한국표준과학연구원(KRISS, 원장 신용현) 온도센터 정욱철 박사는 압력조절을 통한 온도제어기술인 ‘압력제어식 온도제어 원천기술’을 개발했다. 온도제어 기술 중 압력을 이용한 제어기술은 세계 최초이며, 기존 기술로는 달성 불가능한 수준의 속도와 정밀도를 가진다.
이 기술은 루프 히트 파이프(loop heat pipe)라는 고성능 열전달장치의 운전원리를 응용한 것으로, 압력과 온도가 상호 연결되어 있는 서로 다른 두 영역을 만들고 제어기체의 압력을 제어하면 연결되어 있는 다른 영역의 온도가 제어되는 특성을 이용했다.
(루프 히트 파이프 (loop heat pipe): 1980년대 구소련에서 개발된 고성능 자연순환식 2상 열전달장치. 현재 인공위성 및 우주선의 열제어 분야에서 사용)
기체의 압력은 온도와 달리 빠르고 정확한 제어가 가능하므로 압력제어식 온도제어기술을 사용할 경우 기존의 열량제어 방식 온도제어기술보다 훨씬 빠른 속도와 정밀도를 가지는 온도제어가 가능하다.
이번에 개발된 KRISS의 압력제어식 온도제어기술은 기존 기술로는 불가능한 순간온도상승 및 하강이 가능하며, 0.02 ℃ 수준의 온도 안정도를 가지는 정밀제어 성능을 보인다.
KRISS 온도센터 정욱철 박사는 새롭게 개발된 압력제어식 온도제어기술을 이용하여 231.928 ℃를 정의하는 온도 표준기인 주석의 응고점을 세계에서 가장 정확하게 실현하는 데 성공하여 국제온도표준분야에 그 결과를 보고하였다.
기존에는 ‘외부 핵생성 방식’이 주석 응고점 실현의 표준기술로 사용되었으나 온도제어기술 한계로 인해 정확도에 논란이 있었다. 하지만 KRISS의 압력제어식 온도제어기술을 적용할 경우 더욱 정확한 ‘내부 핵생성 방식’의 주석 응고점 실현이 가능하다.
(KRISS의 기술로 실현된 내부 핵생성 방식의 주석 응고점이 외부 핵생성 방식 대비 약 4/10,000 ℃ 더 정확함을 밝혀내어 국제온도표준분야의 큰 주목을 받았다.)
정욱철 박사는 “이번 연구결과는 선진국의 전유물로만 여겨졌던 온도제어 분야에서 KRISS가 독보적 우수성을 가지는 온도제어기술을 최초로 개발했다는 점과 이를 바탕으로 세계에서 가장 정확한 온도표준을 실현했다는 점에서 중요한 의의를 가진다. 압력제어식 온도제어 원천기술은 빠르고 정밀한 온도제어를 필요로 하는 모든 산업분야에서 다양하게 적용될 것으로 기대된다.”고 말했다.
해당 연구결과는 열전달분야 최고 권위학술지인 국제 열 및 물질전달 학술지(International Journal of Heat and Mass Transfer)와 측정분야 국제적 권위지인 메트롤로지아(Metrologia)에 게재되었다. 또한 이번 연구 성과 관련 기술은 2013년 2건, 2015년 1건 국내 특허로 등록되었다.
다음은 연구 배경 및 내용이다.
현 온도표준체계는 고순도 시료의 상변화 온도로 정의되어 있다. 이 중, 231.928 ℃를 정의하는 중온 온도표준인 주석의 응고점은 물질 고유의 특성으로 인해 최소 20 ℃에 이르는 온도 변화를 매우 빠르고 안정적으로 제어할 수 있는 온도제어기술이 있어야만 정확한 실현이 가능하다. 하지만 기존의 열량제어방식 온도제어기술로는 물체의 온도를 빠르고 정확하게 제어하는데 한계가 있어 정확한 온도표준실현에 어려움이 있었다.
연구 내용은 KRISS 정욱철 박사는 인공위성의 열제어에 이용되는 고성능 2상 열전달장치인 루프 히트 파이프가 고유의 열수력학적 특성에 의해 압력과 온도가 밀접하게 연관되어 있음에 착안하여, 루프 히트 파이프 내 압력을 제어하여 특정영역의 온도를 매우 빠르고 정확하게 제어하는 기술을 세계 최초로 개발하였다.
KRISS의 정욱철 박사는 이러한 고속·정밀 온도제어기술을 바탕으로, 현 온도표준분야의 난제 중 하나였던 내부핵생성방식 주석 응고점 실현에 도전하였다. KRISS의 압력제어식 온도제어장치는 주석의 온도를 응고점 아래 20 ℃까지 낮추어 핵생성을 실현시킨 후 매우 빠르고 안정적으로 주석의 온도를 목표온도로 재가열하여 내부핵생성방식의 주석 응고점 실현에 성공하였다.
특히, 이와 같이 실현된 내부 핵생성방식의 주석 응고점은 기존의 외부 핵생성 방식 주석 응고점 보다 최대 4/10,000 ℃ 더 정확하게 응고온도를 측정할 수 있음을 밝혀 중온 온도표준점인 주석 응고점을 세계에서 가장 정확하게 실현하였음을 국제적으로 보고하였다.
이번 연구 결과로 기존 선진국의 전유물로만 여겨졌던 온도제어 원천기술 분야에서 독보적인 우수한 성능을 가지는 독창적 온도제어기술을 제안한 것에도 큰 의의가 있다고 할 수 있다. 또한 해당 온도제어기술을 이용하여 중온 온도표준을 세계에서 가장 정확하게 측정하였음을 밝혀 KRISS의 정밀온도실현 및 측정능력을 대내외에 과시하였다.
기대 효과로는 압력제어식 온도제어 원천기술은 빠르고 정밀한 온도제어를 필요로 하는 모든 산업분야에서 다양하게 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 KRISS에서 개발한 독창적인 온도제어기술이 한계에 봉착해있는 현 온도표준체계의 정확도를 향상시키는데 결정적인 역할을 해 KRISS가 국제 온도표준분야에서 선진 표준기관들을 따라가는 위치에서 선도하는 위치로 올라서게 됐음을 알렸다.
