저온학

물리학에서 저온학(cryogenics)은 극저온에서의 물질의 생산 및 거동이다.

제13차 국제냉동협회(IIR) 국제냉동총회(1971년 워싱턴 DC 개최)는 이러한 용어들을 기존 냉동과 구별하기 위해 의 문턱값을 수용함으로써 "저온학"과 "극저온"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. 이는 논리적인 구분선으로, 헬륨, 수소, 네온, 질소, 산소 및 일반적인 공기와 같은 소위 영구 기체의 정상 끓는점이 120K 미만인 반면, 프레온 냉매, 탄화수소 및 기타 일반적인 냉매는 끓는점이 120K 이상이기 때문이다.

질소의 끓는점보다 훨씬 높은 임계 온도를 가진 초전도 물질의 발견은 고온 극저온 냉동을 생산하는 신뢰할 수 있고 저렴한 방법에 대한 새로운 관심을 불러일으켰다. "고온 극저온"이라는 용어는 액체 질소의 끓는점인 부터 까지의 온도를 나타낸다.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 헤이커 카메를링 오너스가 2K의 온도에 도달한 후 처음으로 인정받았다. 이 첫 번째 초전도 특성은 4.2K의 온도에서 수은에서 관찰되었다..

저온학자들은 해수면에서 물의 어는점을 기준으로 측정하는 일반적인 섭씨와 같은 스케일보다는Celsius, 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. 해수면에서 특정 염수 용액의 어는점을 기준으로 측정하는 화씨와 같은 스케일보다는Fahrenheit temperature scale, Encyclopædia Britannica Online. 25 September 2015. 둘 다 절대 영도부터 측정하는 켈빈 또는 란씨 온도 스케일을 사용한다.

 정의 및 구분 

 저온학 
초저온(즉, 123K 미만의 극저온)의 연구, 이를 생산하는 방법, 그리고 해당 온도에서 물질이 어떻게 거동하는지를 다루는 공학 분야.

 저온생물학 

저온이 생물에 미치는 영향을 연구하는 생물학 분야(대부분 냉동보존을 달성하기 위한 목적). 다른 응용 분야로는 의약품 구성 요소 및 의약품의 동결 건조(Lyophilization)가 있다.

 동물 유전 자원의 저온 보존 

품종 보존을 목적으로 유전 물질을 보존하는 것. 유전 물질의 보존은 비인간에게만 국한되지 않는다. 많은 서비스는 유전자 저장 또는 출생 시 줄기세포 보존을 제공한다. 이는 세포주의 생성 연구 또는 줄기세포 치료에 사용될 수 있다.

 저온 수술 

암세포와 같은 조직을 파괴하고 죽이기 위해 극저온을 적용하는 수술 분야. 일반적으로 냉동절제술이라고 불린다.

 극저온 전자공학 

극저온에서의 전자 현상 연구. 예시로는 초전도 현상과 변수 범위 호핑이 있다.

 인체냉동보존 

미래의 부활을 목적으로 인간과 동물을 냉동보존하는 것. "저온학"은 대중문화와 언론에서 때때로 "인체냉동보존"을 의미하는 것으로 잘못 사용되기도 한다.

 어원 

저온학(cryogenics)이라는 단어는 그리스어 κρύος (크리오스) – "차가운" + γενής (게니스) – "생성하는"에서 유래했다.

 극저온 유체 
켈빈 단위의 끓는점과 섭씨 단위의 극저온 유체Randall 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

 산업 응용 

액체 질소 및 액체 헬륨과 같은 액화가스는 많은 극저온 응용 분야에 사용된다. 액체 질소는 극저온학에서 가장 일반적으로 사용되는 원소이며 전 세계적으로 합법적으로 구매할 수 있다. 액체 헬륨도 일반적으로 사용되며 가장 낮은 도달 가능 온도를 달성할 수 있다.

이러한 액체는 듀어 플라스크에 보관할 수 있는데, 이는 액체로의 열 전달을 줄이기 위해 벽 사이에 높은 진공 상태가 있는 이중벽 용기이다. 일반적인 실험실 듀어 플라스크는 구형이며 유리로 만들어지고 금속 외부 용기로 보호된다. 액체 헬륨과 같은 극저온 액체를 위한 듀어 플라스크는 액체 질소로 채워진 또 다른 이중벽 용기를 가지고 있다. 듀어 플라스크는 수소를 처음 액화한 사람인 발명가 제임스 듀어의 이름을 따서 명명되었다. 보온병은 보호 케이스에 장착된 더 작은 진공 플라스크이다.

