금속 표면 일부분에 부식(표면 변화)이 발생하면 열화상카메라는?

우리 주변의 많은 제품들이 금속을 재료로 사용하고 있다.

 

그 중에서도 스테인레스, 구리, 알루미늄 등은 가장 흔히 사용되고 있는 금속이다.

이 금속들은 관(tube) 혹은 판(plate)의 형태로 만들어 사용하고 있다.

관이나 판은 주로 내부에 물과 같은 유체가 흐르거나 적어도 공기와 접촉하고 있다.

이 재료들은 어느 정도씩의 유체 특히 물에 의한 부식의 가능성이 전혀 없는 재료가 아님은 널리 알려진 사실이다.

 

예를 하나 들어 보자.

금속판의 표면 일부는 부식되어 있고, 나머지 부분은 부식되지 않은 상태에 있다고 가정하자.

금속판을 실내에 충분한 시간동안 두면, 금속판의 온도는 실내온도와 같은 온도일 것이다.

따라서, 일반 접촉식 온도 센서로 측정하면 부식된 부분이나 부식되지 않은 부분이나 온도는 동일한 값이 측정되어야 한다는 것이다.

그러므로 일반 온도 센서로는 부식부분과 부식되지 않은 부분의 차이나 변화를 확인하기 어렵다는 것이다.

 

과학적으로는 일부 표면에 부식을 가진 금속판에는 실제로는 원래 금속 물질과 부식된 부분에는 산화된 금속 물질이 존재하고 있다.

실제로 금속 표면에 부식이 되면 그 부식면의 분포와 부식의 크기를 어떤 방법으로 측정 평가하느냐 하는 것은 매우 중요한 연구 주제이다.

 

열화상카메라는 표면의 방사율에 따라 방사 혹은 복사되는 광선의 강도(세기)를 측정하는 원리를 가지고 있다는 점을 생각하면(열화상카메라는 표면의 방사율을 측정할 수 있는 장치) 표면의 일부에 부식이 있는 금속판에 부식이 있는지-있다면 얼마나 있는지를 평가할 수 있는 가능성이 매우 높을 것으로 판단된다.

 

아래 왼쪽 첫 번째 사진은 방사율 0.95에서 촬영한 열화상이미지이다. 사각형 영역의 최대 온도가 36.9℃이다.

이 열화상이미지를 방사율 0.90으로 낮게 설정하면 온도가 37.8℃로 변하게 된다.

다시 0.85로 설정하면 38.8℃를 나타내는 이미지로 온도가 증가한다.

 

                       방사율 emissivity 0.95                 방사율 0.90                        방사율 0.85

 

즉, 동일한 표면의 온도를 열화상카메라로 측정할 때 방사율을 변화시키면 온도를 다른 값으로 표시한다는 것이다.

따라서, 금속판의 온도를 측정할 때 부식되지 않은 순수한 표면의 방사율을 기준값으로 설정하고 측정하면 부식된 부분의 온도는 다른 값을 나타내게 된다는 것이다.

 

열화상카메라 촬영 이미지에서 흰색으로 표시되는 온도가 가장 높고, 검은색이 가장 낮은 온도를 나타낸다. 이것은 흰색은 모든 빛을 반사하는 성질, 검은색은 모든 빛을 흡수하는 성질로부터 열화상카메라 생산업체가 결정된 것으로 이해된다.

 

만약, 방사율이 높은 부분을 기준으로 설정하고 촬영하면, 실제로 방사율이 낮은 부분의 표면온도는 아래의 확대된 이미지의 오른쪽처럼 상대적으로 높은 온도를 가지는 것으로 나타나게 된다.

 

(a) 부식 부분을 가진 금속의 열화상 촬영 이미지 (b) RGB 측정을 위해 확대된 이미지

(a) Original image captured by IR camera (b) the image enlarged to measure RGB values using Stainless plate

 

금속의 경우라면 실제로 반짝이는 부분은 방사율이 높은 것이고, 반짝이지 않는 부분의 방사율은 낮은 표면 성질을 가지고 있다고 이해할 수 한다.

 

금속판(스테인레스 스틸: 상온 방사율 0.85)의 부식되지 않은 면의 방사율을 열화상카메라에 설정하고 촬영하면 아래 그림처럼 부식된 오른쪽 부분은 상대적으로 높은 온도를 가지는 것으로 나타난다.

 

즉, 그 부분은 스테인레스 금속 표면이 부식되어 실제로는 방사율이 낮아졌지만 높은 방사율 설정값으로 촬영된 것이므로, 표면 온도가 부식되지 않은 부분보다 높은 온도를 표시하다.

확대한 오른쪽 사진의 흰색 점들은 온도를 표시하는 색이 아니라 데이터 수집을 위해 표시된 점들이다.

표면의 색깔 변화를 RGB 값으로 읽어 데이터를 온도와 함께 표시하는 작업을 수행하였다.

 

금속 표면의 이러한 물리적 성질을 이용하여

스테인레스판을 소금물에 넣고 급속하게 부식시키는 방법으로, 부식시키는 시간을 증가시켜 표면의 부식도를 높였다.

각 사진의 중간 부분 정사각형이 금속판이고, 판의 반은 부식되지 않도록 하고 오른쪽 반만 부식되도록 하였다.

스테인레스판의 오른쪽 반에 부식이 증가할수록 열화상카메라 촬영 이미지에서는 부식된 면(아래 사진의 검은 색 사각형의 오른쪽 반)의 표면 온도가 높은 것으로 나타났다.

 

부식 시간에 따른 스테인레스 판의 열화상 촬영 이미지
Images captured using IR camera under various corrosion times for stainless plate

 

이 오른쪽 부분의 온도를 아래 그래프로 표시하고 왼쪽 부분과 같은 온도를 가지도록 역으로 방사율을 추적하면, 부식된 면의 실제 방사율은 깨끗한 스테인레스 방사율 0.85보다 낮아지는 것을 물리적으로 증명할 수 있다.

부식된 스테인레스판의 방사율은 최대 약 4% 정도 낮아졌다.

 

부식 시간에 따른 열화상 이미지상의 표면 온도와 환산된 표면 방사율
Surface temperature and calculated surface emissivity with corrosion time

 

구리판과 알루미늄판 모두 아래의 촬영 이미지들과 같이 부식도가 높아지면 온도가 높은 것처럼 나타난다.

구리의 상온 방사율은 0.73, 알루미늄은 0.83이다.

마찬가지로 역으로 방사율 변화를 평가하면 부식에 의해 구리판과 알루미늄판의 방사율은 최대 8% 정도 낮아지는 변화를 확인하였다.

 

부식 시간에 따른 구리판의 열화상 촬영 이미지
Images captured using IR camera under various corrosion times for copper plate

 

부식 시간에 따른 알루미늄판의 열화상 촬영 이미지
Images captured using IR camera under various corrosion times for aluminum plate

 

출처 : “금속 재료에 따른 부식 특성의 변화에 대한 실험 연구”, Journal of Multimedia Services Convergent with Art, Humanities, and Sociology, Vol. 9, No. 1, 2019, pp. 291-300.