냉각 방법 조사

목차

(1) 냉매
1)냉각 과정
2)냉매의 조건
3)대표적인 냉매의 예

(2)공기액화법
1)줄-톰슨효과
2)린데식 공기액화법

(3)열전 냉각법
1)Peltier 효과
2)Thomson 효과
3)열전재료의 성능
4)응용분야

(4) 자기냉각법
1)소개 및 원리
2)자기냉각법의 응용

(5) 레이저 냉각법
1)보즈-아인슈타인 응집상태
2)응집상태로 가기위한 레이저 냉각 법
3)레이저냉각에 의한 보즈-아인슈타인 응집의 응용

본문내용

원자들은 원자레이저의 원천이 되는 것이다. 원자레이저는 질량을 지니므로 빛과 달리 중력에 의해 가속되며 공기중에선 멀리까지 나아 갈 수 없다는 특징을 지닌다.
② 원자분수시계 : 레이저 냉각기술로 원자의 속도를 느리게 만든 후 위로 쏘아 올리면 원자들이 마치 분수처럼 아래로 떨어진다. 속도가 느린 원자는 빠른 원자에 비해 빛이나 전자기파를 지날 때 반응할 수 있는 시간이 길어진다. 이럴 경우 하이젠베르크의 불확정성 원리에 의해 원자는 빛이나 전자파의 상태에 대해 더 자세한 정보를 갖게 되는데, 이 원리를 이용함으로써 시계의 정확도를 높일 수 있다. 이것이 바로 원자분수시계다.
원자분수시계는 프랑스에서 이미 완성돼 국제우주정거장에 설치될 날을 기다리고 있고, 미국에서도 제작중에 있다.
■ 극저온의 응용분야
1. 군사분야
- 열영상장비(Thermal Imaging System):
열상장비는 물체로부터 방사되는 적외선을 검출하여 온도분포를 정량화 및 가시화
하는 장비로, InSb,HgCdTe 등 광자검출 방식의 적외선 검출소자는 액체질소 온도
수준인 77K 부근의 냉각을 요구한다. 고집적 적외선 검출기는 필연적으로 열부하의 증가를 유발한다. 따라서, 스터링 극저온 냉동기등을 사용하여 저온을 유지해야 한다.
2. 항공우주분야
- 로켓연료: 액체연료를 사용하는 경우, 극저온 기술이 필수적이다.
1) 최초의 로켓:
1926년, 고다드의 로켓은 액체산소와 가솔린을 혼합한 액체추진제 사용.
2) 아틀라스 대륙간 탄도미사일:
1956년, 액체수소 추진제 사용
3) 새턴-V형 로켓:
1961년, 액체수소-액체산소 추진제 사용.
3. 의학분야
- 난소, 수정란 보관 및 냉동수술
1) 자궁경부암 치료를 위해 자궁적출수술을 받는 경우, 난소를 우선 떼어내어 77K로
동결 보존, 항암치료 및 자궁적출 후 환자에게 재이식하여 여성호르몬을 분비하게
하고 있다.
2) 수정란 및 배아는 냉동하여 보관할 수 있으며, 시험관아기 시술, 배아복제실험
등에 사용된다.
4. 전기/전자분야
- 극저온에서 일어나는 초전도현상 이용
1) 극저온에서 발견된 초전도체의 경우, 저항이 없어 전력공급에의 응용에 대한 연구
가 진행되고 있다.
2) 초전도체의 자력선을 받아들이지 않는 성질을 이용해 자기부상열차가 개발되어
상용화 되었다.
3) 자기공명장치(MRI) 역시 초전도체 연구의 산물이다.
5. 기타
- 초유체, 초저온사용 동위원소 분리
1) 헬륨은 2.7 K 이하에서 점성이 없는 초유체 거동을 한다.
이론상, 점성이 없는 물질은 영원히 흐를 수 있어 응용가능성이 주목된다.
3) 중수를 감속재로 사용하는 중수로의 경우, 중수 내의 중수소와 중성자가 충돌
하여 방사성을 띄는 삼중수소가 생성된다.
고분자-백금촉매를 사용하여 중수소-삼중수소 분자를 기체화 한 후 23K부근에서
