열섬 현상을 촬영하는 열화상 카메라의 원리와 올바른 사용법에 대한 소소한 정리

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서론

 

기후 변화로 최근 한국의 더위가 엄청나다 ㅠㅠ 물론.. 뭐 원래도 덥기는 했지만 누군가의 말로 진짜 망고, 바나나한테 적합한 기후가 되어 가는 것 같다. 

 

관련 기사들을 보다가 문득 "열섬에 갇힌 서울 도심" 이라는 제목의 기사와 아래의 사진을 보았다. 

열섬에 갇힌 서울 도심 (출처: 중앙일보)

 

회사를 다닐 떄 기자님들이 열화상 카메라를 빌리러 온 적도 있었고, 도심 열섬 현상 관련해서 한 마디 해달라고 연구원 분들께 부탁하시는 것도 보았었는데 ㅎㅎ... 

 

그런 분들 중 한 분께서 작성하신 기사인 모양이다. 

 

그런데 문득 든 생각이 과연 저거 결과가 맞으려나;;

 

덥다는 것을 강조하기 위해 극적인 결과로는 아주 안성맞춤인 시뻘건 도시와 파란 하늘의 컬러 컨투어가 나오긴 했는데, 이렇게 먼 거리에서 촬영한게 유의미한가에 대한 의문이 들었다. 

 

그래서 오늘은 올바른 열화상 카메라의 사용법과 원리에 대해서 간략하게 알아보려고 한다. 

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본론 

절대0도 (섭씨 -273도) 이상의 모든 물체는 적외선을 방사한다. 이를 열 복사 에너지라고 하는데, 열화상 카메라는 물체에서 발생하는 이 열 적외선을 감지해서 이를 온도 값으로 받아들이고 시각화 해주는 카메라이다. 

 

적외선 센서로 인해 일반적으로 고가의 장비이고,  센서의 해상도에 따라 가격도 천차만별이다. 요새는 그래도 스마트폰에 연결해서 간단하게 사용 가능한 장비도 많이 출시된 것 같다. (아래 사진은 대표 브랜드인 FLIR사 제품이여서 그래도 좀 가격이 나가지만 더 싼 것도 있긴 하다 ㅎㅎ.. 저해상도일뿐) 

FLIR사의 스마트폰용 열화상 카메라

 

아무튼!! 

이 물체에서 방사되는 적외선을 센서로 읽어서, 시각화 하는 장비인 만큼 물체의 표면 방사율(Emissivity)에 따라서 결과값이 꽤 많이 달라질 수 있어서 반드시 설정을 제대로 해줘야 한다. 

 

방사율은 물체 표면의 특성으로 0.01 부터 0.99까지 입력 가능한 값이고, 표면의 재질에 따라서 올바르게 입력해야 한다. 

 

방사율에서 0은 거울과 같이 모든 에너지를 반사하는 상태이며, 1은 모든 에너지를 완벽하게 흡수하고 방출하는 흑체와 같은 상태를 의미한다.  대략적인 값은 다음의 표와 같다. 

표면 재료별 방사율 (Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications, Y. Cengel)
Aluminum foil	0.07	White paint	0.90
Anodized aluminum	0.82	White paper	0.92-0.97
Polished copper	0.03	Asphalt pavement	0.85-0.93
Polished gold	0.03	Red brick	0.93-0.96
Polished silver	0.02	Human skin	0.95
Black paint	0.98	Wood	0.82
Soil	0.93-0.96	Water	0.96
Vegetation	0.92-0.96

보다시피 재질뿐 아니라 색상에 따라서도 달라지고, 같은 금속이여도 표면 가공 방법 등에 따라서도 달라진다. 

 

경험상 반짝이는 금속류의 마감 (Polished metal)은 적외선이 반사가 되어서 방사율을 낮게 설정해도 제대로 된 값을 읽기가 어렵다. 심지어 거울처럼 흐리게라도 사물이 비치는 금속 표면의 경우 비치는 사물의 온도 (보통 촬영자인 자신.. ㅎㅎㅎ)의 온도가 반영되기도 했다. 

 

따라서 혹 실험일 경우에는 표면에 열전도에 영향을 주지 않을 만큼 얇은 시트지라던가 하는 마감재를 부착하길 권한다. 

 

그리고 또다른 주의사항은 적정 촬영 거리와 초점의 문제이다. 

열화상 카메라도 어쨌든 카메라이고 렌즈가 있기 떄문에 촬영 거리와 초점 등에 따라서 결과에 오차가 꽤나 크게 나타나는 것을 경험적으로 확인할 수 있었다. 

 

또한 측정하고자 하는 온도 범위를 설정하는 것과 측정하고자 하는 대상들의 온도 범위가 크게 상이한 경우도 결과가 달라진다. 

 

따라서 측정하고자 하는 물체만 카메라 안에 들어오도록 최대한 조정하는 것이 좋고, 피사체 외에 다른 배경에서는 큰 온도 변화가 없는 것이 정확한 결과에 도움이 될 것이다. 

 

아래의 사진은 촬영거리, 초점 등의 문제로 하늘 온도가 이상하게 촬영된 경우를 보여준다. 

Color scale도 넣지 않아서 애초에 온도가 몇도인지 알 수도 없지만, 하늘 온도가 도로 온도와 동일한 것은 명백한 오류이다. 

매일신문 발췌 (190808)

마지막으로 한가지 또 열화상 결과를 볼 때 반드시 Color scale을 유의해서 확인해야하고, 열화상 결과를 출력할 때 조정을 잘해야 한다. 

 

예를 들어 아래의 사진을 보면, 마치 뜨거울 것 같은 건물 외벽의 온도이지만 실제 color scale을 보면 빨간색이 1도이다.  일반적으로 신경쓰지 않고 본 그림을 본다면 분명 착각할 수 있는 부분이기 때문에 결과를 출력할 때에도, 읽을 때에도 유념해서 보아야 한다. 

 

 

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결론

이번 포스팅은 열섬현상의 열화상 카메라 촬영본을 보고 문득 나의 사용 경험에 비추어 많이들 생각하지 않는 부분에 대해서 정확한 사용을 위해 챙겨야 하는 몇가지 사항을 정리해 보았다. 

 

열화상 원리나 여러 FM 사용법들은 다른 포스팅에도 잘 정리되어 있는데, 아무래도 업체쪽에서 정리한 것이 많아서 실제 사용할 때 놓치는 부분에 대해서는 기재가 되어 있지 않는 것 같아 그런 부분만 간략히 기재하였다. 

 

요새 열화상 카메라들이 워낙 잘 나와서 자동 보정도 잘 되고, 딱 보면 촬영하기도 쉽게 되어있지만 실제 활용하시는 분들은 꼭 설명서를 읽으시고 .. ㅎㅎㅎ 스펙을 확인하시고 활용하시면 더 좋을 것 같다. 

 

그럼 이만!