액체가 굳기 시작하는 ‘순간의 온도’를 측정하다
세계 유일의 이상적 표준온도 실현 성공 

정욱철 박사가 압력제어식 온도제어장치를 사용하여 주석의 액상선 온도를 실현하고 있다.

"내가 재는 1 ℃와 지구 반대편에서 재는 1 ℃가 똑같을 수 있는 이유는 온도에도 불변의 ‘기준’이 있기 때문이다. 변하지 않는 무엇이 온도의 기준이 될 수 있을까? 온도표준 전문가들은 고체가 액체로 녹거나, 액체가 고체로 굳는 짧은 찰나, 즉 물질의 상(相: Phase)이 변하는 순간을 주목하고 있다."

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박상열) 연구진은 액체 금속이 고체로 응고하기 시작하는 순간을 포착하고 온도를 측정하는 데 성공했다. 이는 이상적으로만 존재하는 표준온도를 세계 최초로 실현한 성과이다.

KRISS 열유체표준센터 정욱철 책임연구원은 독자적 온도제어 원천기술을 통해 이상적 표준온도인 금속의 액상선 온도* 를 측정, 현재 국제온도표준에서 기준온도로 사용하는 응고 온도에 큰 오차가 있다는 사실을 밝혀냈다.

  * 액상선 온도(Liquidus Temperature): 액체 상태의 물질이 응고하기 시작하는 시점(=응고 상태의 물질이 완전히 녹는 시점)의 온도로, 정해진 순도의 물질마다 고유한 값을 가진다.

물질들은 저마다 응고 온도, 용융 온도, 액상선 온도와 같은 다양한 상변화 온도를 가지고 있다. 만약 물질이 순수하다면 이러한 상변화 온도들의 값은 모두 동일하다. 고체가 액체로, 액체가 고체로 변하는 동안만큼은 온도의 변화 없이 같은 온도가 유지되는 것이다.

 ◦ 국제온도표준(ITS-90)은 –259.3467 ℃ ~ 961.78 ℃의 범위에 대해 물질의 상변화 온도를 이용하여 온도를 정의하고 있으며 저온에서는 기체, 고온에서는 금속의 상변화를 이용한다.
하지만 지구상에 순수한 물질은 없다. 모든 물질에 존재하는 불순물들은 상이 변할 때 온도가 동일하게 유지되는 것을 방해한다. 그럼에도 상변화 온도 중 변하지 않는 유일한 값이 있는데, 바로 액상선 온도이다. 상변화 중 온도가 변해도 시작점만큼은 불변이기 때문에 국제온도표준은 특정 물질의 액상선 온도를 가장 이상적인 기준점으로 삼고 있다.

문제는 그동안 액상선 온도를 구현할 수 있는 기술이 없었다는 것이다. 특히 고온 기준온도를 실현하는 데 사용하는 금속의 경우 액상선 온도는 불변이지만, 상이 변하기 시작하는 순간을 포착하고 온도를 측정하기란 불가능에 가까웠다.

 ◦ 지금까지는 물질의 응고 및 용융온도로 액상선 온도를 근사하는 간접적인 방법을 택했으나, 물질에 불순물이 존재하는 한 이들 값은 기준온도의 요건인 고유성 및 불변성을 만족시킬 수 없었다.

정욱철 책임연구원은 이를 해결하기 위해 고속·정밀 온도제어가 가능한 독자기술인 압력제어식 온도제어기술을 이용하여 고온(231.928 ℃)에서 기준을 정의하는 금속인 주석의 액상선 온도를 실현하고 측정했다.

 ◦ 이번에 측정한 주석의 액상선 온도는 기존의 기준온도보다 약 0.00095 ℃ 더 높으며, 이는 국제적으로 용인될 수 있는 온도표준의 불확도를 상회한다.

이번 결과는 현재 231.928 ℃를 정의하는 주석의 응고 온도가 이상적 기준온도인 주석의 액상선 온도와는 큰 차이가 있음을 입증하고 있다. 또한 지금까지 밝혀내지 못했던 미량 불순물 분포가 물질 상변화 온도에 미치는 영향을 분석하고 검증했다는 점, 향후 국제온도표준의 개정(ITS-XX)에도 영향을 줄 수 있다는 점에서 큰 가치가 있다.

