[열전달실험] 적외선 카메라의 원리와 응용

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2009.05.08 / 2019.12.24
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목차: 차례
1. 적외선
(1) 적외선의 정의
(2) 적외선의 특징

2. 적외선 카메라
(1) 적외선 카메라의 원리
(2) 적외선 카메라의 특징

3. 적외선 카메라의 응용
(1) 적외선 카메라의 응용 범위
(2) 적외선 카메라의 응용 사례 (문화재에 적용)

본문내용: 1. 적외선
(1) 적외선의 정의
적외선은 그림 1과 같이 가시광선에 이어지는 파장범위가 0.75㎛ ~ 1㎜ 정도인 전자 기파를 적외선이라고 하며 빛의 스펙트럼에서 적색 부분의 바깥쪽에 해당하므로 이러한 이름이 붙여졌다. 1800년에 영국의 천문학자 윌리엄 허셜(William Herrochel)이 태양 스 펙트럼의 적색 부분보다 긴 파장을 갖는 쪽에 열 효과가 큰 부분이 있음을 최초로 발견 했다.

보통의 텅스텐백열전구로부터의 빛은 대부분 적외선이며, 가시광선은 발광에너지 총 량의 2∼3%에 불과하다. 텅스텐필라멘트전구는 약 3.5μm까지의 근적외선원일 뿐이며, 보다 넓은 파장영역의 적외선원으로는 가열된 흑체(黑體:0∼3,300℃)와 네른스트전구 가 있다. 네른스트전구는 30μm까지의 적외선을 방출하며, 실험실의 기준적외선원으로 많이 쓰인다.
그림 2와 같이 파장에 따라 근적외선, 중적외선, 원적외선, 극적외선 등으로 구 분 되고 눈으로 감지되지 않으나 빛의 성질을 가지며 태양은 물론 모든 물체로부터 복사 되고 있다.

적외선은 가시광선이 가지고 있는 반사, 굴절, 회절 등의 광학적 특성을 가지며 광학 계로 집광도 가능하다. Max(Karl Ernst Ludwig) Plank의 플랑크 법칙에 의하면 모둔 물체는 그 온도에 맞는 적외선을 방출하고 있으며 온도가 변화하면 복사되는 적외선 에너지도 변화한다. 복사에너지 스펙트럼은 물체의 온도와 복사율 만으로 정해지며 온 도가 높을수록 단파장 쪽의 적외선 복사가 강해진다고 하였다.

(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 이 동이 직접적이고 손실이 없기 때문에 피사체를 가열시키는데 여러 가지 이점이 있으며 적외선은 통상 물체의 가열은 그 물체의 표면에만 적용하는 난점이 있다. 즉, 적외선 가 열은 넓은 표면적의 얇은 물체를 가열하는 것이 적당하다.
2) 열 방사(Thermal radiation)
물질을 구성하는 입자(원자, 분자, 이온)의 집단이 열에 의해 여기될 때 그 결과 전파 를 방출하는 현상이다. 이 현상은 고온일수록 현저하며 상온 및 저온에서도 물체가 절 대 온도(°K)이상의 온도에서는 반드시 일어나며, 또한 태양등 천체로부터 방사는 대부 분이 열 방사이다.
3) 완전 방사체(Full radistior)
물체에 입사하는 방사의 파장, 입사하는 방향, 편광등에 관계없이 입사된 방사를 전부 흡수하는 물체를 말한다. 또한 어떤 온도의 전파장 영역에 있어서 최대 열 방사를 하 는 방사체를 흑체(Black Body) 및 플랭크(Plank) 방사체라고 한다. 하지만 현실적으로 완전흑체는 존재하지 않으며 다만 이 상태에 근접하는 방사체를 보통 흑체라 하여 완 전 방사체로 규정하고 있다

2. 적외선 카메라
(1) 적외선 카메라의 원리
적외선 카메라는 ‘절대온도 0°K 이상을 갖는 모든 물체는 그 표면으로부터 적외선을 복사하며 그 복사 적외선 양과 온도는 일정한 비례관계를 갖는다. (즉, 물체의 온도가 높아지면 복사되는 적외선 복사량은 온도의 4승에 비례하여 증가)’는 원리로부터 출발 한다. 이 관계식을 식으로 나타내면 식(1)과 같다.

여기서, M은 전 복사량 분광복사량 , σ는 Stefan-Boltzman

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