방사율

재료 표면의 방사율()은 열복사로서 에너지를 방출하는 효율이다. 열복사는 전자기 복사이며, 가장 일반적으로는 가시 복사(빛)와 사람의 눈에 보이지 않는 적외선 복사를 모두 포함한다. 매우 뜨거운 물체에서 나오는 열복사의 일부(사진 참조)는 눈에 쉽게 보인다.

표면의 방사율은 화학적 조성과 기하학적 구조에 따라 달라진다. 정량적으로, 이는 슈테판-볼츠만 법칙에 의해 주어진 동일한 온도의 표면에서 나오는 열복사와 이상적인 흑체 표면에서 나오는 복사의 비율이다. (특정 파장의 열복사와 관련이 있다면 플랑크 법칙과의 비교가 사용된다.) 이 비율은 0에서 1까지 다양하다.

완벽한 흑체(방사율 1)의 표면은 실온 25°C(298 K, 77°F)에서 약 제곱미터당 448와트(W/m)의 속도로 열복사를 방출한다.

물체는 방사율이 1.0 미만이며, 그에 비례하여 더 낮은 속도로 복사를 방출한다.슈테판-볼츠만 법칙은 열복사의 방출 속도가 σT4라는 것이다. 여기서 σ = 5.67×10−8 W/m2·K4이고, 온도 T는 켈빈 단위이다. 

하지만 파장 및 서브파장 스케일 입자, 메타 물질, 및 기타 나노 구조물은 방사율이 1보다 클 수 있다.

 실용적인 응용 
방사율은 다양한 맥락에서 중요하다.

 단열창 따뜻한 표면은 일반적으로 공기에 의해 직접 냉각되지만, 열복사를 방출하여 자체적으로도 냉각된다. 이 두 번째 냉각 메커니즘은 일반 유리창에 중요하며, 유리창의 방사율은 가능한 최대값인 1.0에 가깝다. 투명한 저방사율 코팅이 적용된 "저방사율 창"은 일반 창보다 적은 열복사를 방출한다. 겨울에는 이 코팅이 창문이 열을 잃는 속도를 비코팅 유리창에 비해 절반으로 줄일 수 있다.
 태양열 집열기 마찬가지로, 태양열 집열기는 열복사를 방출하여 열을 잃는다. 고급 태양열 집열기는 매우 낮은 방사율을 가진 선택적 표면을 통합한다. 이 집열기는 열복사 방출을 통해 태양 에너지 낭비를 거의 하지 않는다.
 열 차폐 재사용 가능한 우주선이나 극초음속 항공기와 같은 고온 표면으로부터 구조물을 보호하기 위해 단열 세라믹 표면에 방사율 값이 0.9에 가까운 고방사율 코팅(HECs)이 적용된다. 이는 복사냉각과 기저 구조 보호를 용이하게 하며, 일회용 대기권 재진입 캡슐에 사용되는 삭마 코팅의 대안이다.
 수동 주간 복사냉각 주간 수동 복사냉각기는 외부 우주의 극도로 차가운 온도(~2.7 K)를 이용하여 열을 방출하고 주변 온도를 낮추며 에너지 입력이 전혀 필요 없다. 이러한 표면은 태양 복사 흡수를 최소화하여 열 이득을 줄여 LWIR 열복사 방출을 최대화한다. 이는 지구 온난화의 해결책으로 제안되었다.
 행성 온도 행성은 대규모 태양열 집열기이다. 행성 표면의 온도는 태양광으로부터 행성이 흡수하는 열, 행성 핵에서 방출되는 열, 그리고 우주로 다시 방출되는 열복사 사이의 균형에 의해 결정된다. 행성의 방사율은 표면과 대기의 특성에 의해 결정된다.
 온도 측정 고온계와 적외선 카메라는 열복사를 이용하여 물체의 온도를 측정하는 기기로, 물체와 실제 접촉할 필요가 없다. 이 기기들의 보정은 측정되는 표면의 방사율을 포함한다.

 수학적 정의 
가장 일반적인 형태에서 방사율은 특정 파장, 방향 및 편광에 대해 지정될 수 있다.

그러나 가장 일반적으로 사용되는 방사율 형태는 반구형 전체 방사율로, 특정 온도에서 모든 파장, 방향 및 편광에 걸쳐 총화된 방출을 고려한다.

방사율의 몇 가지 특정 형태는 아래에 자세히 설명되어 있다.

