적외선에 의한 비전 기술과 카메라·렌즈·조명의 대응

도시·건축을 대상으로 한 환경설계에서는 열섬현상, 열사병 등 생활공간의 열 환경 등 표면온도를 알고 싶은 경우가 많다. 적외선 카메라는 대상의 공간정보를 영상으로 가시화할 수 있기 위해서 대단히 유효하다. 그러나 적외선 카메라로 얻을 수 있는 것은 대기흡수의 영향도 포함된 방사온도다. 여기서는 도시·건축환경의 전열현상에 있어 표면온도에 대해 이해한 다음 적외선 카메라에 의한 환경계측상의 주의점을 정리함과 동시에 적외선 카메라를 이용한 환경계측 관련 과제를 제시한다.

호야노 아키라┃일본 방송 대학

적외선 카메라는 예전부터 이용해 온 의료나 공업계측뿐만 아니라 환경계측에 있어서도 강력한 툴이 돼 왔다. 예를 들면 도시·건축을 대상으로 한 환경설계에서는 도시의 열섬 분석에서 이면의 표면온도는 기온보다 몇 도 높은가, 이면으로부터의 현열유량은 어느 정도인가 등과 같은 표면온도를 알고 싶을 경우가 많다.

적외선 카메라는 대상의 공간정보를 영상으로 가시화할 수 있기 위해서 대단히 유효하지만 적외선 카메라에 의해 얻을 수 있는 것은 방사온도로 표면온도가 아니다. 또, 옥외에서 계측하는 경우 측정하는 대상과의 거리가 있을 경우가 많은데 이때는 대기 보정도 필요하게 된다. 특히 정량적인 환경계측을 하는데 있어서는 가장 먼저 고려해야 할 점이다.

표면온도의 가시화로 환경을 읽는다

앞에 기술한 것과 같이 환경계측에서는 대상의 표면온도를 알고 싶은 경우가 많은데 왜 표면온도가 유효한지를 생각해 보자. 거기에는 열 전달방법의 형태를 생각해 보면 잘 알 수 있다. 열의 전달방법에는 방사, 대류, 전도, 증발 4개의 형태가 있으며 각각 식 (1)∼(6)과 같이 나타낼 수 있다.

방사

(a) 어떤 면에서의 방사

Q : 면으로부터의 방사에너지[W/m²], Ts : 면의 표면온도[K]

σ : 스테판볼트만 상수[W/m²·K⁴]

ε : 방사율[-]

E : 대상으로 입사되는 주위, 주로 마주보는 면에서의 방사에너지[W/m²]

(b) 2면간 방사의 수수(授受)

Q : 면1에서 면2로 전해지는 에너지[W]

Ts1, Ts2 : 면1, 면2의 표면온도[K]

A1, A2 : 면1, 면2의 면적[m²]

ε1, ε2 : 면1, 면2의 방사율[-]

F12(21) : 면1(2)에서 본 면2(1)의 형태계수[-]

대류

Q : 면에서 대기로 전해지는 에너지[W/m²]

Ts : 면의 표면온도[K]

Ta : 대기 온도[K]

αc : 대류 열 전달율[W/m²·K]

전도

- 정상상태(Ts1, Ts2가 일정)

Q : 면1에서 면2로 전해지는 에너지[W/m²]

Ts1,Ts2 : 면1, 면2의 표면온도[K]

L : 면1과 면2 사이의 두께[m]

λ : 열전도율[W/m·K]

- 비정상상태

경계조건

Tx,t : 면1과 면2 사이의 위치x, 시간t에 있어 온도[K]

Ts1,Ts2 : 시간t’ 일 때 면1, 면2의 표면온도[K]

x1,x2 : 면1, 면2의 X좌표

λ : 열전도율[W/m·K]

c : 재료의 비열[J/kg·K]

ρ : 재료의 밀도[kg/m3]

증발

Q : 면에서의 증발에 사용되는 에너지[W/m²]

Ts : 면의 표면온도[K]

l : 물의 증발 잠열[J/kg]

β : 증발 효율[-]

K : 물질이동계수[kg /m2·s(DA)]

Xsat(T) : 온도T[K]의 포화절대습도[kg/kg(DA)]

Xa : 공기의 절대습도[kg/kg(DA)]

위 식을 보면 모든 식에 표면온도가 포함돼 있다. 즉, 열 환경을 생각하기 위해 전열의 상태를 알아보려고 하면 표면온도가 중요한 파라미터인 것은 확실하다. 그러나 표면온도를 알았다고 해도 그것만으로는 Q를 구할 수 없다는 것을 위 식은 나타내고 있다. 또, 적외선 카메라로 얻을 수 있는 것은 방사온도이기 때문에 각각의 전열현상을 열 영상에서 읽으려고 하면 방사온도에서 표면온도를 구하지 않으면 안 된다.

