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방사율

흑체는 이상적이지만 실제 물체는 주어진 온도에서 최대 열복사를 방출할 수 없습니다. 그러나 어떤 물체로부터의 실제 열복사 방출은 방사율 ε을 곱하여 쉽게 계산할 수 있습니다.

즉, 물체의 방사율은 표면에서 실제로 방출되는 복사량과 동일한 온도에서 흑체에서 방출되는 복사량의 비율입니다.

방사율에 따른 물체 분류

방사율의 크기는 0 ≤ ε ≤ 1 사이의 값입니다. 다음 그림은 주어진 온도에서 스펙트럼 반구형 방사율과 해당하는 열복사 방출 스펙트럼을 보여줍니다.

방사율과 키르히호프의 법칙

방사율은 키르히호프의 법칙에서 추측할 수 있습니다. 이 법칙은 어떤 물체에 의해 흡수된 방사선의 양이 이 물체에서 방출되는 방사선의 양과 같다는 것을 나타냅니다.

ε = α

여기서 ε 및 소위 흡수율 α는 방출되거나 흡수되는 방사선의 비율을 나타냅니다.

에너지 보존을 위해서는 물체에 입사하는 모든 복사선(Φ0)이 반사(ΦR)(반사 법칙에 따라 지향되거나 거친 표면에서 확산 산란됨), 물체를 통해 투과(ΦT) 또는 흡수(ΦA)되어야 합니다.

Φ0 = ΦR + ΦT + ΦA

방사율 값에 영향을 미치는 매개변수

1.     재료

대부분의 비금속 재료는 피부, 종이, 페인트, 돌, 유리 등과 같은 경우 방사율이 0.8이상의 값을 갖습니다.

대조적으로, 금속, 특히 광택이 나는 금속은 0.2 미만의 매우 낮은 방사율로 인해 측정의 어려움이 있습니다.

2.     불규칙한 표면 구조

주어진 재료에 대해 방사율은 표면 구조에 따라 상당히 다를 수 있습니다.

일부 연마된 금속은 0.02만큼 낮은 ε 값에 도달할 수 있지만 표면이 거칠어지면 방사율이 훨씬 더 커질 수 있으며 심지어 0.8 이상의 값에 도달할 수도 있습니다. 원래 금속 부품에 대한 가장 높은 값은 시간이 지남에 따라 산화/부식을 통해 표면이 변형된 곳에서 발견됩니다. 예를 들어, 요소, 공기의 산소, 비의 물 등에 노출된 상태에서 수년 동안 작동되는 전기 연결의 금속 볼트를 상상해 보십시오. 표면의 이러한 화학적 변형으로 인해 강하게 산화된 Cu의 경우 0.78, 일부 강 화합물의 경우 0.90만큼 높은 값이 보고되었습니다.

3.     시야각

방사율은 동일한 온도에서 흑체에서 방출되는 복사량에 대한 표면에서 실제로 방출되는 복사량의 비율로 정의됩니다.

복사 방향은 방출 방향에 따라 변화를 보입니다.

실제 표면은 동일한 온도(왼쪽: 빨간색 실선)에서 흑체보다 적은 복사를 방출한다는 사실 외에도 실제 회색 물체의 복사는 일반적으로 방출 각도에 따라 달라집니다.

다음 그림에서 실제 광도(오른쪽: 파란색 실선)와 회색 물체의 Lambertian 동작(오른쪽: 빨간색 파선) 사이의 편차로 나타납니다. 이 동작은 IR 카메라를 사용하는 비접촉 온도 측정에 큰 영향을 줄 수 있습니다. 물체의 표면에 수직인 방향(δ = 0º)에서 관찰되는 물체는 비스듬한 각도에서 관찰할 때보다 더 많은 복사를 방출하기 때문입니다. 이것은 방사율이 표면 법선에 대한 관찰 각도에 의존한다는 것을 의미합니다.

다음 그림은 물체의 방향에 따른 방사율의 변화를 보여주고 있습니다.

