영상증폭 기술은 제2차 세계 대전(1934) 이전부터 시작되었지만, 1970년대가 되어서야 2세대(Gen2)의 등장과 함께 기술적으로 발전하였습니다. 그때부터 영상 증폭은 진공 튜브에서 3단계에 걸쳐 처리되었습니다. 1. 광자(빛)를 수집하여 전자로 전달하는 광음극, 2. 전자를 증폭시키는(Gen2의 혁신) 마이크로 채널 플레이트(MCP), 3.전자(증폭된)를 다시 광자(빛)로 전달하는 형광체 스크린. 대부분의(전부는 아님) 경우에는 광섬유 트위스터를 사용하여 사진을 180도 회전시켰습니다. 또한, 야간 투시 장비에 있는 전원 공급 장치(PSU)는 소형 배터리로 작동되며 영상증폭관 전체를 제어하게 하였습니다.

이 3단계와 전원 공급 장치(PSU)의 기능이 각 제조업체에 의해 다르게 사용되지만, 오늘날 모든 영상 증폭관은 위에서 설명한 바와 같은(Gen2)원리에 의해 여전히 동일하게 작동합니다!

한국내에서 오해가 많은 영상증폭관의 세대구분에 대해 말씀드리자면, 2001년 미국 정부는 영상 증폭 센서에 2세대, 3세대 등의 “세대” 표기가 영상 증폭관 성능을 결정하는 요소가 아니라고 결론 내린 바 있습니다. 이 문제에 대해 미국 정부는 ITAR(미국의 국제 무기 거래 규정)에 수출의 타당성을 결정하는 요소에서 “세대(Gen)” 를 제거하고 FoM(성능지수)을 핵심으로 만들었습니다.

실제로 차이를 만드는 것은 앞서 설명한 각 3가지 단계와 전원공급장치(PSU)가 전반적으로 어떻게 성능을 내는가입니다. 영상증폭관의 구성요소 및 제조 방법은 매우 복잡하고(기밀사항) 제조업체마다 다릅니다. 그럼에도, 한국에서 현재 의문을 갖고 계신 부분인 만큼 가장 중요한 차이점은에 대해서 가능한 범위에서 상세히 설명해 드리고자 합니다.

오늘날의 광음극의 소재는 대부분 갈륨-비소(GaAs) 또는 하이브리드 멀티 알칼리(HyMa)로 생산됩니다. 3세대(Gen3) 라고 불리는 제품들은 모두 갈륨-비소(L3-Harris 및 ELBIT USA에서 생산)로 생산됩니다. Photonis 에서 4G라는 브랜드로 생산 중인 제품은 하이브리드 멀티알칼리(HyMa)로 생산되며 시간이 지남에 따라 두 개의 광음극의 특성은 더욱 발전되고 개선되었으며, 앞으로도 계속 발전될 것입니다.

Photonis 의 4G 기술은(2014년 출시) 특허받은 나노 구조의 광음극은 회절된 감도를 기반으로 광자의 흡수를 높이고 광음극의 에너지 수용성을 개선했습니다.

앞서 언급한 GaAs(갈륨-비소)와 HyMa(하이브리드 멀티알칼리)로 만든 서로 다른 광음극의 주요 차이점은 대역폭 또는 스펙트럼 범위입니다. 즉, 광음극이 “흡수” 하여 전자로 전달할 수 있는 빛(light)의 범위(UV-푸른빛에서 IR-붉은빛까지)가 상당히 다릅니다. GaAs의 대역폭은 약 500(푸른빛)~900(붉은빛)나노미터 입니다. HyMa의 대역폭은 350(UV)~1100(IR)나노미터 입니다. HyMa(하이브리드 멀티알칼리) 로 만든 광음극이 GaAs(갈륨-비소)로 만든 광음극 보다 더 넓은 대역폭(또는 스펙트럼 범위)을 가지고 있는 것은 분명한 사실입니다.

HyMa(하이브리드 멀티알칼리)로 만들어진 광음극의 확장된 대역폭은 두 가지 중요한 결과로 이어집니다. 첫째, 넓은 대역폭은 전 세계 어디서든 나오는 모든 유형의 빛(사막과 같은 높은 ‘파란/UV 스펙트럼’에서 정글과 같은 ‘빨간/IR’에 이르기 까지)에 최상의 성능을 발휘합니다. 둘째, 시각적 스펙트럼 (가시광선) 밖에 있는 광원을 볼 수 있는 기능을 제공합니다. 즉, GaAs로 만든 영상증폭관이 볼 수 없는 스펙트럼의 빛을 HyMa로 만든 영상증폭관은 볼 수 있습니다. 하나의 예로 1064nm-레이저 표적 지시기(JTAC 합동최종공격통제관의 사용 장비 장치)를 HyMa(하이브리드 멀티알칼리)광음극은 감지할 수 있지만, GaAs(갈륨-비소) 로 만든 제품들로는 감지할 수 없습니다. 그뿐만 아니라 HyMa(하이브리드 멀티알칼리) 광음극의 넓은 대역폭은 전술적 용도(차세대 레이저, 일루미네이터, 포인터 및 비콘 등)로 활용하기 위한 다른 옵션(UV와 IR 모두)을 제공합니다. 이는 군인이 잠행하여 임무를 수행하는데 도움을 줄 것입니다.

