03. 왜 940nm인가 — 감도를 버리고 무엇을 사나
앞 장에서 940nm는 850nm보다 어둡게 잡힌다는 것을 보았다. 그렇다면 질문은 자연스럽다. 손해를 보면서까지 왜 940nm를 고를까. 답은 감도가 아니라 운용 환경에 있다. 940nm는 감도를 일부 내주고 두 가지를 산다. 사람 눈에 안 보이는 무가시성과, 주간 햇빛 배경을 누르는 강건성이다. 이 장은 그 두 이유를 하나씩 따지고, 850nm와 940nm를 정면으로 비교한다.
이유 1 — 사람 눈에 안 보인다
850nm LED는 켜질 때 사람 눈에 희미한 붉은 발광(red glow)이 보인다. 850nm가 가시 적색 끝자락에 살짝 걸쳐 있기 때문이다. 사람의 시감도(눈이 그 파장을 얼마나 밝게 느끼는가) 곡선은 850nm에서 완전히 0이 아니다. 대략 10⁻⁵~10⁻⁶ 수준으로 아주 작지만, 강한 LED를 어두운 곳에서 가까이 보면 붉은 점으로 인지된다.
940nm는 가시 대역에서 더 멀다. 시감도가 850nm보다 1~2 자릿수 더 떨어져 사실상 어떤 구동 전류에서도 글로우가 안 보인다. 이게 왜 중요한가. 야간 운전 중 운전자 시야에 붉은 점이 어른거리면 거슬리고 주의를 흩뜨린다. 프리미엄 인테리어에도 어울리지 않는다. 940nm는 운전자를 방해하지 않고 24시간 얼굴을 비출 수 있다. DMS에서 이건 양보할 수 없는 요건이다.
이유 2 — 주간 햇빛 배경을 누른다 (물 흡수 노치)
둘째 이유는 조금 더 흥미롭다. 지표에 도달하는 햇빛 스펙트럼은 매끈하지 않다. 대기 중 수증기(H₂O)가 특정 파장의 햇빛을 흡수해, 스펙트럼 곳곳에 움푹 팬 골(노치)을 만든다. 대표적인 노치가 ~940nm와 ~1130nm다(그 밖에 ~720·820nm 등에도 약한 흡수대가 있다). 940nm 부근에서는 지표에 닿는 햇빛이 인접 대역(예: 850nm)보다 눈에 띄게 약하다. 강한 흡수 구간은 대략 925~980nm로 본다.
이게 왜 이득일까. IR 카메라가 봐야 할 것은 IR LED가 만든 신호다. 그런데 주간에는 햇빛 속 IR 성분이 강한 배경 잡음이 되어 그 신호를 묻어 버린다. SNR이 떨어진다. 940nm는 태양 배경이 노치로 눌려 있으니, 같은 LED 출력에서도 신호 대 배경(햇빛)비가 850nm보다 유리하다. 강한 역광이나 한낮에 주차된 차 안에서도 운전자 얼굴을 잡기 쉬운 이유다.
한 가지 오해를 미리 막아 두자. 태양 표면이 940nm를 안 내는 게 아니다. 태양은 940nm도 충분히 낸다. 다만 그 빛이 지표까지 오는 길에 대기 수증기가 흡수해, 지표 도달분이 줄어드는 것이다. 우주에서 본 태양 스펙트럼에는 이 노치가 없다. 노치의 깊이는 습도·태양 고도·빛이 통과한 대기 경로 길이에 따라 변한다(MODTRAN 같은 대기 모델로 정량화한다).
위 그림: 대기권 밖의 매끈한 스펙트럼(점선)과 달리, 지표 도달 스펙트럼(실선)은 ~940nm와 ~1130nm에서 H₂O 흡수로 움푹 팬다. 940nm는 노치 안이라 배경이 약하고, 850nm는 노치 밖이라 배경이 더 강하다(760nm의 깊은 골은 산소 O₂ A-band 흡수다). 노치 깊이는 습도·태양 고도에 따라 변하는 예시 곡선이다.