실제 작업을 위한 방사율 측정/추측 기술

가장 쉬운 방법은 복사율이 알려진 테이프나 페인트를 연구 대상에 부착하는 것입니다. 분석에서 테이프 또는 페인트의 표면 온도는 알려진 ε을 따릅니다. 양호한 열 접촉을 가정하고 열 평형이 확립될 때까지 기다리면 물체의 인접 표면 온도가 동일한 것으로 가정됩니다. 따라서 물체 방사율은 물체 온도가 알려진 테이프 표면 온도와 같아질 때까지 카메라 소프트웨어에서 ε을 변경하여 찾습니다.

열전대로 여러 지점 표면 온도를 직접 측정하고 IR 이미지를 보정하는 데 사용할 수도 있습니다. 이 경우 좋은 열 접촉이 이루어지고 열 평형이 설정되고 열전대 자체가 열 전도를 통해 물체 온도를 변경하지 않는지 확인해야 합니다. 유용한 조건은 열전대의 열용량이 물체의 열용량보다 훨씬 작아야 한다는 것입니다.

반사 및 굴절의 기하학적 특성

그림자를 관찰하거나 레이저 포인터를 사용하여 가시광선이 어느 정도 직선으로 전파되는 것은 일상적인 현상입니다. 이 동작은 기하학적 광학의 관점에서 가장 쉽게 설명됩니다. 이 설명은 빛의 파장이 빛이 입사하는 물체/구조물의 크기보다 훨씬 작은 경우에 유효합니다. IR 방사선은 가시광선과 매우 유사한 특성을 보입니다. 따라서 기하학적 광학을 사용하여 종종 설명할 수도 있습니다.

∙ 균질한 재료에서 IR 복사는 직선으로 전파됩니다. 기하학적 법칙에 따라 전파되는 광선으로 설명할 수 있습니다. 일반적으로 광선은 화살표로 표시됩니다.

∙ 두 물질의 경계면에서 입사된 복사선의 일부는 반사되고 일부는 굴절된 IR 복사선으로 투과됩니다.

∙ 예를 들어 IR 카메라의 렌즈와 같은 균질한 재료의 광학 특성은 굴절률 n으로 설명됩니다. 이 지수 n은 비흡수성 물질의 경우 1보다 큰 실수이고, 흡수성 물질의 경우 복잡한 수학적 양입니다.

다음 그림은 기하학적 광학의 반사 및 굴절 법칙을 보여줍니다. 그림에 나와 있는 예는 공기에서 게르마늄 표면에 입사하는 IR 복사를 나타냅니다.

복사 측정 및 열 복사

IR 카메라를 사용한 실제 측정에서 물체는 카메라 방향으로 방사선을 방출합니다. 여기서 물체는 검출기에 초점을 맞추고 정량적으로 측정됩니다.

열화상 촬영은 대부분 IR 복사에 불투명한 고체 물체로 수행되기 때문에 방출은 물체의 표면만을 나타냅니다.

흑체 복사(Blackbody Radiation)

기본 물리학에 기초하여 0K 이상의 절대 온도에서 모든 물체는 방사선을 방출합니다. 어떤 물체가 방출할 수 있는 최대 복사 세기는 물체의 온도에만 의존합니다. 따라서 이 방출된 복사를 열 복사라고 합니다. 실제 물체의 경우 추가 재료 속성인 방사율이 작용합니다.

최대 복사 세기를 방출하는 방출기를 흑체라고 합니다. 흑체는 다음과 같은 특성을 갖는 이상적인 표면과 유사합니다.

1. 흑체는 파장과 방향에 관계없이 모든 입사 방사선을 흡수합니다.

2. 주어진 온도와 파장에서 흑체보다 더 많은 에너지를 방출하는 표면은 없습니다.

3. 흑체에서 방출되는 복사는 파장에 따라 다릅니다. 그러나 그 광도는 방향에 의존하지 않습니다. 완벽한 흡수체 및 방사체로서 흑체는 복사 측정의 표준 역할을 합니다.

흑체 복사에 대한 플랑크 분포 함수

흑체의 열복사에 대한 매우 정확한 스펙트럼 측정은 19세기 말까지 존재했습니다. 그러나 막스 플랑크가 그의 유명한 플랑크 상수 h 개념을 도입한 1900년 이전에는 측정된 스펙트럼을 만족스럽게 설명할 수 없었습니다. 플랑크의 이론은 열역학에 기반을 두었지만 복사의 방출과 흡수의 양자적 특성으로 인해 흑체 복사 이론 뿐만 아니라 물리학의 전 세계에 완전히 새로운 개념을 도입했습니다.