 반구형 방사율 
표면의 반구형 방사율(), ε로 표시되며 다음과 같이 정의된다.


여기서
 Me는 해당 표면의 복사 발산도;
 Me°는 해당 표면과 동일한 온도의 흑체 복사 발산도이다.

 스펙트럼 반구형 방사율 
표면의 주파수 스펙트럼 반구형 방사율()과 파장 스펙트럼 반구형 방사율(), 각각 εν 및 ελ로 표시되며 다음과 같이 정의된다.


여기서
 Me,ν는 해당 표면의 주파수 스펙트럼 복사 발산도;
 Me,ν°는 해당 표면과 동일한 온도의 흑체 주파수 스펙트럼 복사 발산도;
 Me,λ는 해당 표면의 파장 스펙트럼 복사 발산도;
 Me,λ°는 해당 표면과 동일한 온도의 흑체 파장 스펙트럼 복사 발산도이다.

 방향성 방사율 
표면의 방향성 방사율(), εΩ로 표시되며 다음과 같이 정의된다.


여기서
 Le,Ω는 해당 표면의 방사휘도;
 Le,Ω°는 해당 표면과 동일한 온도의 흑체 방사휘도이다.

 스펙트럼 방향성 방사율 
표면의 주파수 스펙트럼 방향성 방사율()과 파장 스펙트럼 방향성 방사율(), 각각 εν,Ω 및 ελ,Ω로 표시되며 다음과 같이 정의된다.


여기서
 Le,Ω,ν는 해당 표면의 주파수 스펙트럼 방사휘도;
 Le,Ω,ν°는 해당 표면과 동일한 온도의 흑체 주파수 스펙트럼 방사휘도;
 Le,Ω,λ는 해당 표면의 파장 스펙트럼 방사휘도;
 Le,Ω,λ°는 해당 표면과 동일한 온도의 흑체 파장 스펙트럼 방사휘도이다.

반구형 방사율은 "복사열 전달"에 관한 교과서에 설명된 대로 방향성 스펙트럼 방사율의 가중 평균으로도 표현될 수 있다.

실제로 이러한 의존성을 설명하기 위해 종종 근사 모델이 사용된다. 가장 간단한 모델 중 하나는 코사인 모델이다.

여기서 는 수직 방향의 방사율이고 지수 n은 표면이 이상적인 확산 거동에서 벗어나는 정도를 나타낸다. 열화상 응용 분야에서는 이 각도 의존성이 정량적 열화상 방정식에 통합되어야 한다. 왜냐하면 열화상 카메라 픽셀에 의해 감지되는 유효 방사휘도는 방사율 함수 와 반사된 배경 복사의 기여도 모두에 따라 달라지기 때문이다.

코사인-제곱 방사율 모델의 예시
함수 ε(α) = ε₀·cosⁿ(α)의 매개변수 n은 방사율이 표면 법선으로부터의 각도 α에 따라 얼마나 강하게 감소하는지를 제어한다. 일반적인 해석은 다음과 같다.

 n = 1 – 방사율은 각도에 따라 완만하게 감소한다. 이러한 표면은 비스듬한 입사에서 덜 효율적으로 복사하며, 반사된 배경 복사가 겉보기 온도에 더 강하게 기여한다.
 n = 2 – 더 강한 각도 의존성. 더 큰 시야각에서 감지되는 방사율은 현저히 낮아져, 반사 복사의 비중이 커지고 보정하지 않으면 겉보기 온도 측정에 더 큰 오차가 발생한다.
 n = 3 – 가파른 각도 감소. 비스듬한 입사에서는 방출된 성분이 반사된 성분에 비해 작아질 수 있으며, ε(α)와 시야 기하학이 고려되지 않으면 겉보기 온도가 배경 쪽으로 강하게 편향될 수 있다.

실용적인 열화상 측정에서 n 값이 높은 표면은 실제 물체 온도를 과소평가하는 것을 방지하기 위해 반사된 겉보기 온도에 대한 정밀한 보정이 필요하다.


