불량…학생들 엉터리 발열 검사 (kbs.co.kr)

 요새는 언택트 시대에 맞게 체온계도 언택트다. 비접촉 체온계로 다양한 부위를 재는 것 같다. 이마, 관자놀이를 넘어서, 오늘은 손목에서도 쟀는데 그 순간 대체 비접촉 체온계의 원리가 뭘까라는 의문이 들었다. 

 

비접촉 체온계의 원리

 명확하게 정리된 자료가 있을까 싶어서 검색해 봤는데 없었다. Optris라는 회사에서 발간한 Basic principles of non-contact temperature measurement 라는 제목의 40쪽짜리 PDF 파일은 있었다. 나의 물리학 지식은 고등학교에서 멈췄기 때문에, 일부만을 발췌했다. 위키피디아를 열심히 참고했다.

측정 시스템

 절대 영도 (–273,15 ° C = 0 Kelvin) 이상의 체온에서는, 체표면에서 내부 온도에 비례하는 *전자기 복사를 방출한다. 이 전자기 복사의 일부가 적외선이고 체온을 측정하는데 사용될 수 있다. 적외선은 대기를 통과한다는 특징이 있다. *전자기 복사는 감마선에서 라이오파까지의 에너지다.

해당 PDF에 있는 그림

 위 그림이 측정 시스템이다. Input optics라는 렌즈로 빔이 검출기에 닿게 초점을 맞춘다. 검출기(Sensor)는 방사선에 비례하는 전기 신호를 생성한다. 신호가 증폭되고 연속적인 디지털 처리를 거치면(Electronics), 물체 온도에 비례하는 출력 신호로 변환된다(Display).

물리적 배경

흑체와 플랑크 법칙

 흑제는 물리학 이론을 위한 가상의 물체이다. 흑체는 들어오는 모든 복사(radiation)를 흡수한다.

Black Body의 구조

 

α = ε = 1 (α absorption, ε emissivity)

흑체는 각 파장에서의 최대 에너지는 방사한다

방사량은 각도에 영향 받지 않는다

 

 흑체가 뜨거워지고 특정온도에서 내부가 열평형에 도달하면, 특정온도에서의 "흑체복사"라는 전자기 복사를 방출한다. 이 복사는 플랑크 법칙에 따라 방출된다.

흑체 복사 그래프

 플랑크 법칙에 따라 흑체는 온도에 의해서만 결정되는 스펙트럼을 가지고 있다는 것을 알 수 있다. 아래 공식을 보면, 파장과 온도 빼고는 다 상수임을 알 수 있다.

흑체의 복사 공식

 이 흑체 이론은 말 그대로 이론일 뿐이다. 흑체가 이상적인 물체기 때문에 현실에 그대로 적용할 수는 없다. 그러나 상관관계를 유도해 낼 수는 있다. 그래프를 파장에 대해 적분하면 방사된 방사선량을 구할수 있는데, 이 상관관계를 슈테판-볼츠만 법칙이라고 부른다. 

슈테판-볼츠만 법칙

슈테판-볼츠만 법칙

 정리하면 위 같은 한 줄의 식이 나온다. 흑체의 단위 면적당 복사 에너지가 절대 온도의 4제곱에 비례함을 알 수 있다. 이 원리로, 사람 몸에서 나오는 적외선량 센서로 검출한다면 온도를 추정할 수 있다.

optical system 출처 https://www.optris.global/optics

 

 비싼 이유가 있었다

 위에 정리한 이론은 일부에 불과하다. 그 외에도, 적외선을 감지해서 전기신호로 바꾸는 센서의 종류와 원리도 정말 다양하고 주변 환경의 영향을 보정하는 기술도 들어가 있다. 아무생각 없이 체온을 잴 때는 몰랐는데, 비접촉 체온계는 과학 기술의 집합체였다. 검색하면 7~8만원 돈 하길래 비싸다 생각했던 과거를 반성한다. 비싼 이유가 있었다. 과학자 선생님들한테 감사하며 살아야겠다.