[써멀][Thermal]빛의 구조, 가시광선, 적외선, 전자기파란 무엇인가?

출처 : https://rayworkthing.tistory.com/2

 

00. 열화상 개괄적 정리

[열화상 기술 노트]/01. 열화상 기술 2020. 8. 18. 10:58

 

 

열을 전달하는 전자기파는 적외선~~~

 

 

[  적외선의 검출  ]

 

이 적외선을 누가 발견했을까....

1800년 허셜은 태양빛 필터로 사용하던 각기 다른 착색필터의 열량을 알고 싶어했다.

그는 각기 다른 색의 필터를 통과하는 열량이 다르다는걸 알게 되었다..
그래서 색상자체가 서로 다른 온도가 있는것으로 가정하여 색의 온도를 측정해본다.

 

허셜은 태양빛을 프리즘에 통과시켜 색을 분리한후 각 색상의 온도를 측정해봤다.
아래처럼 온도계를 각 색상에 두고 온도를 측정...
색온도를 측정해본다...

 

 

그리고 보 ~ 자주색 까지 색온도를 측정해보니 자주색으로 갈수록 온도가 높다는걸
확인하고 스펙트럼에 나오지 않는 파장에도 더 높은 온도가 있을거라고 생각하고
빨간색 필터를 사용하여 온도를 측정하였다...

그리고 빨간색 필터를 쓸 때 허셜은 많은 양의 열이 발생했다는 것을 볼 수 있었다.

( 적외선 파장이 가까운 파장 검출 ) 

 

또, 허셜은 햇빛을 프리즘안에 통과시켜 가시광선의 빨간 부분보다
조금 더 나간 부분을 온도계로 재서, 햇빛에서 적외선이 있다는 것을 발견했다.

온도계는 사실 실험할 당시 방의 기온을 재는데 쓰이려던 것이었다.
허셜은 온도계가 가시광선보다 더 높은 온도를 표시했던것에 놀라워했다.
후에 실험을 통해 허셜은 어떤 안 보이지 않는 빛이 가시광선 말고도 있다는 결론을 내렸다.

이것이 적외선의 발견이다...

 

 

[ 열원의 전자기파의 방출 ]

 

열을 가진 물체는 전자기파을 방출한다.

열원의 온도에 따라 색이 달라진다.

 

금속을 가열하면 붉게 빛나기 시작한다.

가열되는 물체로부터 적색의 빛(전자기파)이 나오는 것이다.

 

붉은 빛은 비교적으로 저온으로, 물체가 고온이 됨에 따라 청색빛으로 변한다.

물체로부터 방사하는 빛의 스펙트럼은 온도에 따라 결정된다.

 

 

[ 태양의 전자기파 스펙트럼 ]

 

 

태양의 전자기파은  아래 그림 처럼 자외선 6%, 가시광선 47%, 근적외선 53% 정도로
이루어져있다.

[ 파장대별 이름 ] 

 

[ 열의 전달 ]

복 사 : 매개물질이 없이 열이 전달되는 방법으로서 빛의 속도로 전달되므로 3가지 전달방법중  전달속도가 가장 빠르다.

태양이나 사람의 열은  매개체 없이 전자기파 ( 적외선 파장) 으로 열이 전달된다.

 

전 도 : 고체에서 열이 전달되는 방법으로서 접촉하고 있는 물질을 통해 열이 전달된다.

대 류 : 액체나 기체에서 열이 전달되는 현상을 일컫는데, 열을 포함하고 있는 물질이 직접 이동해서 열이 전달되는 것이다.

 

 

 

[ 열 평형 ] 

주변의 온도와 같아지는 상태.. 열의 전달..

 

벽면의 온도가 상온으로 유지되는 진공 상태의 방안에 고온의 물체가 놓여있다고 가정(그림 5-1). -

고온의 물체는 서서히 식어서 결국 주위 온도와 같은 열 평형 상태가 될 것임.

→ 방안이 진공 상태이므로 방과 물체 사이의 열전달은 전도와 대류에 의한 것은 아니다.

→ 이러한 열전달 기구를 복사라 한다

 

 

즉 대기가 없는 곳에서 열의 전달인 복사에 의해서도 온도가 전달이되고, 열평형이 이루어진다.

진공상태에서는 적외선 파장에 의해서 내 몸의 열이 전달된다.

이 적외선 파장을 감지해서 온도을 측정가능하다.

 

 

 

[  태양에서 지구로  ] 

대기권 : 지구를 둘러싸고 있는 공기층으로 지표에서 높이 약 1000 km까지의 영역을 말한다.

 

지구의 대기은 기체층으로 지표에서 고도 약 1,000㎞ 까지 존재하며 주로 질소와 산소로 이루어져 있으며,

그 외에 이산화탄소, 헬륨, 아르곤 등의 희소 기체가 포함되어 있습니다.

