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관측기기
Q.CCD 카메라는 어떤 것인가요?
2010-02-23
A.CCD는 Charge Coupled Device의 약자로 전하결합소자로 번역되기도 합니다. CCD는 원래 1970년대 초반에 미국의 벨연구소에서 메모리 반도체로 개발하였다고 합니다. 이 CCD칩은 서로 다른 종류의 반도체 (P형, N형)를 붙인 것으로 빛을 쏘이면 전자가 생성되어 저장되는 칩으로 메모리로 사용하는 것보다 빛을 감지하는 장치로 사용하게 되었습니다. 천문학자들은 1970년대 중반부터 이 칩의 이와 같은 특성에 주목하고 천체관측에 이용하게 되었습니다. 그때까지 천문학자들은 사진 건판에 천체를 촬영하여 "마이크로 덴시티메터" 혹은 "PDS"를 이용하여 디지털 영상을 만들어 분석하거나, 빛의 세기를 광전관을 이용하여 측정하는 방법을 써왔습니다. 당시 천문학자들에게는 사진을 찍고 디지털 영상으로 변환하는데 들어가는 품을 단번에 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 효율이 아주 높고 (사진 건판 효율 5% 이하, 현재 CCD 85%까지), 반응이 선형 (빛의 세기와 반응이 비례)이라는 꿈의 감지기 (detector)였습니다. 물론 그때는 현재와 같이 크고 안정되어 있지는 않았지만요.
빛을 감지하고 전자를 저장하는 부분을 픽셀 (pixel)이라고 하는데 그 크기는 대략 24마이크론에서 9마이크론까지 있습니다. 천문학 연구용으로 사용하는 것은 대략 24에서 20마이크론을 많이 사용합니다. 천문학용 사진 건판과 비교하면 사진 건판의 감광 입자의 크기가 약 5마이크론임을 생각할 때 상당히 커 보입니다. 우리가 천체를 노출할 때 카메라의 셔터가 열려있는 동안 CCD칩은 빛을 받아 전자를 생성시키고 저장하는 픽셀을 이차원으로 배열하여 영상을 찍게 됩니다. 셔터가 닫히면 각 픽셀에 생성된 전자는 여러 가지 모양의 전기적 펄스를 이용하여 노출 중에 생성된 전자를 옆의 픽셀로 이동시켜 맨 마지막 행, 혹은 열에서 픽셀의 전하량을 전류의 세기로 측정하고, 증폭한 다음 아날로그 디지털 변환기를 이용하여 디지털 데이터로 저장하게 됩니다. 이 모든 과정은 컴퓨터로 제어하게 되어 있습니다. 연구용 카메라는 일반적으로 액체질소를 이용하여 냉각시키게 되는데 칩을 영하 100도에서 130도 까지 온도를 낮추게 됩니다. 이는 열에 의하여 발생하는 전자, 즉 열 잡음을 막기 위함입니다.
아마추어용 CCD 카메라는 대개 냉각장치가 없거나 (공냉식), 전기냉각 방식을 씁니다. 연구용 망원경에 이러한 아마추어용 CCD 카메라를 이용하여 자동 가이드 (오토가이드) 장치를 만드는 경우가 많습니다. ST-x 시리즈는 자동가이드에 필요한 소프트웨어와 하드웨어가 갖추어져 있습니다. 사용설명서를 잘 읽으면 알 수 있을 겁니다.
CCD 카메라는 아마추어용이라 하더라도 정밀한 측광 (빛의 세기를 측정하는 것)은 아니지만 측광 용으로 쓸 수 있습니다. 고등학교에서 이 장비를 갖고 있다면 연구용으로 쓸 수 있습니다. 이를테면 변광성을 측광하여 시간에 따른 별빛의 변화 즉 광도곡선을 얻을 수 있습니다. 또 필터를 이용하여 관측하여 색-등급도 (H-R도)를 만들 수 있습니다. CCD를 이용하여 측광하는 경우에는 몇 가지 보정이 필요합니다.
빛을 감지하고 전자를 저장하는 부분을 픽셀 (pixel)이라고 하는데 그 크기는 대략 24마이크론에서 9마이크론까지 있습니다. 천문학 연구용으로 사용하는 것은 대략 24에서 20마이크론을 많이 사용합니다. 천문학용 사진 건판과 비교하면 사진 건판의 감광 입자의 크기가 약 5마이크론임을 생각할 때 상당히 커 보입니다. 우리가 천체를 노출할 때 카메라의 셔터가 열려있는 동안 CCD칩은 빛을 받아 전자를 생성시키고 저장하는 픽셀을 이차원으로 배열하여 영상을 찍게 됩니다. 셔터가 닫히면 각 픽셀에 생성된 전자는 여러 가지 모양의 전기적 펄스를 이용하여 노출 중에 생성된 전자를 옆의 픽셀로 이동시켜 맨 마지막 행, 혹은 열에서 픽셀의 전하량을 전류의 세기로 측정하고, 증폭한 다음 아날로그 디지털 변환기를 이용하여 디지털 데이터로 저장하게 됩니다. 이 모든 과정은 컴퓨터로 제어하게 되어 있습니다. 연구용 카메라는 일반적으로 액체질소를 이용하여 냉각시키게 되는데 칩을 영하 100도에서 130도 까지 온도를 낮추게 됩니다. 이는 열에 의하여 발생하는 전자, 즉 열 잡음을 막기 위함입니다.
아마추어용 CCD 카메라는 대개 냉각장치가 없거나 (공냉식), 전기냉각 방식을 씁니다. 연구용 망원경에 이러한 아마추어용 CCD 카메라를 이용하여 자동 가이드 (오토가이드) 장치를 만드는 경우가 많습니다. ST-x 시리즈는 자동가이드에 필요한 소프트웨어와 하드웨어가 갖추어져 있습니다. 사용설명서를 잘 읽으면 알 수 있을 겁니다.
CCD 카메라는 아마추어용이라 하더라도 정밀한 측광 (빛의 세기를 측정하는 것)은 아니지만 측광 용으로 쓸 수 있습니다. 고등학교에서 이 장비를 갖고 있다면 연구용으로 쓸 수 있습니다. 이를테면 변광성을 측광하여 시간에 따른 별빛의 변화 즉 광도곡선을 얻을 수 있습니다. 또 필터를 이용하여 관측하여 색-등급도 (H-R도)를 만들 수 있습니다. CCD를 이용하여 측광하는 경우에는 몇 가지 보정이 필요합니다.