이 노치 이득은 05장의 940nm band-pass 필터와 결합할 때 위력이 배가된다. 노치가 햇빛 배경을 미리 눌러 주고, 필터가 940nm 밖의 빛을 마저 잘라 내면, 주간 SNR이 크게 오른다. 그 이야기는 05장에서 잇는다.
(참고로 같은 H₂O 흡수가 야외 도달 거리에는 불리하다. 850nm는 대기 흡수가 적어 멀리 가고, 940nm는 흡수가 커서 유효 거리가 최대 ~50% 짧다고 보고된다. CCTV 기준으로 850nm가 ~15~20m+, 940nm가 ~10~15m다. 다만 DMS는 운전자까지 50cm~1m의 근거리라 이 단점이 사실상 무의미하다.)
850 vs 940 — 한자리에 놓고 비교
두 파장의 장단을 한 표로 정리한다. 이 표가 940nm 선택의 근거를 통째로 담는다.
| 항목 | 850nm | 940nm | DMS 함의 |
|---|---|---|---|
| 광자 에너지 | 1.459 eV | 1.319 eV | (참고값) |
| 실리콘 QE (일반) | 높음 (~50–60%) | 낮음 (~10–40%, 세대·BSI 의존; 같은 센서서 850의 0.2~0.5×) | 940은 감도 손해 → 고QE 센서로 보완 |
| 실리콘 QE (Nyxel류) | ~60–70% | ~36% | 940 손해를 절반 수준까지 회복 |
| 흡수 깊이(1/α) | ~19μm | ~50μm | 940은 두꺼운 BSI 필요 |
| 가시 글로우 | 희미한 붉은빛 보임 | 사실상 안 보임 | 940 승 (운전자 비방해) |
| 주간 태양 배경 | 상대적으로 강함 | 물 흡수 노치로 약함 | 940 승 (주간 SNR↑) |
| 야외 강건성(역광) | 보통 | 우수 | 940 승 |
| LED 효율·가격 | 더 좋고 저렴 | 약간 불리 | 850이 유리 |
| 도달 거리(같은 출력) | 더 멀리 | 짧음(QE 손해) | 850이 유리(단거리 DMS엔 무관) |
종합하면 이렇다. 850nm는 감도·효율·거리가 유리하고, 940nm는 무가시성·주간 강건성이 유리하다. DMS는 운전자를 50cm~1m 근거리에서, 24시간, 방해 없이 봐야 한다. 거리는 짧아도 되고 무가시성과 주간 강건성은 양보할 수 없다. 그래서 940nm가 표준이 된다.
위 그림: 실리콘 QE에서는 850nm가 앞서지만, 가시 글로우 억제·주간 태양 배경 억제·역광 강건성에서는 940nm가 크게 앞선다. 막대는 절대값이 아니라 상대 점수다.
940nm의 QE 손실은 이렇게 메운다
940nm를 택하면 따라오는 감도 손해는, 앞 장에서 본 도구들로 메운다. 세 갈래다.
- 고QE NIR 센서 — Nyxel류 BSI·두꺼운 실리콘으로 940nm QE를 ~36%까지 회복한다(02a장).
- 강한 IR 광량 — IR LED·VCSEL의 복사조도를 높여 신호 자체를 키운다(04a장).
- 짧은 노출 strobe — 노출 순간에만 강하게 비춰 순간 SNR을 올리고 평균 광량은 낮춘다(02b장).
이 세 가지가 함께 940nm의 감도 손해를 상쇄한다. 그래서 940nm는 "손해를 보는 선택"이 아니라 "감도를 내주고 무가시성·주간 강건성을 사고, 그 손해는 센서·조명·노출로 되사는" 균형 잡힌 선택이다.
이제 셋째 처방인 "강한 IR 광량"을 자세히 볼 차례다. 그 광량을 누가 만드는가(LED와 VCSEL), 그리고 그 빛이 운전자 눈에 안전한가(eye safety)가 다음 장의 주제다.