증류처리하면 삼중수소만을 약 98%이상 분리해낼 수 있어 방사능 안전에 기여할
수 있다.
1853년 줄-톰슨은 많은 양의 공기를 한꺼번에 액체화 하는 기술을 개발했고 이후 기체의 액체화 기술은 빠르게 발전한다.
폴란드의 브로블브스키와 올스제브스키는 질소와 수소를 액체화시키는데 성공한다. 수소기체는 20K에서 액체가 되므로 인간은 20K까지 정복한 셈이다. 다시 1908년 헬륨을 액체화함으로써 냉동 액체중 끓는점이 가장 낮은 온도인 4K까지 극저온의 영역을 넓혔다. 이로써 모든 기체는 온도를 내리면 결국 액체가 된다는 결론을 내릴 수 있었다.
헬륨 3와 헬륨 4를 혼합해 강제 증발 시킬 경우 더욱 낮은 온도인 mK를 얻을 수 있다. 이는 증발 냉동의 한계로, 보다 낮은 온도를 얻기 위해서는 자기 냉동을 사용한다. 증발 냉동으로 낮출 수 있는 온도까지 냉각된 물질의 외부에서 강한 자기장을 걸어주면 물질을 구성하는 원자들의 자기적 성질이 한 방향으로 정렬된다. 이때 단열 상태에서 외부 자기장을 없애주면 uK이하의 온도를 얻을 수 있다.
또한 레이저를 이용한 냉각 방법도 있다. 이는 고체나 액체처럼 거시적인 물체의 온도를 내리는 냉동법과는 다르다. 즉 레이저 냉각의 대상은 수천수만 개의 원자들로 이루어진 기체로 한정된다. 따라서 냉동 대상의 크기도 일반적인 냉동법과는 비교 할 수 없을 정도로 작다. 이 같은 레이저 냉각 법으로는 nK까지 온도를 낮출 수 있다.
nK 정도에서 원자는 1초에 2cm 움직인다. 상온에서 기체는 빛 속도의 1천분의 1정도로 아주 빠른 속도인 것과 대조된다. 이러한 극저온에서는 물질의 성질 자체가 바뀌며, 특히 보즈-아인슈타인 응축 상태는 기체, 액체, 고체, 플라즈마에 이은 제 5의 물질상태라고 불리기도 한다.
과학은 호기심에서 시작되었다. 이번 Term-project를 진행하면서 우리는 그 호기심의 힘을 확인할 수 있었다. 더불어 과학기술, 특히 원천기술 하나가 얼마나 큰 파급효과와 생명력을 갖는지도 알 수 있었다. 극저온 기술은 ‘영원한 기체’, 즉 아무리 온도를 내려도 기체상태를 유지하는 기체가 있을것인가 하는 호기심을 해결하기 위해 시작된 기술이다. 그 발전과정에서 우리는 진공보온병, 공기액화, 초전도 등 수많은 유용한 결과들을 얻을 수 있었다.
물리화학이 자연과 현상을 이해하는데 있어 매우 강력한 도구임을 확인한 것도 큰 성과였다. 수업시간에 단지 배워 알았던 이론들이 현장에서 어떻게 사용되며, 자연을 공학적, 특히 물리화학적으로 이해한다는 것이 어떤 것인지를 눈으로 확인할 수 있었다. 앞으로 배우게 될 다른 과목들에 대한 기대 또한 갖게 되었다.
이런 기회를 마련해주신 교수님께 감사드리며, 자랑스러운 공학인이 될 수 있도록 공학도로서의 호기심을 늘 간직하고 학업에 정진할 것을 약속드린다.
*목차
(1) 냉매
1)냉각 과정
2)냉매의 조건
3)대표적인 냉매의 예
(2)공기액화법
1)줄-톰슨효과
2)린데식 공기액화법
(3)열전 냉각법
1)Peltier 효과
2)Thomson 효과
3)열전재료의 성능
4)응용분야
(4) 자기냉각법
1)소개 및 원리
2)자기냉각법의 응용
(5) 레이저 냉각법
1)보즈-아인슈타인 응집상태
2)응집상태로 가기위한 레이저 냉각 법
3)레이저냉각에 의한 보즈-아인슈타인 응집의 응용

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