물질을 구성하는 분자가 빛을 흡수하면 그 빛의 파장에 따른 복사에너지에 의하여 열적 반응이나 광화학적 반응이 일어난다. 특히 적외선 복사에 의한 열적 반응은 물질의 온도상승이나 온도하강 등의 과정을 통하여 물질의 물리적 손상을 초래한다. 따라서 적외선을 포함하는 복사에너지의 조사에 의하여 전시실, 진열장내의 전시물의 온도 변화를 측정하여 그 온도의 변화 범위보다 적은 온도 변화가 전시물에서 일어나도록 조명을 제한하고 알맞은 광원을 선정하여야 할 필요가 있다. 본 연구에서는 광원에 의한 시료의 온도상승과 적외선 복사량을 측정할 수 있는 측정시스템을 구축하고, 전시조명용으로 많이 사용하는 여러 광원을 대상으로 각 광원의 방사조도를 변화시키면서 시료의 표면온도와 적외선 복사량을 각각 측정하였다. 측정의 결과를 토대로 방사조도와 온도 및 적외선 복사량간의 함수관계를 파악하고, 조도의 변동에 따른 시료의 온도 변화 및 적외선 복사량의 변화를 비교, 분석하였다.
적외선복사에 의한 열적 반응은 물질의 온도상승이나 온도하강 등의 과정을 통하여 물질의 물리적 손상을 초래한다. 본 연구에서는 광원의 적외선복사에 의한 시료의 온도상승과 적외선복사량을 측정할 수 있는 측정시스템을 구축하고, 전시조명용으로 많이 사용하는 광원들을 대상으로 각 광원의 복사조도를 변화시키면서 온도변화와 적외선 복사량의 변화를 각각 측정하였다. 측정의 결과를 토대로 복사조도와 온도 및 적외선복사량간의 함수관계를 파악하고, 복사조도의 변동에 따른 온도변화 및 적외선복사량의 변화를 비교, 분석하였다.
섬광의 복사온도를 측정 할 수 있는 장치를 설계하고 제작하였다. 본 논문에서는 중 원적외선 영역에서 광원의 스펙트럼 복사휘도(spectral radiance)를 측정하여 두 영역의 복사휘도 비로부터 섬광의 복사온도를 구할 수 있는 장치를 설계 및 제작하였다. 중 원적외선 영역에서 파장에 따른 복사휘도를 측정하기 위하여 광학적 대역 투과필터로 입사광을 파장에 따라 분할하고 각각의 파장으로 분할된 광을 동시에 적외선 검출기로 검출하여 입력광의 파장에 따른 복사휘도를 측정하였다. 제작된 장비로 섬광의 온도를 측정한 결과 1393K와 1455K의 온도를 얻었다. 제작된 복사온도 측정 장치는 섬광의 광원 정보를 파악하는데 중요하게 활용될 수 있으며, 섬광의 효과를 위한 M&S에 활용될 수 있다.
본 논문에서는 밀리미터파 복사계(Millimeter-wave radiometer)를 제작하고 이것를 이용하여 특정 물체의 밀리미터파 방사 에너지를 측정하기 위한 온도보정에 관한 연구를 수행 하였다. 물체에서 방사되는 열잡음 신호를 수신하여 증폭하고 검파회로를 거쳐 DC전압으로 출력하는 35GHz 대역의 근거리 디케형(Dicke type) 복사계를 제작하고, 복사계의 온도 보정과 그 특성을 소개한다. 온도범위 $299K{\sim}309K$ 에서는 온도 증가에 따른 밀리미터파 복사계의 출력전압이 매우 선형적인 결과를 얻었으며, 이 범위의 온도에서 미지의 흑체 복사에너지의 상대적인 양을 밀리미터파 복사계를 이용하여 측정이 가능하다. 또한 액체질소를 이용해 측정 온도 범위를 확대하여 실험한 결과 상온부근에서의 온도에 대한 출력전압의 선형성 보다는 오차의 범위가 커지는 경향을 보였다. 실험한 온도 범위 $214K{\sim}309K$에서 온도와 출력전압과의 관계, V= 0.03259K - 9.71289 을 얻었다.
Mid-Infrared (MIR) 영상은 화산 활동 및 산불로 인한 재난관측, 지표물질 관측, 해수 온도 측정과 같은 분야들에서 사용되고 있다. 그러나 MIR영역은 지표의 복사율과 대기의 영향으로 인한 변화가 매우 심하고, 낮 영상의 경우 태양 복사량에 의한 영향도 고려해야 하는 어려움이 있다. 따라서 단일밴드인 MIR영상을 이용하여 표면온도를 얻기 위해서는 영상이 취득된 시간과 장소에서 관측된 태양 복사량 및 여러 가지 대기 변수가 필요하다. 본 연구의 목적은 기존의 MIR 영상 연구가 다중밴드를 기반으로 한 것과 달리 단일 밴드의 영상을 이용하여 표면온도를 측정하는데 있다. 이를 위하여 MODIS MIR 영상을 대상으로 MODTRAN을 사용하여 MIR 영역의 대기보정 기법을 적용 한 뒤 복사전달 모델을 이용하여 지표의 복사량을 측정하였다. 획득된 지표온도 영상의 정밀도를 측정하기 위해서 기존의 온도 알고리즘인 split-window algorithm에 의해 얻어진 해수온도 영상과의 비교를 통하여 오차 원인에 대해 분석을 실시하였다. 그 결과 낮 영상의 경우 -4.19${\pm}$1.19$^{\circ}C$ 정도의 온도 차가 났으며, 밤 영상의 경우 0.5$^{\pm}C$0.39$^{\circ}C$ 정도로 비교적 좋은 결과를 보였다. 이는 낮 영상의 경우 지표의 복사율에 대한 온도의 민감도가 매우 높기 때문에 높은 오차가 발생하지만, 밤 영상의 경우 태양빛에 의한 영향이 없으므로 좋은 결과를 나타내기 때문이다. 따라서 단일밴드 MIR영상을 이용한 지표온도 추정 시 대기에 의한 영향보다 지표 복사율에 의한 영향이 높다고 추정할 수 있다.