극저온 바코드 라벨은 이러한 액체가 들어 있는 듀어 플라스크에 표시하는 데 사용되며, -195°C까지도 성에가 끼지 않는다.

극저온 이송 펌프는 LNG 터미널에서 LNG선으로부터 액화천연가스를 LNG 저장 탱크로 이송하는 데 사용되는 펌프이며, 극저온 밸브도 마찬가지이다.

 극저온 처리 
극저온 분야는 제2차 세계 대전 중 과학자들이 저온으로 냉각된 금속이 마모에 더 강하다는 것을 발견하면서 발전했다. 이러한 극저온 경화 이론을 바탕으로 상업적 극저온 처리 산업은 1966년 빌과 에드 부시 형제에 의해 설립되었다. 열처리 산업 배경을 가진 부시 형제는 1966년 디트로이트에 CryoTech라는 회사를 설립했다. 부시는 처음에는 열처리 대신 극저온 템퍼링을 사용하여 금속 공구의 수명을 원래 수명의 200%에서 400% 사이로 늘릴 수 있는지 실험했다. 이는 1990년대 후반에 다른 부품의 처리로 발전했다.

액체 질소와 같은 극저온 물질은 특수 냉각 및 동결 응용 분야에도 사용된다. 인기 있는 스타틴 약물의 활성 성분을 생산하는 데 사용되는 일부 화학 반응은 약 의 저온에서 발생해야 한다. 특수 극저온 화학 반응기는 반응열을 제거하고 저온 환경을 제공하는 데 사용된다. 백신과 같은 식품 및 생명공학 제품의 동결은 급속 동결 또는 침지 동결 시스템에서 질소를 필요로 한다. 특정 부드럽거나 탄력 있는 재료는 극저온에서 단단하고 부서지기 쉬운 상태가 되므로, 고온에서 쉽게 분쇄할 수 없는 일부 재료에 대해 극저온 분쇄(크리오 밀링)가 가능하다.

극저온 처리는 열처리를 대체하는 것이 아니라 가열-담금질-템퍼링 사이클의 확장이다. 일반적으로 품목이 담금질되면 최종 온도는 주변 온도이다. 이것은 대부분의 열처리 작업자가 냉각 장비를 가지고 있지 않기 때문이다. 주변 온도에 대한 금속학적으로 중요한 것은 없다. 극저온 공정은 이 작업을 주변 온도에서 까지 계속한다.
대부분의 경우 극저온 사이클은 열 템퍼링 절차 다음에 이어진다. 모든 합금이 동일한 화학 성분을 가지고 있지 않으므로 템퍼링 절차는 재료의 화학적 조성, 열 이력 및 도구의 특정 서비스 응용 분야에 따라 달라진다.

전체 과정은 3~4일이 걸린다.

 연료 
극저온의 또 다른 용도는 로켓용 극저온 연료이며, 액체 수소가 가장 널리 사용되는 예이며, 최근 몇 년 동안 액체 메탄이 점점 더 널리 보급되고 있다. 액체 산소(LOX)는 훨씬 더 널리 사용되지만 연료가 아닌 산화제로 사용된다. 미국 항공 우주국의 주력 우주왕복선은 극저온 수소/산소 추진제를 궤도 진입의 주요 수단으로 사용했다. LOX는 세르게이 코롤료프가 소련 우주 프로그램을 위해 만든 로켓과 같이 비극저온 탄화수소인 RP-1 등유와 함께 널리 사용된다.

러시아 항공기 제조업체 투폴레프는 인기 있는 Tu-154 설계의 극저온 연료 시스템 버전을 개발했는데, 이를 Tu-155라고 한다. 이 항공기는 액화천연가스(LNG)로 알려진 연료를 사용하며 1989년에 첫 비행을 했다.

 기타 응용 분야 
극저온의 일부 응용 분야:

