[써멀][Thermal]방사율이란?

열화상 카메라의 주요 핵심 단어인 [방사율]에 대해 좀 더 자세히 살펴보자.

 

방사율(放射率) 이란?

물질에서 에너지가 방사되는 비율 이라는 뜻으로 100이라는 에너지를 품고 있는 물질이 얼마만큼의 에너지를 외부로 방사하는 가에 대한 비율이다.

또한, 현실에서는 100이라는 에너지를 가지는 물체가 100% 전체를 외부로 방사하는 물체는 없다.(흑체 제외) 그렇기 때문에 물체 또는 물체의 상, 온도에 따라 방사하는 비율은 0~100%사이에 존재하게 된다.

방사율의 개념도

* FLIR에서 정의하는 방사율 이란?

물체의 복사 특성은 완전한 복사체인 완전 흑체와 관련하여 표시하는 것이 일반적이다. 흑체에서 복사되는 에너지를 Wbb로 표시하고 같은 온도에 있는 일반 물체에서 복사되는 에너지를 Wobj로 표시하면 이 두값의 비율이 그 물체의 방사율(ε)이 된다.

               ε = Wbb / Wobj

 

그러므로 방사율은 0과 1 사이의 값을 가진다. 이 숫자가 높을 수록 그 물체의 방사율이 높은 것이다. 모든 파장대역에서 동일한 방사율을 가지는 물체를 회색체(Gray body)라 한다. 따라서 회색체의 총 방출능은 같은 온도의 흑체의 방출능에 비하면 해당 물체의 방사율에 비례하여 감소된다.

하지만, 거의 대부분의 실제 물체는 흑체가 아닌 것처럼 회색체도 아니다.

방사율은 파장에 따라서 달라진다. 열화상 공학에서는 한정된 파장대역 내에서만 분석하게 되므로 실제로는 물체를 회색체로 취급해도 좋은 경우가 많다. 모든 경우에 있어서 방사율이 파장에 따라 크게 달라지는 물체를 선택 방사체라 부른다. 예들 들면 유리는 선택적 방사 특성이 매우 강한 물체로서 일부 파장 대역 에서는 거의 흑체처럼 작용하지만, 다른 파장에서는 그 반대가 된다.

 

*참조

1.흑체 : 방사율이 1, 반사율이 0인 물체 – 받은 빛을 모두 흡수 하므로 우리 눈에는 검정색으로 보인다.

2.회색체 : 방사율이 1보다 작고 0보다 큰 물체 – 받은 빛 일부를 흡수하고 일부는 반사하므로 우리 눈에는 회색으로 보인다.

3.백체 : 방사율이 0, 반사율이 1인 물체 – 받은 빛 모두를 반사하므로 우리 눈에는 흰색으로 보인다.

보통의 물체는 방사율이 1보다 적다. 따라서 일상 생활에서 보는 거의 모든 물체는 회색체라 말할 수 있다.

 

방사율 예시

흡수율 = 방사율

즉, 흡수율이 높으면 방사율도 높다.

예를 들어, 방사율이 0.97이라면 흡수한 복사 에너지 1에서 97%만 방사한다는 의미이다.

* 따라서, 목표 대상의 방사율을 알고 보정해 주어야만 정확한 온도를 측정할 수 있다.

한 예로, 사람의 체온을 측정하고자 한다면 먼저 사람이 피부에서 방사하는 양을 알아야 하는데, 일반적으로 0.98정도로 보고 있다. 

그렇다면 열화상 센서 자체만으로 사람의 체온을 측정하게 되면 우리가 보통 알고 있는 36도 근처가 아닌, 33, 34도로 측정이 된다. 이는 위에서 설명했듯이 방사율에 의한 결과인 것이다. 따라서 적외선을 가지고 사람의 체온을 측정하는 기기는 업체별 보정계수를 정하고 소프트웨어적으로 측정값을 보정처리하고 있다.

 

일반적으로 측정하려는 목표 대상의 방사율이 0.5 미만인 경우, 정확한 온도 측정이 불가능할 수 있으므로, 이러한 물체를 측정하고자 할 때에는 방사율을 높이는 방법을 찾아야 할 수도 있다. 방사율은 온도를 측정할 때, 반드시 파악하고 있어야 할 핵심 요소 가운데 까다로운 요소 중 하나이지만, 개념을 충분히 이해하고 있고 올바른 기법을 활용하면 적절한 보정까지 할 수 있다.

 

방사율 계산의 예

참조. 방사율 계산기 : https://www.keller.de/kr/its/home/emissivity-calculator.htm

방사율 계산기

금속의 방사율은 매우 낮아 실제 온도 측정이 어렵지만, 금속의 표면에 방사율이 높은 테이프를 붙이면, 금속의 열이 테이프에 전도(열평형 – 온도는 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동)되어 열평형을 이룬다.

여기서, 금속과 테이프의 방사율이 다르기 때문에 이 차이를 이용해서 금속의 방사율을 계산할 수 있게 된다.

*참조 :

대부분의 고품질 전기 테이프의 복사율은 0.95이다. 특히 중파장 카메라(3-5 μm)의 경우 테이프가 불투명임을 주의해야 한다. 일부 비닐 테이프는 일부 적외선을 투과 시킬 만큼 얇기 때문에 고복사율 코팅으로 사용하는 데 허용되지 않는다. Scotch™ 브랜드 88 블랙 비닐 전기 테이프는 단파장(3-5 μm)과 장파장(8-12 μm) 영역에서 0.96의 복사율을 가지기 때문에 권장하는 제품이다.

 

방사율의 예시 – 유리의 특성

* 참조 : SWIR 파장대에 대해서는 투명하다는 것이므로 유리 건너편에 있는 피사체로부터 방사되는 에너지가 유리를 투과하여 전달될 수 있다. 따라서 해당 열화상 센서가 적용된 카메라에서는 유리 건너편의 피사체를 감지할 수도 있다.

 

유리의 경우 적외선을 만나면 거울 같은 효과를 낸다. 열화상 카메라를 이용해 창문을 측정하면, 카메라는 유리 이면의 열이 아닌 유리에 반사된 측정자의 열을 감지한다. 이는 유리가 반사가 심한 소재로 이루어져 있기 때문이다. 즉, 적외선을 통과시키기 보다, 반사하는 경우가 많다는 의미이 다. 이러한 특성은 유광 처리된 금속 등 반사도가 높은 소재에서도 나타난다.(반사=1, 투과=0, 방사=0)

디지털 카메라의 경우, 유리를 투과하여 창문 너머에 있는 나무를 측정하지만, 열화상 카메라는 유리에 반사된 측정자의 열을 감지하여 표시한다.

 

온실은 태양에너지의 유입은 허용하고, 적외선의 유출을 불허함으로써 에너지를 가둔다.

 

알려져 있는 방사율 값