정욱철 책임연구원은 “이번 성과를 통해 국제온도표준을 구성하는 기준온도가 더욱 정교해지고 정확해졌다”며 “KRISS가 기술적 한계를 극복하고 이상적 온도표준을 실현한 세계 유일 표준기관으로 거듭났다는 점에서 특별한 의미를 가진다”고 말했다.

해당 연구결과는 측정과학분야 국제적 권위지인 메트롤로지아(Metrologia, IF: 3.411) 최신호에 두 편의 논문을 통해 게재되었다.

□연구성과 관련 추가 설명

○ ‘상변화 온도’ 설명

- 물질마다 상(相: Phase)이 변활 때 가지는 고유한 온도로서 액상선 온도, 고상선 온도, 응고 온도, 용융 온도가 상변화 온도에 해당됨.
- 액상선 온도: 액체 상태의 물질이 응고하기 시작하는 시점의 온도
- 고상선 온도: 고체 상태의 물질이 용융하기 시작하는 시점의 온도
- 응고 온도: 액체 상태의 물질이 응고하는 과정에서 가지는 온도
- 용융 온도: 고체 상태의 물질이 용융하는 과정에서 가지는 온도
- 물질이 순수하면 상변화시 온도가 변하지 않기 때문에 위의 네 상변화 온도 값이 동일함.
- 그러나 지구상의 모든 물질에는 불순물이 포함되어 있으므로 온도가 동일하게 유지되는 것을 방해, 네 가지 상변화 온도 값에 차이를 발생시킴.

○ ‘압력제어식 온도제어기술’ 설명

금속의 액상선 온도는 금속을 녹이는 과정에서 상이 변하는 속도를 정밀하게 조절하여 상이 변하는 마지막 순간의 온도를 결정하는 방식으로 측정해야 한다. 이러한 과정은 극도로 빠르고 정밀한 온도제어기술이 있어야만 수행될 수 있으나, 지금까지 이를 만족시킬 수 있는 수준의 정밀하고 빠른 온도제어기술은 개발되지 못했다. 
KRISS만의 원천기술 ‘압력제어식 온도제어기술’은 온도와 압력이 밀접하게 연결된 열역학적 포화상태를 인위적으로 조성, 압력제어로 원하는 영역의 온도를 고속·정밀 제어할 수 있다.  해당 기술을 이용하여 압력파(pressure pulse)로부터 온도파(temperature pulse)를 발생, 주석*의 상변화 양을 정밀하게 제어하는 방식으로 주석의 액상선 온도를 측정한다.
* 주석(tin): 현 국제온도표준인 ITS-90(International Temperature Scale of 1990)에서 231.928 ℃를 실현하기 위해 사용되는 금속

▲ [그림1] 압력파(청색)와 압력파로부터 발생된 온도파(적색)

                   {그림1}                                            {그림2}                                                      {그림3}

○ ‘주석의 액상선 온도 측정’ 설명

물질의 액상선 온도(liquidus temperature)는 응고시작 또는 용융종료 순간의 상변화 온도이나, 응고 시작 시의 과냉각(supercooling) 및 용융 종료 시의 급격한 온도상승(run-off)으로 인해 연속적인 응고 및 용융과 같은 통상적 상변화 과정을 통해서는 측정이 불가능하다.
이에 따라 액상선 온도는 주기적인 열 펄스를 물질에 가해 물질이 상변화하는 속도를 조절하고, 이를 통해 물질의 용융 종료순간(=응고 시작순간)으로 되짚어 가는 방식으로 결정해야 한다.