 

 

대기권을 지나서 태양 복사 에너지는 지표면에 45%  그리고 구름에 의해 25%가 흡수되어  70%가 

지구에 흡수되고 나서  , 70%을 다시 방출하게 되어 복사 평형을 이룬다.

이 흡수에 의해서  지구가 따뜻해진다.

( 반사된 에너지는 표면온도를. 바꾸지 않는다. ) 

 

대기에는 적외선을 흡수하기 쉬운 대역이 있다..

적외선의 투과율 좋은 대역을 「대기의 창문」이라고 부른다.

즉  적외선의 투과율이  위와 같이 파장이 긴 적외선을 잘 투과하고 있기 때문에
이 파장대의 열감지가 좋다

 

[ 열화상 센서 ]

 

냉각식  재료: 

양자형(photon) 소자

양자형은 주로 반도체 재료

특성은 좋으나 액체 질소 온도(-193℃)에서 작동 ( 냉각식)

 

비냉각식 재료: 

열형 디텍터(Thermal Detector type) 소자

성능은 반도체에 비해 다소 떨어지지만 대부분 상온에서 동작(비냉각식)

https://www.itfind.or.kr/WZIN/jugidong/1894/file1004064449019406325-189402.pdf

 

 

[ I3 A640 냉각식 센서 스펙 ] 

 

[ 열화상 렌즈 ]

-. 규소(Si) 와  게르마늄(Ge)이 사용

-. 규소는 중간 파장대의 적외선 (MWIR)  카메라에 적합

-. 게르마늄은 장파장  적외선  (LWIR) 카메라에  적합

 

규소와게르마늄은 그  기계적인 물성이 양호하여 잘 파손되지 않고 

수분을 흡수하지 않으며, 

또한 현대의 선반 가공기술을 이용하여 렌즈로 가공할 수  있다. 

실화상 카메라와 마찬가지로 적외선 카메라 렌즈도 반사방지 코팅을  한다. 

양호한 설계 조건 하에서 적외선 카메라 렌즈는 입사광선을 100%에  가깝게 통과시킬 

 

 

[  블랙바디, 흑체 ]

방사율이 1 인 이상적인 물체

주변의 열 에너지을 모수 흡수하고(반사나 투과없이) ,  흡수한 에너지와 같은 양의 에너지을 방출하는 물체.

 

 

[ 방사율 ]

 

 

 

 

 

 

 

// 심도 있는 내용은 차후 정리

 

열이 전달되는 방법은 크게 3가지가 있다..

-. 전도 :  

-. 대류 :

- .복사 : 

 

-.전도 와 대류(대기)는 접촉에 의해서 열이 이동

-.복사은 적외선 파장의 에너지가 방출, 흡수을 통해서 열을 전달

 

방사율이란  복사에너지(적외선 파장)에 의한 흡수와 방출만을 이야기 한다.

물체에 흡수된 복사 에너지의 크기와 방출되는 복사 에너지의 크기 비율.

 

어떤 물체가 다른 물체로부터 흡수한 복사에너지의 양과

방출한 복사에너지의 양이 평형을 이루는 상태를 복사평형이라 한다. 

 

키르히호프의 법칙에 따르면 복사평형 상태에서는 복사에너지의 흡수율과 방사율의 크기가 같다. 

복사선을 전부 흡수한 흑체는 흡수율이 1로 이것을 완전흑체라고 한다. 

 

하지만 아래와 같이 대부분 100% 흡수 되는것이 아니라, 반사와 투과가 이루어 진다.

( 반사된 에너지는 표면온도를. 바꾸지 않는다. ) 

 

흡수율 == 방사율 은 같다..

즉 흡수율이 높으면 방사율도 높다.

 

방사율이 0.97 이라면  흡수한 복사에너지에서  97%만 방사한다는것이다.

 

 

EX) 금속의 방사율은 매우 낮다.

그래서 금속의 실제 온도을 측정하는것은 어렵다.

이때 금속에 검정 테이프을 붙이면 , 금속의 열이 테이프에 전도되어 열평형을 이루고

두 온도은 같아진다.

 

그러나 검정테이프는 방사율이 매우 높다..

그래서 열화상 카메라로 찍으면 두 온도은 같으나 방사율이 달라서  다르게 보인다.

이 차이를 이용해서 금속의 방사율을 계산할 수 있다.

 

EX) 방사율이 높은 A 물체와   방사율이 낮은 B 물체가 있다면

B 물체가 온도가 높다면...  

B 물체에서 열 방사는 A 물체에 빠르게 흡수되어 열 전달이 빨리 되고.. B 물체의 온도는 낮아진다.