30년 전으로 거슬러 올라가면 GaAs(갈륨-비소)는 빛, 광자를 더욱 더 많은 전자로 전달하기 때문에 더 효율적인 소재로 생각되었습니다. 오늘날은 신호대잡음비율(SNR, Signal-to-Noise Ratio)은 영상증폭관이 저조도에서 얼마나 효율적으로 처리 하는지를 설명하는 중요 사항입니다. 신호대 잡음비율비가 더 우수한 영상증폭관이 광음극의 소재 혹은 소위 말하는 “세대”와 관계없이 어두운 환경에서 더 좋은 이미지를 제공합니다.

또한 GaAs(갈륨-비소) 소재가 열화에 훨씬 취약하여 영상증폭관의 수명이 대폭 줄어들었습니다. GaAs(갈륨-비소) 광음극의 열화를 방지하기 위해 마이크로 채널 플레이트(MCP)에 이온 배리어 필름을 넣어야 했습니다. (HyMa 광음극은 이온 배리어 필름이 필요하지 않음.)

이로 인해 두 가지 결과가 발생합니다. 첫째, GaAs(갈륨-비소) 광음극이 들어간 영상증폭관은 레이저 빛에 매우 취약하게 되고 돌이킬 수 없는 손상을 초래할 수 있게 됩니다. 가시영역을 개선하기 위해 세슘을 코팅한 GaAs(갈륨-비소) 광음극 표면은 HyMa(하이브리드 멀티알칼리) 광음극 보다 과다 노출에 의한 손상 특히 레이저 빔에 훨씬 더 민감합니다.

둘째, GaAs(갈륨-비소) 광음극을 사용한 영상 증폭관은 후광(Halos)이 커집니다. 후광(Halos)은 가로등이나 자동차 전조등과 같이 가장 밝은 부분 주변이 둥글게 밝은 영역으로, 부분 또는 전체 이미지의 품질을 저해합니다. GaAs 광음극을 사용한 영상증폭관의 후광(Halos)은 일반적으로 1mm 이고 HyMa 광음극을 사용한 저희 Photonis 4G 모델의 후광(Halos)은 일반적으로 0.7mm 입니다. 후광(Halos)이 작을수록(특히 도시 환경에서) 위협을 식별하는 능력이 향상됩니다. 4G 영상증폭관의 감소한 후광 크기는 광원의 영향을 덜 받고 대상을 보다 명확하게 볼 수 있도록 도와줍니다.

4G영상증폭관의 마이크로 채널 플레이트(MCP)의 구성은 기밀사항이지만 전자를 최대한 증폭시키는 것에 초점을 두어 독보적으로 높은 화질(해상도는 높지만 노이즈는 감소시키는)을 제공할 수 있도록 합니다. Photonis 의 4G 영상증폭관은 1800 이상의 FoM(성능지수, Figure of Merit)를 제공합니다. 유럽 회사인 Photonis 는 ITAR(미국의 국제 무기 거래 규정)에 영향을 받지 않음으로 미국 제품들보다 수출이 비교적 자유롭습니다. 4G 영상증폭관의 마이크로 채널 플레이트(MCP) 덕분에 이미지 품질은 고정 패턴 노이즈(FPN, Fixed Pattern Noise)가 3세대(Gen3) 제품들보다 훨씬 우수합니다. 고정 패턴 노이즈(FPN, Fixed Pattern Noise)는 밝기가 밝아질 때(예를 들어 도시 위로 날아다니는 헬리콥터) 3세대(Gen3) 영상증폭관 이미지에 나타나는 벌집 구조의 패턴입니다.

4G 영상 증폭관의 전원 공급 장치에는 초고속 오토 게이팅(Super Fast Auto-Gating) 기능이 있습니다. 오토게이팅 이라는 기능은 주변 밝기에 따라 마이크로 채널 플레이트(MCP)에 인가된 전압을 조절하는 기능입니다.

영상증폭관 사용자는 갑작스러운 폭발이나 어두운 실내에서 갑자기 불이 켜지는 등의 다양하게 변화하는 밝기에서 해당 상황에 맞게 최적으로 작동하는 영상 증폭관이 필요합니다. 특히 전장, 도시 또는 폐쇄된 건물에서 사용할 때 오토게이팅(Auto-gating) 기능은 어떠한 밝기의 조건에서도 영상증폭관을 통해 항상 선명한 이미지를 제공하도록 도와줍니다.