 일반적인 표면의 방사율 
방사율 ε는 열전퇴나 볼로미터와 같은 열복사 검출기와 함께 레슬리 큐브와 같은 간단한 장치를 사용하여 측정할 수 있다. 이 장치는 테스트할 표면에서 나오는 열복사를 거의 이상적인 검은색 샘플에서 나오는 열복사와 비교한다. 검출기는 본질적으로 열복사에 노출될 때 검출기의 온도 상승을 기록하는 매우 민감한 온도계가 있는 검은색 흡수체이다. 실온 방사율을 측정하기 위해서는 검출기가 약 10×10−6 미터 근처의 적외선 파장에서 열복사를 완전히 흡수해야 한다.진정으로 검은색 물체의 경우, 열복사 스펙트럼은 빈의 법칙에 의해 주어진 파장에서 정점을 찍는다. λmax = b/T, 여기서 온도 T는 켈빈 단위이고 상수 b는 약 2.90×10−3 미터-켈빈이다. 실온은 약 293 켈빈이다. 햇빛 자체는 태양의 뜨거운 표면에서 발생하는 열복사이다. 태양 표면 온도는 약 5800 켈빈으로, 약 0.5×10−6 미터의 녹색 파장에 해당하는 햇빛의 최고 파장과 잘 일치한다.  가시광선은 보라색에서 짙은 빨간색까지 약 0.4–0.7×10−6 미터의 파장 범위를 가진다.

많은 표면에 대한 방사율 측정값은 여러 핸드북과 문서에 정리되어 있다. 이 중 일부는 다음 표에 나열되어 있다. "IP" refers to inch and pound units; a version of the handbook with metric units is also available. Emissivity is a simple number, and doesn't depend on the system of units.

 재료 방사율 알루미늄박 0.03 알루미늄, 양극산화 처리된 0.9양극산화 처리된 알루미늄 표면의 가시광선 색상은 방사율에 크게 영향을 미치지 않는다.  알루미늄, 매끄럽고 광택 있는 0.04 알루미늄, 거칠고 산화된 0.2 아스팔트 0.88 벽돌 0.90 콘크리트, 거친 0.91 구리, 광택 있는 0.04 구리, 산화된 0.87 유리, 매끄러운 코팅되지 않은 0.95 얼음 0.97-0.99 철, 광택 있는 0.06 석회암 0.92 대리암, 광택 있는 0.89–0.92 순수 질소 또는 산소 가스층 ~0 페인트, 흰색 포함 0.9 종이, 지붕 또는 흰색 0.88–0.86 플라스터, 거친 0.89 은, 광택 있는 0.02 은, 산화된 0.04 피부, 인간 0.97–0.999 눈 0.8–0.9 폴리테트라플루오로에틸렌 (테플론) 0.85 전이 금속 다이실리사이드 (예: MoSi2 또는 WSi2) 0.86–0.93 식물 0.92-0.96 물, 순수 0.96

참고:
 이 방사율은 표면의 총 반구형 방사율이다.
 방사율 값은 광학적으로 두꺼운 재료에 적용된다. 이는 열복사의 전형적인 파장에서 흡수율이 재료의 두께에 의존하지 않는다는 것을 의미한다. 매우 얇은 재료는 더 두꺼운 재료보다 적은 열복사를 방출한다.
 위 표의 대부분의 방사율은 실온인 에서 기록되었다.

 밀접하게 관련된 특성 
 흡수율 

표면의 방사율과 입사 복사 흡수율(표면의 "흡수율")을 등치시키는 근본적인 관계(구스타프 키르히호프의 1859년 열복사 법칙)가 있다. 키르히호프의 법칙은 방사율과 흡수율의 스펙트럼 방향성 정의에 엄격하게 적용된다. 이 관계는 방사율이 1을 초과할 수 없는 이유를 설명한다. 왜냐하면 모든 입사광을 완전히 흡수하는 진정한 검은색 물체에 해당하는 가장 큰 흡수율 또한 1이기 때문이다. 따라서 빛을 반사하는 거울 같은 금속 표면은 반사된 빛이 흡수되지 않으므로 낮은 방사율을 가질 것이다. 광택이 나는 은 표면은 실온 근처에서 약 0.02의 방사율을 가진다. 검은 그을음은 열복사를 매우 잘 흡수한다. 방사율은 0.97만큼 크며, 따라서 그을음은 이상적인 흑체에 대한 공정한 근사치이다. Table of emissivities provided by a company; no source for these data is provided.

맨 광택 금속을 제외하고, 눈에 보이는 표면의 모습은 실온 근처의 방사율에 대한 좋은 지표가 아니다. 예를 들어, 흰색 페인트는 가시광선을 거의 흡수하지 않는다. 그러나 10×10−6 미터의 적외선 파장에서는 페인트가 빛을 매우 잘 흡수하며 높은 방사율을 가진다. 마찬가지로, 순수한 물은 가시광선을 거의 흡수하지 않지만, 물은 그럼에도 불구하고 강한 적외선 흡수체이며 그에 상응하는 높은 방사율을 가진다.