모든 복사온도계는 복사원 크기효과(Size-of-Source Effect, SSE)와 자기복사효과를 가지고 있다. 복사원의 직경에 따른 복사온도계의 검출기 신호세기로 정의된 SSE의 주원인은 회절이기 때문에 파장에 크게 좌우된다. 본 논문에서는 중저온영역에서 복사온도의 전달표준기로 많이 사용되고 있는 TRT2(Transfer Radiation Thermometer 2, HEITRONICS)의 SSE와 자기복사 특성을 측정하였다. 측정한 TRT2의 SSE 값을 사용하여 계산한 결과 흑체의 온도가 $300^{\circ}C$ 일 때, 개구 직경이 60 mm인 흑체와 10 mm인 흑체의 복사온도 차이가 저온모드($8-14\;{\mu}m$)에서 $3.5^{\circ}C$, 중온모드($3.9\;{\mu}m$)에서 $0.5^{\circ}C$인 것을 알 수 있었다. 또한, 복사온도계 몸체 온도가 $2.6^{\circ}C$ 변화했을 때 자기복사효과 때문에 흑체의 복사온도는 110 mK 다르게 측정되었다.
연직 공기 기둥에 대한 복사 및 대류 과정이 포함된 일차원 복사-대류 평형 모형을 구축하였고, 이 모형을 이용하여 남극 세종기지에서 복사-대류 평형 온도를 계산 하고 분석하였다. 이 모형의 반응도에서 지표면 알베도와 태양 천정각의 코사인 및 이산화탄소 증가는 지표면에서의 복사-대류 평형 온도를 감소시켰다. 그리고 구름 광학두께가 비교적 큰 하층운은 지표면 온도를 감소시키나, 구름 광학두께가 작은 상층운은 온실효과 때문에 지표면 온도를 증가시켰다. 남극 세종기지의 44년 (1958∼2001)의 기간에 대하여 계산된 지표면에서의 복사-대류 평형 온도의 연변화는 0.012oC/년이었다. 마찬가지로 13년 동안(1989∼2001)의 자료에 대한 복사-평형 온도 변화는 0.01oC/월이었으며, 동일한 기간의 관측 자료 분석 결과로는 0.005oC/월의 변화를 나타내었다.
$0^{\circ}C$ 이하 적외선 복사온도계의 복사온도눈금 교정을 위해 기준 복사온도계 TRT2 (Transfer Radiation Thermometer 2, HEITRONICS)와 온도가변 흑체 ME30 (Model: ME30, HEITRONICS)을 사용하여 비교 교정장치를 구축하였다. 3개의 고정점(Ice ($0.01^{\circ}C$), In ($156.5985^{\circ}C$), Sn ($231.928^{\circ}C$))과 플랑크형 사쿠마-하토리식을 사용하고, $-50^{\circ}C$에서 TRT2의 내외삽 오차를 불확도에 포함시켜 TRT2의 복사온도 눈금을 교정하였다. ME30 흑체 개구에 공압으로 동작되는 뚜껑을 설치한 후 30초 동안만 뚜껑을 열고 복사온도를 측정함으로써 ME30 내에서 생기는 성에를 방지할 수 있었으며 비교 교정에 소요되는 시간도 반으로 줄일 수 있었다. $0{\sim}232^{\circ}C$ 영역 밖으로 벗어날수록 비교 교정장치의 불확도는 증가하며 $-20^{\circ}C$에서 확장 불확도는 0.26 K였다.
물체에서 방사되는 열잡음 신호를 수신하여 증폭하고 검파회로를 거쳐 DC전압으로 출력하는 35GHz 대역의 근거리 디케형(Dicke type) 복사계를 제작하고, 복사계의 온도 보정과 그 특성을 소개한다. 또한 이를 이용하여 특정 물체의 밀리미터파 방사에너지를 측정하기 위한 온도보정에 관한 연구를 수행 하였다. 온도범위 299K ~ 309K에서 온도 증가에 따른 밀리미터파 복사계의 출력전압은 선형적이었으며, 이 범위의 온도에서 미지의 흑체 복사에너지의 상대적인 양을 밀리미터파 복사계를 이용하여 측정이 가능하다. 실험한 온도 범위에서 온도와 출력전압과의 관계는 V=0.03601K - 10.70517 을 얻었다.
본 연구는 아트리움 방호공간에서 화재발생시 복사열전달의 유무에 따른 유동장 및 온도분포의 예측을 목적으로 수치해석을 수행하였다. 화재모델로 Field 모델을 사용하였으며 난류 모델로 SIMPLE 알고리즘이 적용된 표준 $k-{\varepsilon}$ 모델을 사용하였다. 복사열전달 해석에 필요한 복사물성치의 계산은 속도를 단축하며 정확성을 유지하는 WSGGM-RG를 사용하였다. 난류유동장과 복사열전달의 계산은 자체 개발된 CCRHT-3D 프로그램을 사용하였다. 해석결과에 의하면 화재지점을 제외하고 아트리움의 천장부가 높은 온도분포로 나타났다. 유동과 온도의 분포가 출입문 방향으로 편향되고 화재의 위치에서 아트리움의 천장과 벽에 가까워질수록 온도가 낮아지는 경향을 보였다. 이러한 결과는 천장 스프링클러헤드의 작동 시점을 예측하는데 복사열의 영향이 크다는 것을 의미하게 된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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