▲ [그림2] 금속(주석)의 상변화 속도 정밀제어를 통한 액상선 온도 측정 과정

- [그림2]는 이 과정을 보여주는 것으로, 주석에 온도파를 주기적으로 가함에 따라 주석의 용융속도를 제어하고 주석의 용융된 양(melted fraction)에 따라 변화하는 온도를 측정한 결과임. 이와 같은 방법으로 주석의 용융이 종료되는 순간의 온도를 결정하여 액상선 온도를 측정함.
- 특히, 이번 연구는 주석 내부에 존재하는 극미량의 불순물 분포에 따라 상이한 온도변화가 발생할 수 있음을 밝혔으며([그림2]의 청색 네모 표식과 녹색 세모 표식), 특정한 불순물 분포에 따라 액상선 온도가 결정되거나(청색 네모 표식), 고상선 온도가 결정될(녹색 세모 표식) 수 있음을 최초로 입증함. (고상선 온도: 물질의 응고 종료 또는 용융 시작 순간의 온도).

▲ [그림3] 주석의 액상선 온도와 기존의 주석 응고온도 간 온도차

- 이번 성과는 231.928 ℃를 정의하는 이상적인 표준온도인 주석의 액상선 온도를 결정한 것으로, 측정 결과 지금까지 231.928 ℃를 실현하기 위해 사용된 기준온도인 주석의 응고온도 보다 주석의 액상선 온도가 0.00095 ℃ 더 높음(즉, 더 정확함)을 밝혀냄.
- [그림3]은 해당 결과를 보여주는 것으로, 231.928 ℃를 실현하는 현재의 기준온도인 주석의 응고온도(그림 상 ‘0’) 대비 주석의 액상선 온도(적색 둥근 표식), 주석의 고상선 온도(청색 마름모 표식), 개선된 방법을 적용한 주석의 응고온도(녹색 세모 표식)를 보여줌 (모두 KRISS 측정).
- 본 연구를 통해 결정된 주석의 액상선 온도(적색 원)는 현재의 기준온도인 응고온도 대비 약 0.00095 ℃ 더 높았으며, 액상선 온도와 함께 결정된 주석의 고상선 온도(청색 마름모)는 액상선 온도보다는 낮았으나 기존 응고온도 대비 0.00049 ℃ 높았음.
- 이 결과는 현재의 기준온도인 응고온도가 얼마나 큰 오차를 가질 수 있는지를 정량적으로 보여준 것으로 그 중요도가 매우 크다고 할 수 있음.

○ 연구 의의 및 기대효과

- 국제온도표준을 구성하는 기준온도의 정의 자체를 향상시키는 성과
- 단순히 측정기술로 얻어지는 것이 아니라 온도표준의 근간인 온도제어능력에 대한 세계적 경쟁력과 물질 상변화 현상에 대한 독보적인 이해를 바탕으로 이루어진 성과
- 물질 상변화 온도 기반의 온도표준체계를 도입한 이래, 국제온도표준분야의 모든 국가측정표준대표기관(NMI)이 측정하고자 했으나 성공하지 못한 이상적 온도표준을 KRISS만의 독자 원천기술을 적용하여 실현하고 측정에 성공함. 해당 결과는 KRISS의 기초과학에 대한 국제적 경쟁력을 입증했다는 점에서 중요한 의의를 가짐.
- 해당 성과는 향후 국제온도표준의 개정(ITS-XX)에 영향을 줄 수 있는 것으로 평가되어 온도표준과 관련된 연구로서 그 가치를 인정받음.
- 해당 성과를 가능케 한 기반기술인 압력제어식 고속·정밀 온도제어 원천기술은 빠르고 정밀한 온도제어를 필요로 하는 모든 산업분야에 적용 가능할 것으로 기대됨.

○ 추후 연구 목표

일상생활 및 산업에서 가장 밀접하게 사용되는 국제온도표준 범위는 0 ℃ ~ 420 ℃이다.  해당 범위에서 이상적인 온도표준을 확립하려면 주석(231.928 ℃)과 아연(419.527 ℃)의 액상선 온도가 필요하다.
KRISS는 주석에 이어 아연의 액상선 온도까지 실현함으로써 국제온도표준분야에서 대한민국이 주도적 역할을 수행할 수 있는 기술적 토대를 제공할 예정이다.