얼마나 차가울까요? 전혀 다른 분야인 극저온 측정

일반 응용 분야 온도는 대부분 냉각점과 끓는 점 사이의 꽤 제한적인 범위(0°C ~ 100°C)에서 측정되지만 이 범위를 벗어나는 경우가 생기기 마련입니다. 다행히 -50°C ~ +125°C에서 사용 가능한 사용하기 간편하고 저렴한 무접점 센서가 있으며 이보다 더 넓은 범위에서 사용할 수 있는 특수한 센서도 있습니다. 또한 열전대, 저항 온도 감지기(RTD) 및 서미스터도 더 넓은 범위를 처리할 수 있습니다.

예를 들어 Vishay ComponentsPTCSL03T091DT1E 서미스터는 -40°C(277K) ~ +165°C(438K) 정격이며, TE Connectivity Measurement SpecialtiesR-10318-69 Type-T 열전대는 더 넓은 범위인 -200°C(73K) ~ + 350°C(623K)를 처리합니다. 일반적으로 이러한 측정을 위한 센서를 찾는 것은 문제가 아닙니다. 다만 센서를 실제로 적용할 때 문제가 발생할 수 있습니다.

온도가 수천 도에 달할 정도로 높은 경우에는 센서 옵션이 더욱 제한됩니다. 일반적으로 다양한 유형의 열전대와 적외선 감지 배열 간에 선택하게 됩니다. 측정 대상의 온도가 높기 때문에 해당 대상에 미치는 영향을 최소화하면서 센서가 포착해야 하는 에너지는 매우 큽니다.

하지만 두 자리(수십 K), 한 자리(1K ~ 9K) 또는 한 자리 미만(<1K)의 매우 낮은 온도를 측정해야 하는 경우는 어떨까요? 0.01K에서 이루어진 연구가 있으며 최근 IEEE Spectrum의 문서 “Quantum Computing: Atomic Clocks Make for Longer-Lasting Qubits“에서는 100nK 미만의 온도에 대한 연구도 다뤘습니다. (저온에 도달하는 방법은 또 다른 흥미로운 이야기입니다) 그렇다면 그렇게 낮은 온도에 도달한 시점이나 위치를 정확하게 알려면 어떻게 해야 할까요? 이러한 정확하고 신뢰할 수 있는 극저온 측정은 다음 몇 가지 이유로 매우 낯선 분야입니다.

  • 먼저 극저온에서는 물리 법칙이 여전히 적용되기는 하지만 소재에 전이가 일어나고 그 특성과 반응이 급격하게 변화합니다. 낮은 K 영역에서는 센서 성능, 선형성 및 기타 중요 특성이 극적으로 변화합니다. 물이 얼음이나 수증기로 변하는 것에는 익숙하지만 낮은 K 영역에서의 변화는 이해하기가 훨씬 더 어렵습니다.
  • 두 번째로 일반적으로 이러한 낮은 온도에 도달하는 데 사용한 방법과 측정 방식이 서로 뒤얽히는 경우가 많습니다. 예를 들어 과냉각에서는 다중 Tesla 자기장이 중요한 부분인 경우가 많지만(그 방법과 이유는 차치하고라도), 이러한 자기장은 감지 배열 및 부품에 큰 영향을 미칩니다.
  • 세 번째로 극저온 프로젝트에는 매우 작은 질량이 관여하는 경우가 많습니다. 경우에 따라 원자나 분자 몇 개 수준이 될 수 있습니다. 따라서 분자의 에너지가 낮고 개수도 몇 개에 불과하다는 두 가지 문제가 발생합니다. 센서를 부착할 수가 없으며 부착할 수 있다 하더라도 센서가 측정 물질에 심각한 영향을 미치게 됩니다. 이는 측정 행위가 측정 대상에 영향을 미친다는 하이젠베르크의 양자 물리적 불확정성 원리로 인한 당연한 결과입니다.

그림 1: 다양한 소재가 매우 낮은 K 값에 사용될 수 있습니다. 수직 눈금은 선형이 아닙니다. CLTS는 망가닌 및 니켈 호일 감지 그리드로 구성된 편평하고 유연한 극저온 선형 온도 센서이며 RuO2는 산화 루테늄입니다. (이미지 출처: ICE Oxford Ltd.)

하지만 과학자와 연구자는 여전히 이를 측정할 필요가 있습니다. 지속 시간과 측정 대상(고형 질량, 가스형 군집의 분자 또는 개별 분자)에 따라 선택 사항이 있으며, 0K 부근과 관련된 다양한 연구 및 실제 응용 분야가 있습니다. 비교해서 말하자면 로켓 연료에 사용되는 액체 산소(90K, 183°C) 및 수소(20K, 253°C)의 취급은 질소(77K, 196°C)의 취급과 비슷합니다. 이와 반대로 액체 헬륨은 약 4K(269°C)이므로 평가가 훨씬 더 까다롭지만, MRI 기계의 자석을 초전도 영역으로 냉각하는 데 사용됩니다.