4G 영상증폭관의 고품질 초고속 오토 게이팅(Super Fast Auto-Gating) 의 장점은 주/야간 전환뿐만이 아닌 어두운 실내가 갑작스러운 밝은 조명 때문에 밝아질 때 쉽게 느낄 수 있습니다. 4G 영상증폭관의 초고속 오토 게이팅(Super Fast Auto-Gating) 기능은 병사들이 순간적으로 불꽃이 튀는 상황에서도 일시적인 실명이 발생하지 않고 지속해서 표적을 주시할 수 있도록 도와줍니다.

Photonis가 4G 영상증폭관을 위해 개발한 초고속 오토 게이팅(Super Fast Auto-Gating) 기능은 현재 시장에서 가장 빠른 속도를 가지고 있을 뿐만 아니라, 독창적인 방법으로 해상도가 최고 품질로 유지되도록 조정합니다. 뿐만 아니라 어두운 상태에서 갑작스러운 밝은 조명 때문에 급격히 해상도가 떨어지는 3세대(Gen3) 영상증폭관과 달리 높은 해상도를 유지합니다.

만약 임무 수행 중 폭발이 발생하더라고 4G 제품에 탑재된 초고속 오토 게이팅(Super Fast Auto-Gating) 기능이 빠르게 반응하여 시각을 잃지 않습니다. 보통의 오토 게이팅(Auto-gating )의 경우 이미지가 전부 하얘져 정상으로 돌아오기까지 1초 정도 기다려야 합니다. 4G 영상증폭관은 초고속 오토 게이팅(Super Fast Auto-Gating) 기능 덕분에 0.1초 이하로 작동하며 눈의 인식속도에 더 가깝습니다.

특수부대 및 테러방지팀은 특별한 임무 성격 때문에 이 독보적인 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 없거나 어두운 건물 출입 뿐만 아니라 밝은 곳으로도 이동해야 합니다. 4G SFATG(Super-Fast-Auto-Gating)의 또 다른 장점은 밝은 조명(도시지역)에서도 매우 선명한 이미지를 유지한다는 점입니다.

마지막으로 중요한 점은 소위 3세대(Gen3) 영상증폭관 뿐만 아니라 Photonis의 영상 증폭관 역시 지난 10여년간 제품의 수명이 개선되었습니다. 모든 영상 증폭관은 Mil-Spec 기준에 따라 1만 시간 이상의 보장된 수명을 제공하며 사용 시간이 증가할수록 제한적인 성능저하가 발생합니다. 신호 대 잡음 비(Signal to Noise Ratio) 특성은 전체 수명 동안(주 3일간 밤에 평균 6시간씩 10년간 사용) 약 5% 미만으로 감소합니다.

현존하는 모든 영상증폭관은 앞서 설명한 3단계 원리와 전원공급장치(PSU)로 작동합니다. 세대표시는 더 이상 사용되지 않습니다(미국 정부에 의해 확인됨). 중요한점은 것은 3단계와 전원공급장치(PSU)가 어떤 성능을 내는가입니다.

Photonis 의 4G 기술은 성능을 바탕으로 기존(미국) 3세대(Gen3) 영상증폭관을 능가할 뿐만 아니라, 기존 3세대(Gen3) 영상증폭관을 전장에서 사용할 때 발생하는 문제점을 극복할 수 있습니다.

Photonis 의 영상증폭관 4G는 400nm 이하에서 1000nm 이상까지 스펙트럼 감도가 넓고 초소 1800FoM(성능지수, Figure of Merit)를 보장하며 57lp/mm 이상의 고광도 해상도와 0.7mm 미만의 후광(Halos) 크기가 특징입니다. 초고속 오토게이팅(Super Fast Auto Gating)은 모든 조명 및 조건에서 최적의 기능을 보장합니다.

영상증폭관의 성능은 단순히 연구시설에서 발명된 신기술이나 실험실에서나 측정된되는 이론적 기준으로 판단될 수 없습니다. 성능은 백문이 불여일견입니다. Photonis제품의 높은 FoM(성능지수)로는 탐지, 인식, 식별 범위를 증가시켜 군인들이 어두운 환경 속에서도 넓은 범위를 볼 수 있게 도와줍니다. 나아가서는 적보다 “적보다 먼저 볼 수 있는” 군인이 되게 하며 더 효과적이고 안전하게 활동할 수 있도록 도와줄 것입니다.

Mr. John E. Weyne
Captain (ret) RNLN
Vice President Business Strategy & Development
T:+31 (0)505 01 88 08
j.weyne@photonis.com