[논문]천체의 광역 관측을 위한 CCD 카메라 개발

유영삼; 박수종; 김민진; 이성호; 변용익; 천무영; 한원용

문제 정의

특히, 시그마(Sigma)사의 24 mm 렌즈를 이용하여 관측된 영상을 보면 광해가 적은 곳에서는 약 400개 이상의 별이 관측되어 하늘의 기상상태를 판별하기에 충분함을 알 수 있다. 본 연구는 한국천문연구원의 '인공위성 및 지구접근천체감시연구(국가지정연구실 사업)''의 일환으로 수행된 것이다. 또한 CCD Camera Cookbook Kil의 신호처리와 작동원리에 대해 도움을 준 강종현과 김수현에게 감사한다.
본 연구에서는 하늘의 넓은 지역의 별을 관측하여, 실시간으로 데이터를 처리할 수 있는 시스템을 개발하기 위해, 직접 CCD 카메라를 제작하였다. 그동안 국내에서 제작된 천문관측용 CCD 카메라는 어두운 천체를 장시간 관측할 목적으로 성능 테스트(Park, Chun, & Kim 1995)와 개발이(Han 1994; Jin et al.
본 카메라는 CCD Camera Cookbook kit을 응용하여 만든것으로, 하늘의 기상 상태를 자동으로 판별하기 위한 것이다. 이를 위해 무인 자동 관측 장비에 적합한 열전냉각장치를 만들었다.

제안 방법

있다. 냉각 효율을 실험하기 위하여 평균 25。(3의 실험실에서 3회에 걸쳐 암전류를 측정하였다. 그림 4에서 보면 냉각 시작 후 약 30。초까지 암전류 값이 급격히 감소하고, 약 100。초 후에는 완전히 안정됨을 알 수 있다.
실험실 온도 25。€에서 카메라로 입사되는 빛을 차단한 상태에서 노출 시간에 따른 암전류의 누적 값을 측정하여 유효 반응 범위를 구하였다. 그림 5에서 보면 이 공냉식 냉각장치로 약 125초까지 최대 노출을 줄 수 있다.
CCD 카메라를 제작하였다. 그동안 국내에서 제작된 천문관측용 CCD 카메라는 어두운 천체를 장시간 관측할 목적으로 성능 테스트(Park, Chun, & Kim 1995)와 개발이(Han 1994; Jin et al. 1997; Park et al. 2000) 진행되었지만 본 연구에서 제작한 카메라는 CCD Camera Cookbook Kit(Berry, Kanto, & Munger 1994)를 응용하여 연구의 목적인 광시야 관측을 만족시키면서 비용과 노력을 줄였다. 그리고 자체 개발한 CCD 제어기를 사용하여 여러가지 종류의 관측을 가능하게 하였다<S.
2000). 그리고 효율적으로 열전냉각기를 냉각시키기 위해 공냉식 냉각 장치를 제작하였다(그림 3). 공냉식은 열전 냉각기의 열 발생부분에 냉각 팬을 부착하여 강제 냉각을 시킨다.
냉각 장치의 종류에는 기계적 냉각(mechanical refrigeration), 액체 가스 냉각(liquefied gas cooling), 열전냉각(thermoelectric cooling) 등이 있으며(Buil 1991), 본 연구에서는 펠티어 (Peltier) 냉각효과를 이용한 열전냉각방식을 채택하였다. 국내에서는 한국 천문연구원에서 열전냉각기를 사용한 CCD 카메라를 개발한 바 있다(Park et al.
그리고 관측 장소에 무인 관측 시스템을 설치하기 위해서는 장비의 간편성과 내구성도 중요한 요인이 된다. 본 연구에서는 CCD 카메라의 냉각 방법으로 열전냉각기를 이용하여 냉각 성능 실험을 하였다.
우리는 Texas Instruments사의 TC 245 칩을 사용한 CCD Camera Cookbook Kit(Berry, Kanto, & Munger 1994)를 응용하였다. CCD 카메라의 기본적 구조는 그림 1과 같이 다섯 Y 본。- 루 나뉜다.
이를 위해 무인 자동 관측 장비에 적합한 열전냉각장치를 만들었다. 냉각 효율과 유효 반응 범위를 테스트 한 결과 사용 목적에 적절함을 알 수 있었다.

