[열화상 카메라] 방사율 개념

방사율 정리

모든 물체들은 재료나 표면 상태에 따라 적외선 에너지를 다르게 방출하고 있습니다. 방사율은 물질이 적외선 에너지를 방출하는 효율성을 설명합니다.

 

방사율의 물리학

적외선 에너지는 고체, 액체 또는 기체와 같은 물질에 입사할 때 흡수, 반사 및 투과 특성을 나타냅니다.

 

흡수(Absorption)

흡수는 적외선 에너지가 물질에 흡수되는 정도입니다. 플라스틱, 세라믹 및 섬유와 같은 재료는 좋은 흡수제입니다. 실제 물체에 의해 흡수된 적외선 에너지는 일반적으로 전도, 대류 또는 복사에 의해 주변으로 재전송됩니다.

 

투과(Transmission)

투과율은 적외선 에너지가 물질을 통과하는 정도입니다. 7~14µm 사이의 적외선 영역에서 에너지를 효율적으로 전달하는 재료는 거의 없습니다. 게르마늄은 적외선 에너지를 잘 투과시키므로 적외선 카메라의 렌즈 재료로 자주 사용됩니다.

 

반사(Reflection)

반사는 적외선 에너지가 재료에서 반사되는 정도입니다. 알루미늄, 금, 니켈과 같은 광택이 나는 금속은 매우 좋은 반사체입니다.

 

에너지 보존은 입사 에너지의 양이 흡수, 반사 및 투과 에너지의 합과 같다는 것을 의미합니다.

 

입사 에너지 = 흡수 에너지 + 투과 에너지 + 반사 에너지

 

일정한 온도에서 진공 상태의 물체는 입력되거나 출력되는 다른 에너지원이 없습니다. 

 

물체에 의해 흡수된 에너지는 열 에너지를 증가시키지만 투과 및 반사 에너지는 증가하지 않습니다. 물체의 온도가 일정하게 유지되기 위해서는 물체가 흡수하는 에너지와 동일한 양의 에너지를 방출해야 합니다. 따라서 좋은 흡수체인 물체는 좋은 방출체이고 열악한 흡수체인 물체는 나쁜 방출체입니다.

 

방출 에너지 = 흡수 에너지

 

흡수 에너지를 방출 에너지로 대체하면 다음 식으로 교체됩니다.

 

입사 에너지 = 방출 에너지 + 투과 에너지 + 반사 에너지

 

입사 에너지를 100%로 설정하면 다음 식으로 교체됩니다.

 

100% = %(방출된 에너지) + %(투과된 에너지) + %(반사된 에너지)

 

방사율은 물질이 에너지를 방출하는 효율과 같기 때문에 다음과 같이 설명할 수 있습니다.

 

100% = 방사율 + %(투과 에너지) + %(반사 에너지)

 

%(투과 에너지) 및 %(방출 에너지)는 다음 식과 같이 교체 가능합니다.

 

100% = 방사율 + 투과율 + 반사율

 

위의 식에 의하면 방사율, 투과율 및 반사율 사이에 균형이 있습니다. 

 

물체의 방사율이 증가하면 투과율과 반사율의 합은 감소해야 합니다. 마찬가지로 물체의 반사율이 증가하면 방사율과 투과율의 합은 감소해야 합니다.

 

대부분의 고체 물체는 적외선 에너지의 투과율이 매우 낮습니다. 입사 에너지의 대부분은 흡수되거나 반사됩니다. 

 

투과율을 0으로 설정하면 다음과 같이 다시 표현할 수 있습니다.

 

100% = 방사율 + 반사율

 

에너지를 전달하지 않는 물체의 경우 방사율과 반사율 사이에는 단순한 균형이 있습니다. 방사율이 증가하면 반사율은 감소해야 합니다. 반사율이 증가하면 방사율은 감소해야 합니다. 

 

예를 들어,

방사율이 0.92인 플라스틱 재료의 반사율은 0.08입니다. 

방사율 = 0.12인 광택 처리된 알루미늄 표면은 반사율 = 0.88입니다.

 

대부분의 재료의 방사 및 반사는 전자기 스펙트럼의 가시광선 및 적외선 영역에서 유사합니다. 예를 들어 광택 처리된 금속은 가시광선과 적외선 모두에서 방사율이 낮고 반사율이 높습니다.

 

방사율의 영향

열화상 카메라는 카메라 디텍터의 감도에 의해 결정되는 파장 범위에서 적외선 에너지의 합을 감지하고 측정합니다. 인간의 눈이 가시광선 파장의 빛을 색상으로 구별할 수 있는 것처럼 열화상 카메라는 7µm의 에너지와 14µm 사이의 에너지를 구별할 수 있습니다. 디텍터는 작동 파장 범위에서 방출된 에너지를 감지하고 정량화하여 물체의 온도를 계산합니다. 온도는 측정된 에너지를 플랑크의 흑체 법칙에 따라 동일한 양의 에너지를 방출하는 흑체의 온도와 연관시켜 계산됩니다.