온도 측정의 핵심은 소위 말하는 "온도"가 실제로 측정하는 에너지의 측정치라는 사실을 염두에 두는 것입니다. 거의 모든 온도 측정과 마찬가지로, 사용자는 먼저 3가지 사양, 즉 다룰 범위, 필요한 절대적 정확도, 정밀도(분해능)를 고려해야 합니다. 그런 다음 측정 배열이 이러한 온도에서 미치게 될 영향을 평가해야 합니다.

다소 놀라울 수 있지만, 일반적인 온도에서 많이 사용되는 일부 센서는 한 자리 온도 범위에서도 작동합니다(그림 1). 옵션 중에는 RTD(플래티넘 또는 로듐-철 사용), 게르마늄 및 클래식 탄소 기반 저항기 등이 있습니다. 하지만 이러한 설정의 강력한 자기장에는 수 K의 센서 오차가 발생할 수 있습니다. 연구 분야에서는 저온 K 감지에 대한 수요가 매우 많아서 이러한 트랜스듀서는 여러 공급업체에서 제공하는 표준 카탈로그 항목에 포함됩니다(생각보다 꽤 놀라운 정도입니다).

더 복잡한 옵션에는 광섬유에서 산란하는 브릴루앙이나 기타 정교한 광학 기술의 사용이 포함됩니다. 그러나 “일반” 커패시터도 그 물리적 크기와 모양, 신중하게 모델링된 온도 기능으로 알려진 관계에서 변화하는 정전 용량을 통해 브리지 배열에 사용할 수 있습니다.

하지만 분자 몇 개의 온도를 측정할 때는 이러한 기술이 효과가 없습니다. 이러한 상황에서는 매우 심오한 접근 방식이 필요합니다. 한 가지 배열에서는 모아놓은 타겟 주변에 정밀한 변화도를 가지는 강력한 자기장을 비춘 다음 해당 자기장을 따라 분자가 어떻게 분포되는지 관찰하여 그 에너지, 즉 온도를 나타냅니다. 다른 방법에서는 레이저로 분자를 밀어 레이저 에너지의 양과 그에 따른 동작으로 타겟 에너지를 나타냅니다. 이 방법과 기타 여러 복잡한 방법은 설치가 어려울 뿐만 아니라 시스템 결함과 물리학의 2차 및 3차 순서 민감성에 대한 다양한 보정과 보상이 필요합니다.

따라서 온도 측정 시나리오가 까다롭다고 느껴질 때는 낮은 1K 부근 또는 그 아래 온도를 다루는 사람에 대해 생각해 보세요. 더 아래에 있는 으스스한 온도를 다루면서 모든 연구자가 계측과 관련된 끝없는 질문인 "판독 값을 어떻게 보정, 확인 및 검증해야 할까?"를 묻고 답해야 합니다. 정말 악몽 같은 질문일 수밖에 없습니다.

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Bill Schweber는 전자 엔지니어로서 전자 통신 시스템에 관한 세 권의 교과서를 집필하고 수백 건의 기술 자료, 의견 칼럼 및 제품 특집 기사를 기고해 왔습니다. 이전에는 EE Times의 다양한 주제별 사이트 관련 기술 웹 사이트 관리자와 EDN의 편집장 및 아날로그 편집자를 역임한 바 있습니다.

Analog Devices, Inc.(아날로그 및 혼합 신호 IC 업계를 선도하는 판매업체)에서는 마케팅 통신(홍보 관련)을 담당했습니다. 결과적으로 Bill은 미디어에 회사 제품, 사례, 메시지를 제공하는 기술적 PR 역할과 이러한 내용을 받는 미디어 역할 모두를 경험했습니다.

Analog의 마케팅 통신을 담당하기 전에는 평판 있는 기술 저널에서 편집장을 역임했으며 제품 마케팅 및 응용 엔지니어링 그룹에서도 근무했습니다. 그 이전에는 Instron Corp.에서 아날로그 및 전력 회로 설계와 재료 시험 기계 제어를 위한 시스템 통합 실무를 담당했습니다.

Bill은 MSEE(메사추세츠 주립대학교) 및 BSEE(컬럼비아 대학교) 학위를 취득한 공인 전문 엔지니어이자 어드밴스드 클래스 아마추어 무선 통신 면허를 보유하고 있습니다. 또한 MOSFET 기본 사항, ADC 선택, LED 구동을 비롯한 다양한 엔지니어링 주제에 관한 온라인 과정을 계획 및 작성하여 제공하고 있습니다.

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