적외선 카메라는 무엇을 측정하고 있는가?

그림 2는 적외선 카메라에 어떠한 에너지가 입사되는지를 나타낸 모식도이다. 또, 이 그림을 식으로 나타낸 것이 식(7)이다.

EB(T) : 온도T[K]의 흑체 방사에너지[W/m²]

Ts : 대상면의 표면온도[K]

Tr : 마주보는 면의 방사온도[K]

Ta : 기온[K]

ε : 대상면의 방사율[-]

τ : 대기의 방사율[-]

대상면 자체의 방사와 함께 주위, 주로 대상면과 마주보는 면에서 방사되는 것의 대상면 반사, 대상면과 카메라 사이의 대기 방사가 포함된다. 각각에 대해서 자세하게 살펴보자.

대상면 자체에게서의 방사

먼저 대상면 자체의 방사에너지가 있다(그림 2, 식(7)의 ①항). 이것은 표면을 흑체라고 간주하면 그 표면온도에 해당하는 에너지이다. 현실에서는 대상물이 회색체, 선택체인 점과 센서에는 그림 3과 같이 감도 파장대가 있는 것을 고려하면 센서가 측정하는 에너지는 각 파장의 흑체 방사에너지에 분광 방사율을 곱하고 감도 파장대 λ1∼λ2로 적분한 것이 된다(그림 3 회색부분). 단, 센서에는 그림 3과 같이 감도특성이 있기 때문에 실제로 센서가 감지하는 것은 각 파장의 감도도 같이 곱해 적분한 에너지가 된다.

대상면에 있어 주위로부터의 방사 반사

식 (8)과 같이 물체로 입사된 에너지의 반사율 ρ, 흡수율 a, 투과율 τ의 합은 1이다. 벽면 등과 같이 적외선 계측에서 이용하는 파장대의 전자파를 투과하지 않는 대상을 생각하면 식(9)와 같이 나타낼 수 있다.

키르히호프의 법칙으로부터 흡수율은 방사율ε와 같기 때문에 이 된다.

흑체는 ε=1이지만 실제 재료는 ε<1이기 때문에 그 방사에너지는 그림 3과 같이 같은 온도의 흑체에 비해 작아진다. 식(4)에서 방사율이 1보다 작으면 ρ>0이 돼 반사의 영향이 생긴다. 즉, 주위, 주로 마주보는 면에서의 방사 에너지가 대상면에서 반사돼 카메라로 입사된다(그림 2, 식(7)의 ②항). 그림 2 및 식(7)에서 대상면은 거울면 반사성이 강해 카메라로 입사되는 반사성분은 마주보는 면 방사의 반사뿐이라고 했다. 식(9)에서 반사율 1-ε이라고 나타낼 수 있기 때문에 반사성분은 마주보는 면의 방사에너지×(1-ε)이라고 나타낼 수 있다.

대상면 방사율의 분광 특성

방사율은 재료마다 다른 분광 특성과 지향 특성을 가진다. 이것이 적외선 환경계측에 있어 계측상의 큰 난제이다. 방사율의 분광 특성을 나타내는 예로서 그림 4에 다른 감도 파장대를 가지는 적외선 카메라로 촬영한 열 영상을 제시한다. 파장대(B)에서는 유리의 반사율이 흑체에 가까워 방사율은 거의 1이다. 그 때문에 파장대(B)에 의한 열 영상에는 반사의 영향은 거의 나타나지 않아 실제의 표면온도 분포에 가까운 영상을 얻을 수 있다.

이것에 대해 파장대(A)에서는 유리의 반사율이 커진다. 그 때문에 열 영상의 창문유리에는 대상 건물 맞은편에 있는 건물이 비치게 된다. 플로트 글래스는 거울면 반사성이 강하기 때문에 마주보는 면에서의 방사가 유리면에서 반사돼 카메라로 입사하는 것으로 확실하게 상이 비친다. 이 파장대에서 유리의 분광 반사율은 최대라 하더라도 20% 정도이지만 혼합상이 생긴다.

