저온물리학

물리학에서 저온물리학(低溫物理學, Cryogenics) 또는 저온학은 매우 낮은 온도에서 재료의 생산 및 거동을 다루는 학문이다.

제13회 국제냉동기구(IIR) 국제 냉동 회의(1971년 워싱턴 D.C. 개최)는 기존의 냉동과 이 용어들을 구별하기 위해 의 임계값을 수용함으로써 "저온학" 및 "저온"에 대한 보편적인 정의를 승인했다.International Dictionary of Refrigeration, http://dictionary.iifiir.org/search.php, .ASHRAE Terminology, https://www.ashrae.org/technical-resources/free-resources/ashrae-terminology."Cryogenics is usually defined as the science and technology dealing with temperatures less than about 120 K [4, 5], although this review does not adhere to a strict 120 K definition." K. D. Timmerhaus, R. Reed. Cryogenic Engineering: Fifty Years of Progress. Springer Science+Business Media LLC (2007), chapter: 1.2, The Beginning of Cryogenics, p. 7. 소위 영구 기체(헬륨, 수소, 네온, 질소, 산소 및 일반 공기 등)의 정상 끓는점은 120 K 미만인 반면, 프레온 냉매, 탄화수소 및 기타 일반적인 냉매의 끓는점은 120 K 이상이므로 이는 논리적인 구분선이다.

질소의 끓는점보다 상당히 높은 임계 온도를 가진 초전도 재료의 발견은 고온 저온 냉동을 생산하는 신뢰성 있고 저렴한 방법에 대한 새로운 관심을 불러일으켰다. "고온 저온"이라는 용어는 액체 질소의 끓는점인 부터  사이의 온도를 설명한다.J. M. Nash, 1991, "Vortex Expansion Devices for High Temperature Cryogenics", Proceedings of the 26th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Vol. 4, pp. 521–525. 초전도 특성의 발견은 1908년 7월 10일 2 K의 온도에 도달하는 데 성공한 헤이커 카메를링 오너스에게 처음 공로가 돌아간다. 이러한 최초의 초전도 특성은 4.2 K의 온도에서 수은을 통해 관찰되었다..

저온학자들은 해수면에서의 물의 어는점을 기준으로 하는 섭씨나Celsius, Anders (1742) "Observationer om twänne beständiga grader på en thermometer" (Observations about two stable degrees on a thermometer), Kungliga Svenska Vetenskapsakademiens Handlingar (Proceedings of the Royal Swedish Academy of Sciences), 3: 171–180 and Fig. 1.Don Rittner; Ronald A. Bailey (2005): Encyclopedia of Chemistry. Facts On File, 맨해튼, New York City, p. 43. 해수면에서의 특정 염수 용액의 어는점을 기준으로 하는 화씨와Fahrenheit temperature scale, Encyclopædia Britannica Online. 25 September 2015. 같은 일반적인 척도 대신, 모두 절대 영도부터 측정하는 켈빈 또는 란씨 온도 척도를 사용한다.

 정의 및 구분 

 저온학 
매우 낮은 온도(123 K 미만의 초저온)에 대한 연구, 그 온도를 생성하는 방법, 그리고 해당 온도에서 재료가 어떻게 거동하는지를 포함하는 공학 분야이다.

 저온생물학 

저온이 생물에 미치는 영향에 대한 연구를 포함하는 생물학의 분과이다(가장 흔하게는 저온 보존을 달성할 목적으로 수행된다). 다른 응용 분야로는 제약 성분 및 의약품의 동결 건조(리필화)가 있다.

 동물 유전자원의 저온 보존 
품종 보존을 목적으로 유전 물질을 보존하는 것이다. 유전 물질의 보존은 인간 이외의 생물에만 국한되지 않는다. 많은 서비스가 출생 시 유전적 저장이나 줄기세포 보존을 제공한다. 이들은 세포주 생성 연구나 줄기세포 치료에 사용될 수 있다.

 저온 수술 
암세포와 같은 조직을 파괴하고 죽이기 위해 극저온을 적용하는 외과 분야이다. 흔히 냉동 제거술이라고 한다.

 저온 전자 공학 
극저온에서의 전자 현상을 연구하는 학문이다. 예로는 초전도 현상과 가변 범위 호핑 등이 있다.

 인체냉동보존 

미래의 부활을 목적으로 인간과 동물을 저온 보존하는 것이다. 대중문화와 언론에서는 "저온학"이 때때로 "인체냉동보존"의 의미로 잘못 사용되기도 한다.

 어원 

저온학(cryogenics)이라는 단어는 그리스어인 κρύος (cryos) – "차가움" + γενής (genis) – "생성"에서 유래했다.