 방출도 
방출도(또는 방출력)는 모든 가능한 파장에 대해 단위 면적당, 단위 시간당 방출되는 총 열에너지의 양이다. 주어진 온도에서 물체의 방사율은 그 물체의 총 방출력과 그 온도에서 완벽한 흑체의 총 방출력의 비율이다. 플랑크 법칙에 따르면, 총 복사 에너지는 온도에 따라 증가하며, 방출 스펙트럼의 정점은 더 짧은 파장으로 이동한다. 더 짧은 파장에서 방출되는 에너지는 온도에 따라 더 빠르게 증가한다. 예를 들어, 에서 열평형 상태에 있는 이상적인 흑체는 에너지의 97%를  미만의 파장에서 방출할 것이다.

방사율(emissivity)이라는 용어는 일반적으로 은과 같은 단순하고 균일한 표면을 설명하는 데 사용된다. 비슷한 용어인 방출도(emittance)와 열 방출도(thermal emittance)는 단열재와 같은 복잡한 표면의 열복사 측정값을 설명하는 데 사용된다.

 방출도 측정 
표면의 방출도는 해당 표면에서 방출되는 에너지를 직접 또는 간접적으로 측정하여 알 수 있다. 직접 복사 측정법에서는 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)과 같은 분광기를 사용하여 시료에서 방출되는 에너지를 직접 측정한다. 간접 열량 측정법에서는 열량계를 사용하여 시료에서 방출되는 에너지를 간접적으로 측정한다. 이 두 가지 일반적으로 적용되는 방법 외에도, 이색 고온계 원리를 기반으로 한 저렴한 방출 측정 기술도 있다.

 지구의 방사율 

행성 또는 다른 천체의 방사율은 외부 표피의 구성과 구조에 의해 결정된다. 이 맥락에서 행성의 "표피"는 일반적으로 반투명한 대기와 비기체 표면을 모두 포함한다. 결과적으로 우주로 방출되는 복사 방출은 일반적으로 이처럼 고립된 천체에 대한 주요 냉각 메커니즘으로 작용한다. 다른 모든 유입 에너지원과 내부 에너지원 대 외부 흐름 사이의 균형이 행성 온도를 조절한다.

지구의 경우, 평형 표피 온도는 물의 어는점 근처인 260±50K(-13±50°C, 8±90°F) 범위이다. 따라서 가장 강력한 방출은 플랑크 법칙에 따라 약 4-50 μm에 걸친 대역 내에 있다. 대기와 표면 구성 요소에 대한 방사율은 종종 별도로 정량화되며, 위성 및 지상 기반 관측뿐만 아니라 실험실 측정과 비교하여 검증된다. 이러한 방사율은 일부 더 간단한 기상 및 기후 모델 내에서 매개변수화로 사용된다.

 표면 
지구 표면 방사율(εs)은 8-13 μm에 걸쳐 덜 방해받는 대기의 창을 통해 표면 열 방출을 직접 천저에서 관찰함으로써 위성 기반 기기로 추론되었다. 값은 εs=0.65-0.99 범위이며, 가장 낮은 값은 일반적으로 가장 황량한 사막 지역으로 제한된다. 대부분의 표면 지역의 방사율은 물의 지배적인 영향으로 인해 0.9 이상이다. 여기에는 대양, 육상 식생 및 눈/얼음이 포함된다. 지구 표면의 반구형 방사율에 대한 전 세계 평균 추정치는 εs=0.95 근처이다.

 대기 

수증기 형태의 물은 행성 대기의 방사율과 흡수율을 지배한다. 구름, 이산화 탄소, 그리고 다른 구성 요소들도 상당한 추가 기여를 하는데, 특히 수증기 흡수 스펙트럼에 틈이 있는 곳에서 그렇다. 주 대기 구성 요소인 질소()와 산소()는 적외선 대역에서 열복사와 덜 중요하게 상호작용한다. 지구 대기 방사율(εa)의 직접 측정은 대기의 다층적이고 더 역동적인 구조 때문에 육지 표면보다 더 어렵다.

