⊙ 적외선의 원리 

   1. 적외선(Infrared Radiation)의 현상  

가.  적외선(적외방사)

 적외선은 에너지 전달형태의 일종으로 파장 범위가 약 0.8 ∼ 1000㎛의 파장을 갖는 전파의 일종이다. 적외선  방사는 역사적으로 볼 때 1800년대초경 영국의 월리엄 허쉘(Wililam Herschel)경에 의해 태양광의 분광 시험 중 적색 부분보다 파장이 긴 부분이 있으며, 인체에 온열 효과를 가져오는 파장을 발견하였다. 그 후 적외선 파장 중  온도를 이용하려는 이론은 1890∼ 1900년초 플랭크(N.Plank)에 의해 흑체이론이 완성되어 적외선을 이용한 온도  측정이 가능하게 되었다.

나.적외선의 구분

적외선은 가시광선(Wisible Wave)보다 파장이 길고 마이크로 광선(Micro Wave)보다 짧은 보통 0.8 ∼ 1000㎛

파장 대역의 전자파를 말하며, 국제전기표준회(IEC)의 용어집에 의하면 적외선은 다음과 같이 분류 하였다.

                      표 1. IBC기준(IEC 용어집 Sect 841)

                                    그림 1. 전자파의 Spectrum.

1)Short Wave Infrared radiation(근 적외선)

적외선 중 가시광선에 가장 근접한 파장 범위를 적외선이라 하며 가시 광선에 근접하기 때문에 광전

수전기(빛 검출기)로 검지할 수 있는 범위의 적외선 방사를 말한다. 파장 범위는 0.8㎛ ∼ 2㎛이며

인체의 피부에 대하여 가장 깊게 투과하기 때문에 인체에 온열 효과를 느끼게 하는 파장 영역이다.

2)Medium Wave Infrared radiation(중간 적외선)

적외선 Wave중 중간 범위의 영역으로 파장 대역은 2㎛ ∼ 4㎛의 범위의 영역으로 방사체는 공기중

에서 직접 가열하는 방식의 적외선 방사에너지는 이 파장 대역을 주로 방사하는 것이 많다.

3)Long Wave Infrared radiation(원 적외선)

적외선 파장중 Microwave와 가장 근접한 파장이며 파장 대역은 4㎛ ∼ 1000㎛이며 주로 고분자 재료의

가열이나 유기 용체의 건조에 이용되는 파장이다. Long wave 한계에 있는 파장 1000㎛는 Mirco파의

발생 장치나 Microwave 검출장치의 단파장 한계가 대부분 비슷하다.

2.적외선의 특징

1)적외선 가열(Infrared Heating)

적외선은 전자파의 형태로 에너지를 전달시킬 때 중간에 전달을 위한 물체를 필요로 하지 않기 때문에 에너지를

전달하는 과정에서는 열 손실이 없다. 이와 같이 열의 이동이 직접적이고 손실이 없기 때문에 피사체를 가열

시키는데 여러가지 이점이 있으며 적외선으로 통상 물체의 가열은 그 물체의 표면에만 적용하는 난점이 있다.

즉 적외선 가열은 넓은 표면적의 얇은 물체를 가열하는 것이 적당하다.

2)열 방사(Thermal radiation)

물질을 구성하는 입자(원자, 분자, 이온)의 집단이 열에 의해 여기될때 그 결과 전파를 방출하는 현상이다. 이

현상은 고온일수록 현저하며 상온 및 저온에서도 물체가 절대온도(°K)이상의 온도에서는 반드시 일어나며,

또한 태양등 천체로부터 방사는 대부분이 열 방사이다.

3)완전 방사체(Full radiatior)

물체에 입사하는 방사의 파장, 입사하는 방향, 편광등에 관계없이 입사된 방사를 전부 흡수하는 물체를 말한다.

또한 어떤 온도의 전파장 영역에 있어서 최대 열 방사를 하는 방사체를 흑체(Black Body) 및 플랭크(Plank)

방사체라고 한다. 하지만 현실적으로 완전흑체는 존재하지 않으며 다만 이 상태에 근접하는 방사체를 보통 흑체라

하여 완전 방사체로 규정하고 있다.

3.흑체와 방사율

1)방사율

적외선 방사와 온도와의 관계는 플랭크(Plank)법칙에서 정립된 바와 같다. 이 법칙은 흑체방사에서 가능하며,

일반적인 물체들 즉 철, 동, 청동 스텐, 애자등 전기기기를 구성하고 있는 주요 물체들에 대한 적외선 방사는 그

물체의 종류와 표면 상태에 따라 다르며 또한 파장과 온도와도 다르다. 이와 같이 서로 다른 방사량을 구분하는

것이 방사율이다. ε=1인 물체를 흑체(Black Body)라고 하고 하고 ε(λ)= ε의 물체를 회색체(Gray body)라

하며 ε(λ)가 파장에 따라 상이하게 되는 물체를 선택 방사.