 저온 유체 
켈빈 및 섭씨 온도로 나타낸 저온 유체의 끓는점.Randall Barron, CRYOGENIC SYSTEMS, McGraw-Hill Book Company.
 유체  끓는점 (K)  끓는점 (°C) 헬륨-3  3.19  −269.96 헬륨-4  4.214  −268.936 수소  20.27  −252.88 네온  27.09  −246.06 질소  77.09  −196.06 공기  78.8  −194.35 불소  85.24  −187.91 아르곤  87.24  −185.91 산소  90.18  −182.97 메탄  111.7  −161.45 크립톤  119.93  −153.415

 산업적 응용 

액체 질소 및 액체 헬륨과 같은 액화가스는 많은 저온 응용 분야에 사용된다. 액체 질소는 저온학에서 가장 흔하게 사용되는 원소이며 전 세계적으로 합법적으로 구매 가능하다. 액체 헬륨 또한 흔히 사용되며 도달 가능한 최저 온도를 얻을 수 있게 해준다.

이러한 액체들은 듀어병에 저장될 수 있는데, 이는 액체로의 열 전달을 줄이기 위해 벽 사이에 높은 진공 상태를 둔 이중벽 용기이다. 전형적인 실험용 듀어병은 구형이며 유리로 만들어지고 금속 외벽 용기로 보호된다. 액체 헬륨과 같이 극도로 차가운 액체를 위한 듀어병은 액체 질소로 채워진 또 다른 이중벽 용기를 가지고 있다. 듀어병의 이름은 수소를 처음으로 액화시킨 발명가 제임스 듀어의 이름을 따서 명명되었다. 보온병(Thermos)은 보호 케이스에 끼워진 작은 진공 플라스크이다.

저온 바코드 라벨은 이러한 액체가 담긴 듀어병을 표시하는 데 사용되며, 영하 195도까지 서리가 내리지 않는다.

저온 이송 펌프는 LNG선에서 액화천연가스를 저장 탱크로 이송하기 위해 LNG 부두에서 사용되는 펌프이며, 저온 밸브도 마찬가지이다.

 저온 처리 
저온학 분야는 제2차 세계 대전 중 과학자들이 저온에서 동결된 금속이 마모에 더 강하다는 것을 발견하면서 발전했다. 이러한 저온 경화 이론을 바탕으로 상업적인 저온 처리 산업이 1966년 빌 부시(Bill Busch)와 에드 부시(Ed Busch)에 의해 설립되었다. 열처리 산업의 배경을 가진 부시 형제는 1966년 디트로이트에 크라이오텍(CryoTech)이라는 회사를 설립했다. 부시는 원래 열처리 대신 저온 템퍼링을 사용하여 금속 공구의 수명을 원래 기대 수명의 200%에서 400% 사이로 늘릴 수 있는 가능성을 실험했다. 이것은 1990년대 후반에 다른 부품의 처리로 발전했다.

액체 질소와 같은 냉각제는 특수 냉각 및 냉동 응용 분야에도 추가로 사용된다. 대중적인 스타틴 약물의 활성 성분을 제조하는 데 사용되는 것과 같은 일부 화학 반응은 약 의 저온에서 일어나야 한다. 반응열을 제거하고 저온 환경을 제공하기 위해 특수 저온 화학 반응기가 사용된다. 식품 및 백신과 같은 생명공학 제품의 냉동에는 송풍 냉동 또는 침지 냉동 시스템에 질소가 필요하다. 특정 부드럽거나 탄성이 있는 재료는 매우 낮은 온도에서 딱딱하고 깨지기 쉬워지는데, 이는 상온에서 쉽게 분쇄하기 어려운 일부 재료에 대해 저온 분쇄기(저온 분쇄)를 선택할 수 있게 해준다.

저온 처리는 열처리의 대체물이 아니라 가열-퀜칭-템퍼링 주기의 연장선이다. 일반적으로 품목이 퀜칭될 때 최종 온도는 상온이다. 유일한 이유는 대부분의 열처리 업체에 냉각 설비가 없기 때문이다. 상온이라는 온도는 야금학적으로 유의미한 것이 아니다. 저온 공정은 이 작업을 상온에서 까지 계속 진행한다.
대부분의 경우 저온 주기 후에 열 템퍼링 절차가 이어진다. 모든 합금이 동일한 화학 성분을 가진 것은 아니기 때문에, 템퍼링 절차는 재료의 화학적 구성, 열 이력 및 도구의 특정 서비스 용도에 따라 달라진다.

전체 과정은 3~4일이 소요된다.

 연료 
저온학의 또 다른 용도는 로켓을 위한 극저온 연료이며, 가장 널리 사용되는 예인 액체 수소와 최근 더 널리 보급되기 시작한 액체 메탄이 있다. 액체 산소(LOX)는 연료가 아닌 산화제로서 더욱 널리 사용된다. NASA의 주력 제품이었던 우주왕복선은 궤도에 진입하기 위한 주요 수단으로 극저온 수소/산소 추진제를 사용했다. LOX는 또한 세르게이 코롤료프에 의해 소련 우주 프로그램을 위해 제작된 로켓들처럼, 비저온 탄화수소인 RP-1 등유와 함께 널리 사용된다.

러시아의 항공기 제작사인 투폴레프는 인기 있는 설계인 Tu-154에 극저온 연료 시스템을 갖춘 Tu-155 버전을 개발했다. 이 비행기는 액화천연가스(LNG)라고 불리는 연료를 사용하며, 1989년에 첫 비행을 마쳤다.