극심하지만 현실적인 국부 조건에 따라 εa의 상한선과 하한선이 측정 및 계산되었다. 상한선에서 조밀한 저층 구름 구조(액체/얼음 에어로졸과 포화 수증기로 구성됨)는 적외선 투과 창을 닫아 εa≈1에 가까운 흑체 조건을 생성한다. 하한선에서는 맑은 하늘(구름 없는) 조건이 투과 창을 가장 크게 열어준다. 수명이 긴 미량 온실가스의 더 균일한 농도와 0.25-20 mbar의 수증기압이 결합되면 εa=0.55-0.8 범위의 최소값이 생성된다(모의된 수증기만 있는 대기의 경우 ε=0.35-0.75). 이산화 탄소() 및 기타 온실가스는 대기 습도가 낮을 때 εa에 약 ε=0.2를 기여한다. 연구자들은 또한 대기의 흡수율 및 방사율에 대한 다양한 구름 유형의 기여도를 평가했다.

요즘에는 대기를 통한 복사 전달의 상세한 과정과 복잡한 특성이 복사 전달 코드 및 MODTRAN/HITRAN과 같은 데이터베이스를 사용하여 일반 순환 모델에 의해 평가된다. 방출, 흡수 및 산란은 공간과 시간 모두에서 시뮬레이션된다.

많은 실용적인 응용 분야에서는 모든 방사율 값을 국지적으로 아는 것이 가능하거나 경제적이지 않거나 필요하지 않을 수 있다. 대기 또는 전체 행성에 대한 "유효" 또는 "대량" 값이 사용될 수 있다. 이는 원격탐사 관측(지상 또는 우주에서)을 기반으로 하거나 특정 모델에서 활용하는 단순화에 따라 정의될 수 있다. 예를 들어, 지구에 대한 이상적인 단일층 대기 에너지 균형 모델을 적용하여 εa≈0.78의 유효 지구 값이 추정되었다.

 대기로 인한 유효 방사율 

IPCC는 239 (237–242) W m의 외향 열복사 플럭스(OLR)와 398 (395–400) W m의 지표 열복사 플럭스(SLR)를 보고하는데, 괄호 안의 값은 2015년 기준 5-95% 신뢰 구간을 나타낸다. 이 값들은 (구름을 포함한) 대기가 지구의 전체 방사율을 지표 방출에 비해 239/398 ≈ 0.60만큼 감소시킨다는 것을 나타낸다. 다시 말해, 우주로의 방출은 로 주어지며, 여기서 는 우주에서 본 지구의 유효 방사율이고  는 표면의 유효온도이다.

 역사 
물질과 복사의 속성으로서 방사율과 흡수율의 개념은 18세기 후반부터 19세기 중반까지 피에르 프레보스트, 존 레슬리, 밸푸어 스튜어트 등의 저술에서 나타났다. 1860년 구스타프 키르히호프는 열평형 조건(즉, 키르히호프의 복사 법칙)에서의 관계에 대한 수학적 설명을 발표했다. 1884년까지 완벽한 흑체의 방출력은 존 틴들의 실험 측정값을 사용하여 요제프 슈테판에 의해 추론되었고, 루트비히 볼츠만에 의해 기본적인 통계 원리에서 유도되었다. 따라서 슈테판-볼츠만 법칙에 대한 추가적인 비례 상수로 정의된 방사율은 회색체의 복사 거동에 대한 후속 평가에서 암시되고 활용되었다. 예를 들어, 스반테 아레니우스는 1896년 행성의 전체 공간과의 복사 평형으로부터 계산된 지구 표면 온도에 대한 조사에 최근의 이론적 발전을 적용했다. 1900년까지 막스 플랑크는 일반화된 흑체 복사 법칙을 경험적으로 도출하여 개별 파장에서의 방사율과 흡수율 개념을 명확히 했다.

 다른 복사 계수 

 같이 보기 
 반사율
 흑체 방사
 수동 주간 복사냉각
 복사열 차단재
 반사율
 사쿠마-핫토리 방정식
 슈테판-볼츠만 법칙
 시야 계수
 빈 변위 법칙

 각주 

 외부 링크 
  스펙트럼 방사율 및 방출도와 관련된 자원이 있는 개방형 커뮤니티 중심 웹사이트 및 디렉토리. 이 사이트에서는 열복사 온도계 및 열화상(열 영상)에서 측정 및 사용되는 스펙트럼 방사율과 관련된 가용 데이터, 참고 자료 및 자원 링크에 중점을 둔다.
  기술 응용 분야의 엔지니어링 및 설계를 위한 자원, 도구 및 기본 정보. 이 사이트는 위에 언급되지 않은 다른 재료의 광범위한 목록을 제공한다.

분류:물리량
분류:전열