저온물리학

3. 어원

"저온물리학"이라는 단어는 그리스어 κρύος|크리오스^grc – "찬" + γενής|게니스^grc – "생성"에서 유래되었다.

4. 극저온 유체

극저온 유체는 끓는점이 매우 낮아 극저온 환경을 만드는 데 사용되는 물질이다. 끓는점(켈빈)^[17] 및 섭씨 온도에 따른 극저온 유체는 아래 표와 같다.

4. 1. 주요 극저온 유체

4. 2. 극저온 유체 저장 및 취급

5. 산업 응용

5. 1. 저온 처리 (Cryogenic Processing)

5. 2. 화학 반응

5. 3. 연료 (극저온 연료)

6. 기타 응용

• 핵자기 공명(NMR)은 원자의 물리적, 화학적 특성을 분석하는 데 사용되는 방법 중 하나이다. 초전도 자석을 이용해 강한 자기장을 만들어 핵의 흡수 및 이완을 감지한다. 자기 공명 영상(MRI)은 NMR 기술을 응용한 것으로, 인체 내부를 영상화하는 의료 기술이다.
• 극저온 전자 현미경(cryoEM)은 단백질, 세포 (생물학) 등 생물학적 시스템의 구조를 규명하는 데 사용된다. 액체 질소로 냉각된 액체 에탄과 같은 저온냉매에 샘플을 급속 냉동한 후, 전자 현미경으로 관찰한다.
• 초전도체는 전력 전송 효율을 높이는 데 사용될 수 있다. 지하 케이블을 냉각하여 전력 손실을 줄이는 방식이다.
• 대량의 냉동 식품 운송 및 보관에는 극저온 가스가 활용된다.
• 나이트클럽에서는 액체 질소를 이용해 냉각 효과와 흰색 안개를 만드는 특수 효과를 연출한다.
• 제조 공정에서는 가공 시 공구 팁을 냉각하여 공구 수명을 연장한다.
• 희귀 혈액형은 극저온에서 보관한다.
• 자동차/트럭 타이어 재활용 시 액체 질소로 얼려 고무를 분쇄한다.
• 스핀트로닉스 등 특정 물리학 현상 연구를 위해 극저온 환경이 필요하다.
• 특정 백신 (예: 화이자-바이오엔테크 코로나19 백신)은 극저온에서 보관해야 한다. Pfizer–BioNTech COVID-19 vaccine^영어은 -90°C에서 -60°C에서 보관해야 한다.

7. 저온 물리학의 역사 (일본 중심)

일본에서 저온 물리학은 하이커 카메를링 오네스의 헬륨 액화(1908년)로 시작되었다고 할 수 있다. 액체 헬륨의 끓는점은 4.2K(켈빈, 섭씨 영하 269도)로 매우 낮아, 이를 냉매로 사용하여 여러 물질을 냉각시키면서 다양한 물리 현상이 발견되었다. 금속의 초전도(1910년), 액체 헬륨의 초유동(1938년) 등이 대표적인 예시이다.

1920년대 양자역학이 완성되면서, 자성을 포함한 많은 저온 현상이 양자역학적 효과로 설명되었다. 1930년대에는 단열 소자법이 고안되어 저온 연구에 중요한 역할을 하였다.

1950-60년대는 저온 물리학의 기본 개념이 확립된 시기이다. BCS 이론(1957년)과 란다우의 페르미 액체 이론(1957년)은 물리학 이론 구축의 지침이 되었다. 1964년 곤도 준(近藤淳)은 곤도 효과를 이론적으로 해명하여 저온 물리학의 중요한 연구 대상이 되었다.

1960년대에는 희석 냉동기, 초전도 자석, 초전도 양자 간섭 소자(SQUID) 등 3가지 기술 혁신이 이루어졌다. 1970년대에는 액체 헬륨3의 초유동이 발견되었고, 1mK 이하 초저온 영역 연구가 활발해졌다.

1980년대에는 양자 홀 효과, 분수 양자 홀 효과가 발견되어 위상학적 현상 연구가 시작되었다. 1986년에는 구리 산화물 고온 초전도체가 발견되어 강상관 전자계 연구가 활발해졌다.