 기타 응용 분야 
저온학의 몇 가지 응용 분야는 다음과 같다.

 핵자기 공명(NMR)은 자기장 내에서 원자핵이 흡수하는 라디오 주파수와 그 후의 이완을 감지하여 원자의 물리적, 화학적 특성을 결정하는 가장 일반적인 방법 중 하나이다. 이는 가장 흔히 사용되는 분석 기술 중 하나이며 수많은 분야에서 응용되고 있다. 주로 강력한 자기장은 전자석을 초냉각하여 생성되지만, 냉매가 필요 없는 탁상용 NMR 분광기도 존재한다. 전통적인 초전도 솔레노이드에서 액체 헬륨은 대기압에서 끓는점이 약 4 K이기 때문에 내부 코일을 냉각하는 데 사용된다. 코일 배선에는 저렴한 금속 초전도체를 사용할 수 있다. 소위 고온 초전도 화합물은 약 77 K에서 끓는 액체 질소를 사용하여 초전도를 구현할 수 있다.
 자기공명영상(MRI)은 NMR의 복잡한 응용 분야로, 공명 기하학을 해부하여 강력한 자기장에서 라디오 주파수 펄스에 의해 교란된 양성자의 이완을 감지함으로써 물체를 영상화하는 데 사용된다. 이는 주로 보건 의료 분야에서 사용된다.
 저온전자현미경(cryoEM)은 단백질, 세포 및 기타 생물학적 시스템의 구조를 규명하기 위한 구조생물학의 인기 있는 방법이다. 샘플은 액체 질소로 냉각된 액체 에탄과 같은 냉매에 급속 동결된 후, 영상 촬영을 위해 전자현미경에 삽입될 때 액체 질소 온도로 유지된다. 전자현미경 자체도 액체 질소로 냉각된다.
 대도시에서는 가공 케이블로 송전하는 것이 어렵기 때문에 지하 케이블이 사용된다. 그러나 지하 케이블은 가열되고 전선의 저항이 증가하여 전력 낭비로 이어진다. 초전도체는 전력 처리량을 늘리는 데 사용될 수 있지만, 전력 전송을 늘리기 위해 특수 합금을 포함한 케이블을 냉각하려면 질소나 헬륨과 같은 저온 액체가 필요할 것이다. 여러 타당성 조사가 수행되었으며 이 분야는 국제 에너지 기구 내 협약의 주제이다.
 저온 가스는 대량의 냉동식품 운송 및 저장에 사용된다. 전쟁 지역이나 지진 피해 지역 등지로 아주 많은 양의 식품을 운송해야 할 때 식품을 장기간 보관해야 하므로 저온 식품 냉동이 사용된다. 저온 식품 냉동은 대규모 식품 가공 산업에도 도움이 된다.
 많은 적외선(전방 감시 적외선) 카메라는 감지기를 저온 냉각해야 한다.
 일부 희귀 혈액형은 혈액 은행에서 -165°C와 같은 저온에 저장된다.
 액체 질소와 CO2를 이용한 저온 기술은 나이트클럽 효과 시스템에 구축되어 유색 조명으로 비출 수 있는 냉각 효과와 흰 안개를 만들어낸다.
 저온 냉각은 제조 공정에서 가공 시 공구 팁을 냉각하는 데 사용된다. 이는 공구 수명을 늘려준다. 산소는 철강 제조 공정에서 몇 가지 중요한 기능을 수행하는 데 사용된다.
 자동차나 트럭 타이어를 액체 질소로 얼리면 고무가 깨지기 쉬워져 작은 입자로 부술 수 있다. 이 입자들은 다른 품목을 위해 다시 사용될 수 있다.
 스핀트로닉스 및 자기수송 특성과 같은 특정 물리 현상에 대한 실험 연구는 그 효과를 관찰하기 위해 저온 온도가 필요하다.
 특정 백신은 저온에서 저장되어야 한다. 예를 들어, 화이자-바이온텍 코로나19 백신은 의 온도에서 보관되어야 한다. (저온 유통#사용 참조.)

 생산 

장비와 재료의 저온 냉각은 대개 액체 질소, 액체 헬륨 또는 기계적 극저온 냉동기(고압 헬륨 라인 사용)를 통해 이루어진다. 기포드-맥마흔(Gifford-McMahon) 냉동기, 맥동관 냉동기 및 스털링 냉동기가 필요한 기본 온도와 냉각 용량에 따라 널리 사용된다. 저온학의 가장 최근 발전은 냉동기뿐만 아니라 재생기로 자석을 사용하는 것이다. 이 장치들은 자기열 효과로 알려진 원리에 따라 작동한다.

 검출기 

입자를 검출하는 데 사용되는 다양한 저온 검출기들이 있다.

30 K까지의 저온 측정에는 RTD인 Pt100 센서가 사용된다. 30 K보다 낮은 온도의 경우 정확도를 위해 실리콘 다이오드를 사용해야 한다.

 같이 보기 

 물리학
 카피차

 각주