 핵자기 공명(NMR)은 자기장에서 핵이 흡수하는 라디오 주파수와 그 후의 이완을 감지하여 원자의 물리적 및 화학적 특성을 결정하는 가장 일반적인 방법 중 하나이다. 이는 가장 일반적으로 사용되는 특성 분석 기술 중 하나이며 수많은 분야에 응용된다. 주로 강력한 자기장은 초냉각 전자기석에 의해 생성되지만, 극저온 물질을 필요로 하지 않는 분광계도 있다. 기존의 초전도 솔레노이드에서는 액체 헬륨이 내부 코일을 냉각하는 데 사용되는데, 이는 액체 헬륨이 주변 압력에서 약 4K의 끓는점을 가지고 있기 때문이다. 저렴한 금속 초전도체는 코일 배선에 사용될 수 있다. 소위 고온 초전도 화합물은 약 77K에서 끓는 액체 질소를 사용하여 초전도 상태를 만들 수 있다.
 자기공명영상(MRI)은 NMR의 복잡한 응용 분야로, 공명의 기하학적 구조를 디컨볼루션하고 강력한 자기장에서 라디오 주파수 펄스에 의해 교란된 양성자의 이완을 감지하여 물체를 영상화하는 데 사용된다. 이는 주로 건강 응용 분야에 사용된다.
 저온전자현미경(cryoEM)은 구조생물학에서 단백질, 세포, 기타 생물학적 시스템의 구조를 밝히는 데 널리 사용되는 방법이다. 샘플은 액체 질소로 냉각된 액체 에탄과 같은 극저온 물질에 급속 냉동된 후, 이미지화를 위해 전자현미경에 삽입될 때 액체 질소 온도에서 유지된다. 전자현미경 자체도 액체 질소로 냉각된다.
 대도시에서는 가공 케이블로 송전하기가 어렵기 때문에 지하 케이블이 사용된다. 그러나 지하 케이블은 가열되어 전선의 저항이 증가하여 전력 낭비로 이어진다. 초전도체는 전력 처리량을 증가시키는 데 사용될 수 있지만, 전력 전송을 증가시키기 위해 특수 합금 함유 케이블을 냉각하는 데 질소 또는 헬륨과 같은 극저온 액체가 필요하다. 여러 타당성 조사가 수행되었으며 이 분야는 국제 에너지 기구 내의 합의 주제이다.
 극저온 가스는 대량의 냉동식품 운송 및 저장에 사용된다. 전쟁 지역, 지진 피해 지역 등과 같은 지역으로 매우 많은 양의 식품을 운송해야 할 때 오랫동안 보관해야 하므로 극저온 식품 냉동이 사용된다. 극저온 식품 냉동은 대규모 식품 가공 산업에도 유용하다.
 많은 적외선(전방 관측 적외선) 카메라는 감지기를 극저온으로 냉각해야 한다.
 특정 희귀 혈액형은 혈액 은행에서 -165°C와 같은 저온에 저장된다.
 나이트클럽 효과 시스템에는 액체 질소 및 CO2를 사용하는 극저온 기술이 적용되어 냉각 효과와 색 조명으로 비출 수 있는 흰색 안개를 생성한다.
 극저온 냉각은 제조 공정에서 가공 시 공구 끝을 냉각하는 데 사용된다. 이는 공구 수명을 늘린다. 산소는 철강 제조 공정에서 여러 중요한 기능을 수행하는 데 사용된다.
 자동차 또는 트럭 타이어를 액체 질소에 얼리면 고무가 부서지기 쉬워져 작은 입자로 부서질 수 있다. 이 입자는 다른 품목에 다시 사용할 수 있다.
 스핀트로닉스 및 자기수송 특성과 같은 특정 물리 현상에 대한 실험 연구는 효과를 관찰하기 위해 극저온을 필요로 한다.
 특정 백신은 극저온에 보관해야 한다. 예를 들어, 화이자-바이온텍 코로나19 백신은 의 온도에서 보관해야 한다. (저온 유통 참조).

 생산 

장치 및 재료의 극저온 냉각은 일반적으로 액체 질소, 액체 헬륨 또는 기계식 크라이오쿨러(고압 헬륨 라인 사용)를 통해 이루어진다. 기퍼드-맥마흔 크라이오쿨러, 펄스 튜브 크라이오쿨러 및 스털링 크라이오쿨러는 필요한 기본 온도 및 냉각 용량에 따라 널리 사용된다. 극저온학의 가장 최근 개발은 재생기 및 냉각기로 자석을 사용하는 것이다. 이러한 장치는 자기열량 효과로 알려진 원리에 따라 작동한다.

 감지기 

입자를 감지하는 데 사용되는 다양한 극저온 감지기가 있다.

30K까지의 극저온 온도 측정에는 저항 온도계인 Pt100 센서가 사용된다. 30K 미만의 온도에서는 정확도를 위해 실리콘 다이오드를 사용해야 한다.

 같이 보기 
 절대 영도
 지구 최저 기온 기록
 극저온 분쇄
 급속 냉동
 냉동식품

 각주 

 추가 자료 
 Haselden, G. G. (1971), Cryogenic fundamentals, Academic Press, New York, .

분류:냉각 기술
분류:저온물리학
분류:산업 가스