파장대 (A)와 (B)에 의한 열 영상을 비교하면 (A)에서는 마주보는 면 건물이 찍혀있는 부분의 방사온도가 높다. 이것은 유리면의 표면온도에 비해 마주보는 면 건물의 방사온도가 높기 때문이다. 또, 하늘의 겉보기 온도는 기온보다 큰 폭으로 낮아진다. 그 때문에 파장대 (A)에 의한 열 영상에서 하늘이 반사돼 비쳐 있는 부분의 방사온도는 (B)보다 4∼6도 낮다는 것을 알 수 있다.

10μm 전후에서는 유리의 반사율이 20% 이상이 된다. 그 때문에 파장대 (A)에 의한 열 영상에는 맞은편에 있는 건물이나 하늘로부터의 방사가 유리면에 반사돼 찍혀 있다.

대상면의 방사율 지향 특성

그림 5는 건물 아래에서 벽면을 올려 보게 수록한 열 영상이다. 벽면의 위쪽을 향해 방사온도가 낮아져 간다. 이것은 위쪽일수록 면의 법선에 대해 카메라를 보는 각도가 커져 방사율이 작아지기 때문이다. 흑체는 어느 방향에 대해서도 방사율이 1이지만 실제 재료는 면의 법선에 대한 각도가 커지면 방사율이 작아진다는 지향 특성이 있다.

또, 하늘의 겉보기 온도는 바로 위를 보았을 때가 가장 낮고 수평에 근접할수록 높아진다. 그림 5의 측정 모식도에 나타내는 것과 같이 벽면의 위쪽일수록 하늘 바로 위에 가까운 영역이 비치기 때문에 방사온도가 낮아진다.

최근의 적외선 카메라에는 방사율 보정 버튼이 달려 있다. 이것은 대상면을 둘러싼 면의 온도가 카메라 내부의 공기온도와 동일하다고 보고 보정하고 있을 경우가 많으므로 주의가 필요하다. 그 경우 위에서 나타낸 벽면이나 하늘과 같이 방사온도가 기온과는 크게 다른 물체의 혼입은 보정할 수 없다는 것을 알 수 있다. 또, 보정에 이용된 카메라 내부의 온도는 일반적으로 기록되고 있지 않기 때문에 보정 전의 원래 값을 나중에 알 수가 없다.

표면에 요철이 있을 경우의 주의

실제 대상의 표면에는 요철이 있다. 즉, 측정하는 방향에 따라 보이는 부분이 다르다. 또, 일사가 닿는 면과 같이 요철면에 표면온도 분포가 생겼을 경우가 많다. 그 때문에 요철면에 온도 분포가 있을 경우에는 표면이 가령 흑체라 하더라도 측정되는 방사온도는 달라진다. 예를 들면 극단적이지만 잔디의 예를 생각해 보자. 일사를 받은 잔디의 표면온도를 적외선 카메라로 측정해 본다. 바로 위에서 바로 아래를 보았을 때는 높은 지시 값을 나타내지만 비스듬히 보는 것에 따라 값은 낮아진다. 이것은 잔디 잎의 상단은 바람의 영향으로 잎 온도가 낮고 잎의 줄기 주변은 열이 모여 고온을 나타내고 있기 때문이다. 요철이 있는 타일 벽이나 이음새가 있는 타일 벽 등도 마찬가지이다. 즉, 표면온도란 무엇인가 하는 질문에 귀착하게 된다.

대기의 영향

대상면 자체의 방사에너지와 대상면에서 반사된 방사에너지는 대상면과 카메라 사이에 존재하는 대기에 의한 흡수 및 산란에 영향을 받고 카메라로 입사된다. 그 때문에 식(7)에서 ①항과 ②항에는 대기투과율τ가 곱해진다. 또, 대기 자체도 방사를 하고 있다. 이 방사에너지는 (1-τ)×대기온도의 흑체 방사에너지로 나타낼 수 있다(식(7)의 ③항).

파장대 (B)는 대기의 흡수대이다. (B)의 열 영상은 대기의 창이다 (A)의 열 영상에 비해 영상 전체에서 기온보다 표면온도가 높은 곳은 방사온도가 표면온도보다 낮은 값을 나타낸다.