 

열은 높은곳에서 낮은곳으로 이동

실내의 물체은 상온상태에서  물체가 내부에서 열을 발산하지 않으면 실내온도와 열평형을 이룸.

 

EX)  거울의 방사율 0 

실내에 거울이 있다면 온도계로 측정하면 실내 온도와 비슷한 온도을 유지해야 한다.

하지만 적외선 검출기로 온도을 측정하면  거울의 온도은 측정부위마다 다르다.

거울은 온도을 가지고 있어서 적외선파장을 방출해야 하지만  방사율 0 여서  적외선 파장을 내보내지 않는다.

 

 

물체가  에너지을 흡수한 양 ==  방출한 양  같아야 하지만 흑체만이 가능 

방사율이 1인 흑체는 모든 에너지을 흡수후 방출 

방사율이 1 이하인 물체는  모든 에너지을 흡수하지 못하고 , 일부만 흡수하고 , 일부는 반사, 일부는 투과(투명비닐)됨

 

 

아래처럼 흑체는 100% 열을 흡수화  100% 방사하지만..

흑체가 아닌 물질은  열을 100% 흡수하지 못하고,   흡수후 방사율에 따라 방사하게 되고

또한 적외선 파장을 반사와 투과된 파장이 열화상 카메라에 들어가서 실제 온도을 측정하기 어렵다.

 

방출하는 방사율이 물질마다 다르다..

100% 흡수해서 방출 하는 물질을 블랙바디,흑체 라고 한다..

 

현실에서는 100이라는 에너지를 가지는 물체가 100% 전체를 외부로 방사하는 물체는 없다.

즉, 물체에 따라 또는 그 물체의 상, 온도에 따라 방사하는 비율이 0~100% 사이에 존재한다

 

예를 들어, 100℃ 의 물체가 방출하는 적외선을  온도계로 읽었을 때  97℃로 표현한다.

이는 이 물체가 방사하는 적외선의 양이 97%만 방사한다는 뜻이다.

 

따라서 이 물체의 실제 온도 100℃를 읽기 위해서는 3%에 대한 부분을 보정해 주어야 한다.

이때 이 물질의 방사율은 0.97 이라 하고 이 값을 온도계의 파라메터 값으로 넣어주면 실제의

온도를 표시할 수 있게 된다.

 

&. 열화상 카메라로 블랙바디을 측정하는 이유는  열화상 센서의 픽셀마다 정확한 온도를 기준으로

offset 과 gain 을 추출해내기 위함

 

블랙바디을 이용해서  pixel 과 gain 값을 구하고 나서 ,  물질의 방사율을  보정해서 물체의 온도을 

알 수 있음

 

 

방사율이 1에 가까운 물체가 블랙바디임...

 

 

참고:

https://heater.heat-tech.biz/ko/halogen-point-heater/basic-knowledge-of-halogen-heater/physics-of-light-heating/12444.html#ABC_100

 

 

[ 온도 측정 ]

 

열화상 카메라에 들어오는  적외선은 

1) 주변 열의 반사 에너지

2) 물체의 온도에 따른 방사에너지

3) 물체가 흡수하여 방출하는 에너지가 아닌 투과하여 보내는 에너지

실제 물체의 온도을 측정하기 위해서는 방사에너지 와 방사율만을 참조..

반사와 투과에너지은 제외되어야 정확한 온도 측정이 가능하다.

 

거울이나 금속은 방사율이 0 에 가깝다..

즉 주변의 적외선을 반사 한다는 것이다.

 

거울이나 금속의 온도을 측정하면  방향에 따라 다르게 되는데

거울이나 금속방향쪽에서 오는 열원이 무엇이냐에 따라 온도가 달라지게 된다.

&.  거울 앞에 사람이 있으면 거울에 비친 사람의 온도을 측정하면  사람의 온도가 측정이 된다.

 

 

[ 방사율 측정 ]

직업 아래와 같이 접촉식 온도계로 측정후  적외선 카메라로 측정한 온도와 비교해서 방사율을 

입력하면 된다.

 

[참고]

https://blog.naver.com/mdstec_flir/221374650092

 

 

[ 잡음동등온도차이 NETD ]

NETD는 시스템이 가지고 있는 잡음을 고려해서 온도를 구분할 수 있는 최소의 온도 차이를 의미한다. 즉, 이 값이 작으면 좋은 카메라이고, 이 값이 크면 상대적으로 특성이 좋지 않은 카메라이다.

 

[ 반응도(responsivity) ] 

 

반응도는 R로 표시하며, 센서로 입사하는 복사량에 대해 센서가 전기적인 신호(전압 또는 전류)로

얼마나 잘 변환되는가 하는 이득을 나타내는 성능지수이며, 다음과 같은 수식으로 표현한다.