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열복사
열복사(熱輻射, thermal radiation)는 열이 전자기파의 형태로 운반되거나 물체가 전자파를 방출하는 현상을 말한다. 즉, 직접 열을 쏘아보내는 것을 뜻하며, 사람들이 모여 있을 경우 그 열로 따뜻해지는 것과 라이에이터 기기처럼 앞에 가면 순식간에 따뜻해지는 현상과 관련된 용어이며, 열 전달 개념으로서 전도와 대류와 함께 사용한다.
열을 전달하는 방법은 크게 분류해서 다음의 두가지가 있다.
- 열전도, 열대류
- 열복사
열전도는 물체가 직접 맞닿아있음으로, 열대류는 공기를 매개로 하여 간접적으로 열을 전달한다. 두 경우 모두 열은 열진동으로 전해진다. 이에 반해, 열복사는 열원이 전자파를 내보내고 대상이 이를 흡수함으로써 열이 전해진다. 이러한 방법으로, 두 물체의 사이에 매개물질이 없는 진공 상태에서도 열이 전달될 수 있다. 지구가 태양으로부터 열을 얻는 것은 열복사의 대표적인 예이다.
개요[편집]
열복사는 물질을 구성하는 원자 집단이 열에 의해서 들뜨게 되어, 그 결과 전자기파를 복사하는 현상이다. 물체의 종류와 온도에 따라서 결정되는데, 온도가 높을수록 커진다. 복사선을 잘 흡수하는 물체일수록 스스로 복사선을 내는 작용도 강하게 일어난다.
온도복사·열방사(熱放射)라고도 한다. 열복사의 세기는 물체의 종류와 온도에 따라서 결정되는데, 온도가 높을수록 커진다. 그러므로 고온인 물체 부근에 저온인 물체가 있으면 저온 물체가 복사선의 일부를 흡수하여 열로 변한다. 이 열을 복사열 또는 방사열이라 한다. 난로 등의 발열체에 손을 가까이 대면 주위 공기가 따뜻하지 않아도 손이 더워지는 것은 이 때문이다. 복사에 의한 열의 전달방식은 대류나 열전도와 달라서, 주위에 열을 중개하는 물질 없이도 빛과 동일한 속도로 순간적으로 고온체로부터 저온체로 열이 전달된다. 또 빛과 마찬가지로 반사판으로 열의 방향을 바꿀 수 있는 특성이 있다.
태양과 지구 사이의 공간이 거의 진공상태인데도 대량의 태양열이 지상에 도달하는 것은 열이 복사선의 형태로 운반되기 때문이며, 밤이 되면 물체가 점점 차가워지는 이유도 태양으로부터의 열복사 대신 지상으로부터 하늘을 향해 열이 복사되기 때문이다. 물체가 복사선을 방출하고 흡수하는 정도는 물체 온도 외에 그 표면상태에 크게 영향을 받는다. 예를 들면, 거울과 같이 매끄러운 물체에서는 복사선 대부분이 반사되지만, 물체 표면에 검댕을 칠하면 흡수율이 95%나 되므로 복사선에 의해 열을 받기 쉽다. 또 복사선을 잘 흡수하는 물체일수록 그 자체의 복사선을 내는 작용도 강하다.
법칙[편집]
열복사에 의한 복사선의 세기 및 파장과 물체의 온도 사이에는 흑체(黑體)에 관해서 얻을 수 있는 다음 법칙이 적용된다.
① 물체에서 방출된 에너지의 총량은 그 물체의 온도(절대온도) T의 4제곱에 비례한다(슈테판-볼츠만의 법칙). 이때 물체의 단위표면에서 단위시간에 방출되는 열복사에너지 S는 S=σT4(σ는 비례상수)이므로, 복사에너지를 알면 역으로 물체의 온도를 결정할 수 있다. 이 식을 이용해서 지상으로 쏟아지는 태양에너지의 총량을 바탕으로 하여 계산하면 태양의 표면온도는 6,000K가 된다.
② 물체에서 나오는 열복사의 파장을 조사하면, 각 파장에 따른 강도분포는 물체의 절대온도에 의해 결정된다. 이때 가장 센 복사선의 파장은 절대온도에 반비례하는 것으로 알려져 있다(빈의 법칙). 물체를 가열하면 처음에는 빨갛게 보이다 온도가 높아짐에 따라 하얗게 빛나는 것은 이 때문이다. 따라서 파란색으로 빛나는 별은 태양보다 훨씬 고온임을 알 수 있다.
나노광학구조 이용 금속의 열복사 냉각[편집]
한여름 자동차 표면은 대기나 지표면보다 뜨겁다. 금속은 대기나 지표면과 달리 태양광을 흡수한 후 공기 중으로 다시 열을 방출(복사)하지 않기 때문이다.
자동차, 건축물, 통신장비 같은 야외 금속구조물 표면에 방열판을 부착하거나(전도), 강제로 바람을 일으키는(대류) 냉각 방식을 이용하는 것도 복사를 통한 열전달이 안 되는 금속의 특성 때문이었다.
국내 연구진이 금속에서도 열복사가 일어날 수 있다는 연구결과를 소개해 주목된다.
한국연구재단은 경희대학교 응용물리학과 김선경 교수 연구팀이 추가적인 에너지 없이 열방출을 유도하는 나노구조를 통해 금속표면의 열복사를 유도할 수 있음을 밝혀냈다
두꺼운 방열판으로 열을 옮기는 대신 열복사를 돕는 나노구조를 도입한 아주 얇은 금속판으로 금속 자체가 냉각되도록 한다는 것이다. 실제 겨울철(평균대기 약 0∘C) 야외 태양광 노출 실험에서 나노구조가 적용이 안 된 기존 구리판과 비교해 약 4∘C 이상의 냉각 효과를 확인했다. 여름철(평균대기 약 25∘C)을 가정해 시뮬레이션 한 결과 10∘C 이상의 냉각 효과가 예측됐다. 뜨거울수록 열복사 에너지가 크기 때문에 여름철 냉각효과가 더 클 것이라는 설명이다.
핵심은 널리 쓰이는 금속인 구리판에 두께 500nm의 황화아연을 코팅하고, 그 위에 정사각형 모양의 구리 타일을 도입하는 방식으로 '틈새 플라스몬'구조를 제작한 것이다. 금속 판 위에 얇은 유전체를 코팅하고 그 위에 정사각형의 금속 타일을 얹으면 틈새의 유전체 영역에 빛이 강하게 모이는 틈새 플라스몬 현상이 나타난다. 이러한 틈새 플라스몬이 금속이 열복사율 100%인 이상적인 '흑체'와 같이 행동하도록 도와 금속 표면에서도 강한 열복사가 나타나도록 한 것이다. 기존 전도나 대류를 이용하는 냉각방식이 소형화가 어렵고 추가적인 에너지를 필요로 하는 아쉬움을 해소할 수 있는 단초가 될 것으로 기대된다.
참고자료[편집]
- 〈열복사〉, 《위키백과》
- 〈열복사〉, 《두산백과》
- 그냥 자, 〈열전달의 방법, 복사〉, 《네이버 블로그》, 2016-02-26
- 고수연 기자, 〈에너지 소비 없이 금속도 냉각시킨다....경희대, 나노광학구조 이용한 금속의 열복사 냉각 제안〉, 《워크투데이》, 2021-05-16
같이 보기[편집]