대기의 영향을 나타내는 예로서 그림 6에 다른 파장대에서 측정한 거리의 열 영상을 제시한다. 이 때 지붕면은 일사를 받아서 표면온도가 기온보다 상승하고 있다. 파장대 (A)는 대기투과율이 높다. 이렇게 대기투과율이 높은 8∼14μm대나 3∼5μm대를 대기의 창이라고 한다. 일반적으로 감도 파장대는 대기의 창 영역이다. 대기투과율이 낮은 파장대 (B)의 방사에너지는 대기분자에 흡수 및 산란돼 감퇴된 상태로 카메라로 입사된다. 또, 기온이 지붕면의 방사온도에 비해 낮기 때문에 대기로의 방사에너지를 더해도 대기의 영향이 적은 파장대 (A)에 비해 얻을 수 있는 방사온도가 낮다.

환경계측의 과제

환경을 대상으로 한 적외선 계측이 주요한 과제를 살펴 보겠다.

방사율 보정·대기 보정

적외선 카메라는 물체로의 방사에너지를 측정한다. 방사의 식(식 (7))을 보면 어떤 대상면에서의 방사에너지는 대상면 자체의 방사(εσTs4)와 주위, 주로 마주보는 면에서의 방사를 대상면이 반사하는 것((1-ε)E)의 합이라는 알 수 있다. 표면온도를 구하려고 하면 대상면의 방사율, 그리고 주위에서의 방사에너지가 필요하다. 또, 대상면이 떨어져 있는 경우에는 카메라와 대상면 사이 대기에 의한 흡수 및 산란의 영향도 있다.

즉, 방사율 및 대기의 영향을 보정하면 표면온도를 계산할 수 있다. 환경계측에서는 대상이 다양한데 재료마다 방사율이 다르다. 또, 그 방사율에는 분광 특성과 지향 특성이 있다. 이 때문에 대상이나 사용하는 카메라의 감도 파장대에 맞춘 방사율의 측정방법과 그 방사율을 이용한 보정방법이 필요하다. 또, 대기 영향의 정도는 파장에 따라 다르지만 측정거리나 대기의 상태에 따라서도 다르기 때문에 측정 시 기상 데이터를 이용해서 보정해야 한다.

적외선 카메라의 사양

환경계측에서는 생활공간에서 도시 스케일 등 대상이 다양하기 때문에 적절한 장치를 선택하는 것이 중요하다.

실내나 건물 등 좁은 범위나 옥외가 대상인 경우 현장에서 측정을 하기 위해 카메라 운반 용이성이 요구된다. 한편, 열섬의 해석과 같이 블록, 도시 스케일 등 광역을 대상으로 했을 경우는 위성, 항공기, 비행선, 헬리콥터, 기구 등에 의한 관측이 유효하다. 최근 적외선 카메라의 시정수가 향상돼 헬리콥터에서의 측정도 가능해졌다. 또, 측정범위나 대상의 크기에 따라 카메라의 시야나 분해능도 알맞은 것을 선택하지 않으면 안 된다. 또, 카메라의 사양에서 주의해야 할 점으로 감도 파장대가 있다. ①에서 말한 것과 같이 방사율이나 대기의 영향은 파장에 따라 다르기 때문이다.

기타 분석방법과의 조합

방사율과 대기의 영향을 보정해서 표면온도를 얻었다고 해도 식(1)∼ (6)을 보면 알 수 있는 것과 같이 그것만으로는 전열현상을 알 수가 없다. 예를 들면 어떤 장소의 표면온도를 얻었다고 해도 거기에서 어느 정도 대기로 현열이 나오는가는 표면온도뿐만 아니라 표면의 대류 열 전달율 분포나 기온분포도 동시에 생각해야 한다.

오늘날 환경에 대해 새로운 모습이 요구되고 있어 제안에서는 그 환경의 예측 및 평가가 필수적이다. 적외선 카메라는 현상의 표면온도 분포에 관한 정보를 파악할 수 있는데 수치 시뮬레이션과 같은 툴과 제휴하면 환경의 예측 및 평가에도 활용할 수 있다.

적외선 환경계측에 있어 계측상의 원리·원칙에 대해서 해설했다. 적외선 카메라로 촬영하면 간단히 열 영상을 얻을 수 있지만 이 영상에는 이번에 설명한 것과 같은 많은 요소가 영향을 미치고 있다. 분광·지향 방사율, 대기의 흡수·산란, 일사의 영향, 천공의 방사온도에 관한 지식을 가지고 방사율 보정이나 대기 보정을 하기 위해서는 적외선 카메라에는 어떤 에너지가 입사되는가를 정확하게 이해해야 한다.

[월간 시큐리티월드 통권 제201호(sw@infothe.com)]

<저작권자 : 시큐리티월드(www.securityworldmag.co.kr) 무단전재-재배포금지>