대상 데이터

그림 7. 24 mm를 렌즈를 이용하여 보현산에서 관측된(60초 노출) 영상. 광해가 적어 많은 별들이 관측되어 있음을 알 수 있다.
그림 8. 24mm 렌즈를 이용하여 연세대학교 천문대(충남 천안소재)에서 관측된(45초 노출) 영상. 전체적으로 별은 고르게 나왔지만 주변에 상현달이 있어서 배경 하늘이 밝은 상태이다.
따라서 카메라 렌즈의 초점거리가 길어지면 시야가 좁아지지만, 집광력이 더 높아지고, 카메라 렌즈의 초점거리가 짧아지면 그 반대가 된다. 본 연구에서는 상용으로 구입 하기 쉬 운 Sigma사의 15 mm(초점 거 리)와 24 mm, Nikon사의 50 mm 렌즈를 사용하였다.
표 1은 렌즈별 초점 거리와 CCD 칩의 각 픽셀 당 크기를 고려해서 계산한 시야를 보여준다. 실제 시야를 측정하기 위한 관측은 2001년 4월 12일 서울대학교 관악 캠퍼스에서 시행되었다. 큰곰자리의 주요 별들은 5-6등급의 밝은 별들이며, 북극성 근처의 별들로 일주운동이 느려 장시간의 노출에도 상의 흐름이 적기 때문에 광해가 심함에도 불구하고 시야를 계산하는데는 좋은 대상이었다.
공냉식은 열전 냉각기의 열 발생부분에 냉각 팬을 부착하여 강제 냉각을 시킨다. 연결 부분에는 Loctite 384 열, 전기 전도성 접착제(Loctite Inc.)를 사용하였다. 이 접착제는 속 경화성으로 접착후 견고성과 열전도성이 뛰어나 각종 방열판 등의 접착에 유용하다.
특히 본 카메라는 더 넓은 시야를 얻기 위해서 망원경에 카메라를 장착하지 않고, 상용으로 사용되는 카메라의 렌즈를 사용하였다. 범용으로 사용되고 있는 Sigma사의 15 mm(초점거리), 24 mm, Nikon사의 50 mm 렌즈를 이용하여, 이들의 시야(FOV)의 테스트 결과는 이론적으로 예상한 값과 일치하는 22.

성능/효과

이를 위해 무인 자동 관측 장비에 적합한 열전냉각장치를 만들었다. 냉각 효율과 유효 반응 범위를 테스트 한 결과 사용 목적에 적절함을 알 수 있었다.
본 카메라는 일반 소비자용 35 mm 카메라를 위해서 판매되는 표준 및 광각 카메라 렌즈를 사용하여 최소의 비용으로 넓은 시야를 확보할 수 있었다. 그런데, 어두운 별을 관측하기 위해서는 망원경의 대물렌즈의 구경이 커야하고 넓은 시야를 얻기 위해서는 대물렌즈의 초점거리가 짧아야 한다.
그렇지만, 본 카메라의 경우 하늘의 일정 방향을 향한 채 고정되기 때문에 장시간의 노출을 주면 별의 상이 흐르게 되어 실제 관측에서는 1분 이상의 노출은 의미가 없다. 본 카메라의 목적을 위해서는 열전 냉각기로도 충분함을 알 수 있다.

후속연구

본 연구에서 개발된 하드웨어(Sky Monitor)는 한국천문연구원의 지 구접 근천체 연구실과 연세 대 학교 YSTAR(Ybnsei Survey Telescopes for Astronomical Research) 사업에서 구축 중인 50 cm 광 시야 탐사 관측 장비에 사용될 예정이다. 이 시스템은 정확한 시간 동기를 위해 GPS와 제어 시스템이 연결되어 있다.
별 세기 프로그램은 일정한 시간마다 관측을 하면서 동시에 별의 개수를 자동으로 계산하여 하늘의 기상 상태를 실시간으로 파악한다. 이 카메라 시스템은 구동 소프트웨어와 하드웨어의 구조가 간단하고 비용이 적게 들어서, 여러가지 특수한 목적의 천문 관측 연구에 실험적으로 사용될 수 있다.

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