 

물체의 방사율은 물체가 방출하는 에너지 양에 영향을 미치므로 방사율은 카메라의 온도 계산에도 영향을 줍니다. 동일한 온도에 있는 두 물체, 즉 하나는 방사율이 높고 다른 하나는 낮은 경우를 고려해 보면, 두 물체의 온도가 같더라도 방사율이 낮은 물체는 더 적은 에너지를 방출합니다. 결과적으로 카메라에서 계산한 온도는 방사율이 높은 물체에 대해 계산된 온도보다 낮습니다.

 

겉보기 온도 (Apparent Temperature)

열화상 카메라는 실제 온도를 계산하기 위해 물체의 방사율을 감지할 수 없습니다. 열화상 카메라는 물체의 "겉보기" 온도만 계산할 수 있습니다.

 

물체의 겉보기 온도는 물체의 온도와 방사율의 함수로 구해집니다. 

 

실제 온도는 같지만 방사율이 다른 두 물체가 주어지면 방사율이 더 높은 물체에 대해 더 높은 겉보기 온도가 계산됩니다. 

 

방사율은 같지만 실제 온도가 다른 두 물체가 주어지면 실제 온도가 더 높은 물체에 대해 더 높은 겉보기 온도가 계산됩니다. 

 

물체의 겉보기 온도는 실제 온도와 크게 다를 수 있습니다.

 

물체의 방사율이 알려진 경우에만 열화상 카메라가 방사율을 보정하고 실제 온도를 계산할 수 있습니다.

 

반사율 (Reflectivity)

반사율이 높은 물체는 다른 물체에서 방출되는 에너지를 반사할 수 있습니다. 

예를 들어 광택 처리된 알루미늄은 표면에 입사하는 에너지의 약 90%를 반사합니다. 

 

열화상 카메라가 물체의 실제 온도를 계산하기 위해 필요한 물체의 방사율과 반사율을 감지할 수 없습니다. 따라서 열화상 카메라는 물체의 겉보기 온도를 계산할 때 물체에서 방출되는 에너지와 물체 표면에서 반사되는 에너지를 감지하고 정량화합니다. 

 

물체가 더 높은 온도의 다른 복사원으로부터 에너지를 반사하는 경우 물체에 대해 계산된 겉보기 온도는 실제 온도보다 더 높을 것입니다. 

 

마찬가지로 물체가 더 낮은 온도의 다른 방사원으로부터 에너지를 반사하는 경우, 실제 온도는 같지만 방사율이 다른 두 물체가 주어지면 방사율이 더 높은 물체에 대해 더 높은 겉보기 온도가 계산됩니다.

 

방사율은 같지만 실제 온도가 다른 두 물체가 주어지면 실제 온도가 더 높은 물체에 대해 더 높은 겉보기 온도가 계산됩니다. 

 

물체의 겉보기 온도는 실제 온도와 크게 다를 수 있습니다. 물체의 방사율이 알려진 경우에만 열화상 카메라가 방사율을 보정하고 실제 온도를 계산할 수 있습니다.

 

방사율 예

재료의 방사율은 파장에 따라 달라질 수 있습니다. 그러나 대부분의 재료는 열화상 카메라가 작동하는 파장 범위 전체에 걸쳐 비교적 균일한 방사율을 가지고 있습니다. 예를 들어, 대부분의 플라스틱, 세라믹 및 금속의 방사율은 7~14µm의 파장 범위에서 크게 변하지 않습니다.

 

재료마다 방사율 값이 0~1 범위 내에서 변합니다. 

 

플라스틱, 세라믹, 물 및 유기 물질을 포함한 많은 일반적인 물질은 높은 방사율을 가지고 있습니다. 

 

코팅되지 않은 금속은 방사율이 매우 낮을 수 있습니다. 예를 들어 광택 처리된 스테인리스 스틸은 방사율이 약 0.1이므로 동일한 온도에서 흑체 에너지 양의 10분의 1만 방출합니다.

 

종류	방사율
인간의 피부	0.98
물	0.95
알루미늄(광택)	0.1
알루미늄(아노다이징 처리)	0.65
플라스틱	0.93
세라믹	0.94
유리	0.87
고무	0.9
옷감	0.95

 

특정 물질의 방사율은 특정 화학적 구성과 표면 특성에 따라 다릅니다. 예를 들어 매끄럽고 반짝이는 표면은 반사율이 높아 방사율이 낮은 경향이 있습니다.