열화상카메라의 과학적 활용-1 : 직물의 물 흡수 특성 분석(모세관력)

전공이 열전달인 주인장의 개인적인 의견임을 전제로

“우리 인간이 현재 사용하고 있는 모든 공학적으로 만들어진 제품과 그러한 제품의 제작 공정에 투여되는 부품이나 제품 등의 설계부터 제작까지에 열전달 특성이 반영되지 않은 것을 찾기는 쉽지 않다”고 생각한다.

 

열전달 현상에 대해서는 따로 설명할 것이다.

다만 중요한 두가지 점만 설명하겠다.

첫째로 열전달에서 가장 중요한 물리량은 온도이고, 그 온도는 반드시 센서를 이용한 측정이라는 과정을 통해 알려진다.

둘째는 전도, 대류, 복사라는 세 개의 메커니즘을 가지고 있다는 것이다.

 

온도의 측정이라는 과정에 포함되는 온도 센서는 어릴 적 병원에서 체온을 측정하기 위하여 겨드랑이에 끼웠던 수은 체온계를 포함한 접촉식 방법과 열화상카메라와 같이 직접 접촉하지 않고 측정하는 비접촉식 방법들이 있다.

 

최근까지 열화상카메라는 한여름 열섬효과 정도를 증명하기 위하여 도심을 촬영하고, 촬영한 그 열화상 이미지를 뉴스에서 정보로서 전달하는 정도였다.

혹은 공항 입국 심사 과정에서 통과하게 되는 검역대에 설치되어 있는 정도였다.

그러던 열화상카메라가 정말 우연히도 코로나-19라는 바이러스의 유행으로 일상 속에 들어왔고 어딜 가던 흔히 만나게 되었다.

 

www.dbpia.co.kr이라는 사이트에서 “열화상 카메라”의 키워드로 검색하면 이 사이트 db에는 2001년11월 이후로 학술저널 157편과 2000년 10월 이후로 학술대회 논문 154편이 나온다.

각각의 저널 논문과 학술대회 논문을 분석한 결과, 고체면의 온도를 측정한 연구결과가 78.0%이고, 인체를 대상으로 측정한 결과가 13.5%, 그리고 식물-동물-유체 등의 온도를 측정한 연구결과가 8.5% 로 나타났다.

즉, 열화상카메라를 이용한 연구결과가 온도를 측정하는 곳 이외에는 전혀 이용된 적이 없다는 것이다.

 

열화상카메라는 같은 표면 위에 방사율이 다른 물질이 있다면 무조건 구별할 수 있다.

즉, 금속표면 위에 부식된 부분과 부식되지 않은 부분의 구분, 고체 표면 위에 존재하는 표면 변화의 구분, 고체 표면 위에 유체의 존재 구분, 고체 표면 위의 액적의 크기 및 모양 확인 등등의 분야에 활용할 수 있다.

첫 번째-두 번째 주제에 대해서는 이미 블로그에 소개하고 있다.

 

이제 분야를 넓혀 열화상카메라를 이용한 결과를 하나씩 소개하겠다.

 

아래의 사진은 컵에 행주로 사용하던 직물을 잘라 담그고 물이 흡수되는 특성을 열화상카메라로 촬영한 것이다.

명확하게 직물이 물을 흡수하는 특성을 시간에 따라 확인할 수 있다.

 

아래의 사진들은 떼르메스라고 알려져 있는 샤워용 직물의 흡수 특성을 열화상카메라로 촬영한 것인데, 마찬가지로 물을 흡수하는 특성을 명확하게 확인할 수 있다.

 

직물이 시간에 따라 물을 흡수하는 특성을 열화상카메라를 이용하여 과학적으로 측정하고 분석한 결과를 제시하겠다.

이를 위해서는 직물이 물을 흡수한 높이를 측정하기 위한 도구가 필요한데, 아래 사진과 같이 직물 옆에 자를 위치시켜 촬영한 사진이 필요하다.

그리고 열화상카메라로 촬영한 이미지의 크기를 조절하여 높이를 환산하는 추가적인 방법이 적용되어야 한다.

이러한 측정을 위한 아이디어가 과학과 공학적인 아이디어가 필요한 부분이다.

 

또한 측정의 정확성을 높이기 위해서는 이미지의 측정 위치를 고정할 필요성이 있고, 이를 위해 열화상카메라는 삼각대에 고정하여 실험을 수행하였다.

 

이렇게 실험하여 얻어진 열화상이미지는 아래와 같다.

 

이를 정량적인 그래프로 표현하기 위하여 이미지 촬영 시간을 확인하여 시간에 따른 물 흡수 높이를 그래프로 표현하면 다음과 같다.

x축은 시간으로, y축은 물 흡수 높이로 하여 표현하였다.

 

위 그래프의 각각의 데이터를 높이변화/시간변화 로 계산하여 다시 그래프로 표현하면, 명확하게 초기에는 물 흡수율이 높으나, 시간이 흐르면서 물을 흡수하는 특성이 감소하다 거의 일정한 비율에 접근하는 것을 알 수 있다.

 

이런 현상을 공학에서는 시간에 따른 모세관력의 변화 특성이라고 설명한다.

 

모세관력과 관련된 과학적인 현상들을 열화상카메라로 실험하고 데이터를 얻고 그래프로 표현할 수 있다면, 새로운 옷감이나 직물을 개발할 때 기존의 직물들과의 물 흡수 특성 등을 비교하고 싶을 때 충분히 활용될 수 있을 것이다.