1990년대에는 냉각 원자 기체 연구가 시작되어 보스-아인슈타인 응축(BEC) 등이 관측되었다. 21세기에는 초전도 양자 컴퓨터, 위상 절연체 등 새로운 연구 분야가 등장했다.

8. 현재의 저온 물리학 분야

3년에 한 번 개최되는 저온 물리학 국제 회의(LT)를 통해 최신 연구 분야의 동향을 알 수 있다. 최근에는 2022년에 삿포로에서 LT29가 개최되었는데, 프로그램 분류는 다음과 같았다.^[1]

9. 저온 구현 방법

장치와 재료를 극저온으로 냉각할 때는 액체 질소, 액체 헬륨, 기계식 극저온 냉각기(고압 헬륨 라인을 사용)를 주로 사용한다. 필요한 기본 온도와 냉각 용량에 따라 기포드-맥마흔 극저온 냉각기, 펄스 튜브 극저온 냉각기, 스털링 극저온 냉각기가 광범위하게 사용된다. 자기열량 효과 원리에 따라 작동하는 자석을 재생기 및 냉장고로 사용하는 것은 극저온학의 최신 개발이다.

극저온 검출기는 입자를 검출하는 데 사용되는 다양한 장치이다. 30K까지의 극저온 온도 측정에는 저항 온도 검출기(RTD)인 Pt100 센서가 사용된다. 30K 미만의 온도에서는 정확성을 위해 실리콘 다이오드를 사용해야 한다.

9. 1. 액체 헬륨 증발 냉각

9. 2. 헬륨 플로우

9. 3. 헬륨 가스 플로우

9. 4. 기타 저온 구현 방법

참조

_[1] 웹사이트 International Dictionary of Refrigeration http://dictionary.ii[...] 2019-10-01
_[2] 웹사이트 ASHRAE Terminology https://www.ashrae.o[...]
_[3] 문서 Cryogenic Engineering: Fifty Years of Progress Springer Science+Business Media LLC 2007
_[4] 웹사이트 About Cryogenics https://trc.nist.gov[...]
_[5] 웹사이트 DICHLORODIFLUOROMETHANE at Pubchem https://pubchem.ncbi[...]
_[6] 웹사이트 PROPANE at Pubchem https://pubchem.ncbi[...]
_[7] 간행물 Vortex Expansion Devices for High Temperature Cryogenics Proceedings of the 26th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference 1991
_[8] 서적 Historical Summary of Cryogenic Activity Prior to 1950 Springer 2007
_[9] 간행물 "Observationer om twänne beständiga grader på en thermometer" https://archive.org/[...] Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens Handlingar 1742
_[10] 서적 Encyclopedia of Chemistry. https://books.google[...] "[[Facts On File]], [[Manhattan]], New York City" 2005
_[11] 웹사이트 Fahrenheit temperature scale https://www.britanni[...] Encyclopædia Britannica Online 2015-09-25
_[12] 웹인용 Fahrenheit: Facts, History & Conversion Formulas https://www.livescie[...] 2018-02-09
_[13] 웹사이트 What is Cryobiology? https://www.societyf[...] 2023-11-27
_[14] 논문 Cryopreservation of Human Stem Cells for Clinical Application: A Review 2011-04-03
_[15] 웹사이트 Cryosurgery to Treat Cancer https://www.cancer.g[...] 2023-11-27
_[16] 웹인용 Cryonics is NOT the Same as Cryogenics http://www.cryogenic[...] 2013-03-05
_[17] 서적 CRYOGENIC SYSTEMS McGraw-Hill Book Company
_[18] 웹인용 Cryogenic Labels http://www.midcomdat[...] 2014-08-11
_[19] 서적 Refrigeration: A History https://books.google[...] McFarland & Company, Inc. 2015
_[20] 웹사이트 Tu-155 / Tu-156 https://www.globalse[...] 2023-11-27
_[21] 웹인용 ESO Signs Technology Transfer Licence Agreement for Cooling System http://www.eso.org/p[...] 2015-06-11
_[22] 웹인용 Pfizer–BioNTech COVID-19 Vaccine Vaccination Storage & Dry Ice Safety Handling https://www.cvdvacci[...] Pfizer-BioNTech 2020-12-17
_[23] 웹사이트 두산백과 https://terms.naver.[...]