그림 2. 방사율의 구분

2)적외선의 흡수율(방사율)

어떤 물체에 적외선이 입사하게 되면 물체의 종류, 표면상태에 따라 반사, 흡수, 투과되는 성분이 서로 상이한 경우가 있다.

여기서 흡수되는 적외선을 ε(흡수율, 방사율) 투과하는 적외선 r(투과율). 반사되는 적외선을 β (반사율)라고하면물체에 입사되는적외선성분은1= ε + r + β(ε ≤ 1)로 나타낼 수 있다. 물체가 적외선을 투과하지 않을 때는 r=0이 되고 ε=1- β에서 반사율(?)을알면흡수율ε을 알 수 있다. 입사에어지=반사에너지+흡수에너지+투과에너지 반사율(R) + 흡수율(A) + 투과율(τ)이 0인 경우 방사율(ε)= 1- 반사율(R) 불투명한 경우(τ) = 1 흡수율(A) =방사율(ε : Emissivity) 투과율(τ)이 0인경우방사율(ε) = 1-반사율(R) 불부명한 경우(τ=0)0 ≤ 방사율(ε) ≤ 1 즉 방사율이 높을수록 반사율은 적게 된다. 또한 흡수율이 좋은 것은 방사체라 할 수 있다.

                               그림 3. 물체의 방사율 적용원리

위 그림에서처럼 100℃의 물체를 적외선 카메라를 통해서 볼 때 100℃로 나타나지 않은 것은 물체의 방사율(ε)이 있기 때문이다.

방사유리 적게 되면 주위의 온도에 근접하게 되고 ε = 1의 경우는 주위 온도 영향을 거의 받기 때문에 입사

에너지가 분산되어 물체의 온도는 주위 온도와 같게 되어 간다.

3)흑체의 경우(ε=1)

ε=1인 물체는 원칙적으로 존재하지 않지만 이에 근접하는 것이 흑체다. 흑체에서 방사시킨 적외선 에너지를 계산

하면Wi = εW(T) (1- ε)Wi

 Wi = εW(T) (1- ε){ εW(T)=(1- ε)Wi2}

∴ Wi = WT

입사된 빛이 나간 방향이 없는 형태(원주. 구)등에 있어서 입구 부분에서 방사율이 1인 흑체가 있다. 따라서 흑체는 적외선 카메라에서 온도를 검출하는 표준이 된다.

                              그림 4. 흑체의 방사 에너지

4)구멍의 흑체 효과

주위온도 25℃ 상태에서 구멍이 폐인 흑체에 자체 가열을 사용하여 40℃로 가열하고 전원을 제거하면 구멍 부분의 온도는 다른부분보다 높아진다. 이는 구멍부분의 방사율이 다른 부분보다 높기 때문에 방사에너지가 크다.

[그림 (5)a]

다음에 같은 물체에 외부에서 히터를 이용하여 100℃까지 가열시키면 구명 부분의 온도는 다른 부분보다 낮다. 이는 구멍 부분의 흡수율이 낮기 때문이며 즉 방사에너지가 적다. [그림 5(b)]

                         (a)               그림 5. 구멍의 흑체 효과              (b)

5)투과의 영향

                                          그림 6. 투과의 모델

카메라에 입사된 에너지 Wi는 Wi=wr(TO)+(1-r)W(Ta) 이상에 의해 적외선 카메라에 입사된 에너지Wi는 다음에 의해

계산 되어지며 그림 6.은 방사율과 투과율과의 관계를 나타낸 것이다.

Wi=r[εW(TO)+(1-r)W(Ta2)]

Ta=Tal=Ta2의 경우

Wi=rεW(TO)+(1-εr)W(Ta)

즉 방사율 (ε)과 투과율(τ)을 같이 보정하여 온도측정이 가능하다. 흑체는 완전한 흡수체로 ε=1이 됨을 이미 설명한바와 같으며 전기설비를 구성하고 있는 물질은 여러 가지로 구성되어 있으므로 그 물질에 따라서 방사율ε을 조절 하여야 한다.

하지만 적외선 열화상 장비는 현재까지 자동으로 방사율을 조절하는 장비가 아직 개발되어 있지 않아 피사체에 따라서 방사율(흡수율)을 조정하여야 한다.

4.적외선 열온도 측정시 교려사항

가.적외선 방사의 자활 특성

대상물의 열화상 관측에 있어서 대상물 표면이 카메라의 정면으로 되어 있지 않는 경우가 있다. 즉 원통형의 물체에서 온도 관측 및 평면을 경사지게 하여 관측하는 경우 등이다.이때 물체에서 방사되는 방사량의 크기를 알아 본다. 그림 7.은 물체 표면으로부터 방사의 지향 방사율을 나타낸 것으로 대상물 표면의 한 지점에 적외선 방사를 그 지점으로부터 수직축을 중심으로 하여 120℃의 입사가 범위에서 균등한 방사를 발산시키고 그 지점을 중심으로 카메라를 90˚ 좌우로 변화시켰을 때 방사율의 크기를 실험한 것이다.