다음 그림은 –20 ~ 1000 °C 온도의 흑체 복사를 보여줍니다.

다음과 같은 몇 가지 특징이 있습니다.

1. 스펙트럼 램프의 방출과 달리 이러한 스펙트럼은 연속적입니다.

2. 고정된 파장에 대해 복사 휘도는 온도와 함께 증가합니다(즉, 다른 온도의 스펙트럼은 서로 교차하지 않음).

3. 방출 스펙트럼 영역은 온도에 따라 다릅니다. 낮은 온도는 더 긴 파장으로 이어지고, 높은 온도는 더 짧은 파장 방출로 이어집니다.

열화상 이미징

적외선(IR) 열화상은 지난 30년 동안 IR 검출기 설계, 전자 및 컴퓨터 과학의 마이크로시스템 기술에서 이루어진 엄청난 발전으로 인해 과학 및 산업 분야에서 매우 빠르게 발전하는 분야입니다.

오늘날 열화상 측정은 연구 개발 뿐만 아니라 비파괴 검사, 상태 모니터링, 예측 유지보수, 공정 및 건물의 에너지 비용 절감 등과 같은 다양한 산업 분야에 적용됩니다. 또한 최근 카메라 제조사들의 수익성 있는 산업 부문의 경쟁으로 수천 달러 또는 유로에 불과한 가격대의 저가 모델과 500달러 이하의 스마트폰 액세서리가 등장하면서 새로운 응용 가능성을 열었습니다.

열화상 이미지는 물리학 및 과학의 다양한 분야에서 사용할 수 있는 시각화 기술의 훌륭한 예입니다.

또한 시각화 측면에서 완전히 새로운 물리학 영역을 열었습니다. 요즘에는 떨어지는 물체의 충격이나 걷는 사람의 신발과의 상호 작용에 따른 바닥 온도 상승의 보이지 않는 영향을 쉽게 시각화 할 수 있습니다. 이것은 학교에서 시작하여 모든 종류의 산업 분야의 전문가 훈련으로 끝나는 물리학 및 자연 과학을 가르치는 완전히 새로운 방법을 허용할 것입니다.

서모그래피는 대부분의 경우 물체의 표면 온도를 정량적으로 측정할 수 있는 측정 기술입니다. 이 기술을 올바르게 사용하려면 전문가가 카메라의 기능과 사용자가 이미지에서 유용한 정보를 추출하기 위해 수행해야 하는 작업을 정확히 알고 있어야 합니다.

IR 이미지에 영향을 미치는 영향은 다음과 같습니다.

첫째, 물체의 복사는 대기, IR 윈도우 또는 카메라 광학 장치를 통과하는 동안 흡수 또는 산란을 통해 감쇠됩니다.

둘째, 대기 자체는 온도로 인해 복사를 방출할 수 있습니다. 이는 윈도우나 카메라 광학 장치 및 하우징 자체에도 해당됩니다.

셋째, 주변의 따뜻하거나 뜨거운 물체(열화상 카메라도 소스임)가 발생할 수 있습니다. 물체나 윈도우 등의 추가 IR 복사 반사에 영향을 줍니다. 또한 물체 또는 윈도우의 기여는 방사율 매개변수로 설명되는 재료, 표면 구조 등에 따라 달라질 수 있습니다.

최신 IR 카메라 시스템으로 기록된 이미지에 영향을 미치는 여러 매개변수 및 요인.

IR 이미징의 경우 IR 스펙트럼의 작은 범위만 사용됩니다. 일반적으로 열화상 촬영에 대해 세 가지 스펙트럼 범위가 정의됩니다. 8~14μm의 장파(LW) 영역, 3~5μm의 중파(MW) 영역, 0.9~1.7μm 단파(SW) 영역으로 구분됩니다. 밴드라고도 하는 이러한 범위의 제한 파장은 실제 감지기 감도 및 추가 광학 필터 요소에 따라 달라질 수 있습니다.

이러한 파장에 대한 제한은 첫 번째로 예상되는 열복사량의 영향, 두 번째로 탐지기의 물리학, 세 번째로 대기의 투과 특성에 따른 것입니다.