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기획특집 국제온도눈금 재정의 및 물의 삼중점 실현

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작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 71회 작성일 20-01-16 12:26

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1. 온도의 정의와 단위

온도는 뜨겁고 차가운 정도를 말하는데, 이것은 사람이 물을 마실 때나 목욕할 때 물의 뜨겁고 찬 정도를 알아낼 수 있는 능력을 나타낸 것이다. 우리가 알고 있는 온도는 열적 평형상태에서 물질을 구성하는 분자의 평균 병진운동 에너지와 비례하는 파라미터이며, 열적 평형상태가 되어야 온도가 정의된다. 정확한 온도는 온도계를 사용하여 측정하지만, 온도계의 지시온도는 온도계의 감지부(Sensing element)의 온도이다.

ITS-90에서는 물리량의 열역학적 온도 단위인 켈빈은 물의 삼중점에 해당하는 열역학적 온도의 1/273.16으로 정의된다. 열역학적 온도는 또한 일반적으로 물의 어는 점인 273.15 K와의 차로 표현하기도 한다. 열역학적 온도와 도씨 온도(Celsius temperature)인 기호 t와의 관계는 다음과 같이 정의된다.

t/℃ = T/K-273.15
또한 도씨 온도(Celsius temperature)의 단위는 도씨(Degree Celsius)이고, 기호는 ℃이다. 물의 어는점은 0℃ 또는 273.15 K이고, 물의 삼중점은 0.01℃ 또는 273.16 K이다. 도씨 온도 단위는 켈빈과 같은 크기이고, 켈빈 또는 도씨로 온도를 표현했다는 것만 다르다. 일반적으로 온도를 표시할 때 켈빈은 주로 0℃보다 낮은 온도에서 사용하고, 높은 온도에서는 도씨를 사용한다.


2. 국제온도눈금 재정의

ITS-90의 정의에 이용되는 열적 평형상태는 물의 삼중점이다. 물의 삼중점은 물이 액체, 기체, 고체의 세 가지 형태로 동시에 존재한다. 그림 1~2는 물의 상태도와 물의 삼중점이 실현된 사진이다.

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물의 삼중점은 1기압에서 물의 어는점에 비해 10 mK 높기 때문에, 단위의 연속성을 위해서 273.16 K로 지정되었다.
이러한 켈빈의 정의는 2019년 5월 20일부터 볼츠만 상수의 값을 지정함으로써 변경되었다. 켈빈의 정의를 바꾸는 이유는 기본상수를 이용한 SI 단위 재정의에 맞추고, 물의 동위원소 함량에 따른 삼중점 온도의 불완전성 해결 및 켈빈이 특정한 온도인 273.16 K에서 정의된 문제를 해결하기 위해 볼츠만 상수를 이용하여 다음과 같이 재정의하였다.

켈빈은 열역학적 온도의 SI 단위이다. 그 크기는 볼츠만 상수의 값을 1.380 649×10-23 J K-1으로 고정시킴으로써 정한다.
켈빈 재정의에 의하여 물의 삼중점의 열역학적 온도는 273.16 K로 정확히 정해진 값에서 0.1 mK의 불확도를 갖는 측정값으로 변경되었다. 따라서, 물의 삼중점 부근의 열역학적 온도 측정은 대부분 그 불확도가 현재보다 0.1 mK 정도 높아지게 된다.


3. 국제온도눈금-1990
(International Temperature Scale of 1990, ITS-90)

온도표준에서는 열역학적 온도를 근사하는 온도눈금을 사용한다. 현재 사용 온도눈금은 1990년에 발효된 국제온도눈금-1990(International Temperature Scale of 1990, ITS-90)이다. ITS-90은 열역학적 온도와 가깝도록 정의한 반복도가 매우 좋은 온도눈금이다. ITS-90 온도눈금은 0.65 K부터 실제로 측정 가능한 가장 높은 측정온도인 플랑크 복사 법칙까지의 온도 영역에서 적용된다.

온도눈금 실현 장치는 세 가지 형태의 장치로 요약할 수 있다.

고정점(Fixed point) : 순수한 물질의 녹는 점, 어는 점 및 삼중점을 말하며 각 고정점들은 재현성이 매우 높고, 그 고정점의 열역학적 온도에 가까운 온도 값으로 지정

내삽 온도계(Interpolating thermometer) : 4가지의 각각 측정원리가 다른 재현성이 매우 좋은 온도계로 헬륨 증기압 온도계(Helium vapour pressure thermometer), 헬륨(또는 수소) 기체온도계(Helium or hydrogen gas thermometer), 백금저항온도계(Platinum resistance thermometer)와 복사온도(Radiation thermometer)를 각 고정점 하나 또는 여러 개의 고정점에서 측정하고 내삽하여 사용한다.

내삽식(Interpolating equation) : 각 고정점에서 온도계로 측정한 저항값으로 각 고정점들을 지나가는 특정한 형태의 식을 계산하는데 사용한다. 내삽식은 고정점들 사이의 온도를 읽을 수 있도록 사용한다.

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사용되는 백금저항온도계는 ITS-90의 요구를 만족시켜야 하는데, 온도계의 절대저항 R(T90)을 사용하는 것이 아니고, 물의 삼중점 저항과 임의 온도 저항 간의 저항비 W(T90)을 사용한다. 그 적용 식은 다음과 같다.
W(T90) = R(T90)/R(273.16 K)

또한, ITS-90에서 요구하는 백금저항온도계의 조건은 다음과 같다.

W(29.764 6℃) ≥ 1.118 07
W(-38.834 4℃) ≤ 0.844 235
W(961.78℃) ≥ 4.284 4 (은 고정점까지 교정하는 경우)


4. 물의 삼중점 실현 및 측정 불확도 평가

온도 고정점 가운데 가장 사용 빈도가 높고, 표준 불확도가 낮은 물의 삼중점에 대하여 삼중점 실현 방법과 측정 불확도 평가 및 경년변화를 계산해 보았다. 물의 삼중점은 드라이 아이스 가루와 에탄올을 사용하여 Heat pipe를 사용하여 실현하였다.

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물의 삼중점 셀의 측정 불확도를 평가한 결과 0.20 mK(신뢰 수준 약 95%, k = 2)으로 평가되었으며, 구체적인 불확도 인자는 다음과 같다.

시간이 경과함에 따라 물의 삼중점 셀의 변화를 확인하기 위해 물의 삼중점 셀에 대한 특별한 실험 및 평가를 실시하였다. 또한 그 결과를 NIST(National Institute of standards and Technology, 미국 국립표준기술연구소)의 연구결과와 비교하였으며, 당사의 실험 결과는 그림 3의 그래프와 같다.

시료는 2004년 Borosilicate로 제작된 물의 삼중점 셀과 2019년 Quartz로 제작된 물의 삼중점 셀과의 저항비를 직접 비교하여 그 결과를 분석하였다. 2개의 서로 다른 TPW 셀의 브릿지의 저항 측정비의 차이는 0.0 00 000 437로 나타났으며, 이 값을 온도로 환산한 결과 –0.112 mK의 온도차가 측정되었다. 셀의 제작년도를 감안하여 온도 변화값을 계산하면 연간 약 –8 µK의 삼중점 온도가 변화되는 것으로 확인되었다. NIST의 실험결과는 연간 –13 µK의 결과를 나타내었으며, 당사의 실험보다 더 낮게 측정되었다. 결과적으로, 저항비의 기준이 되는 물의 삼중점 셀은 매년 교정을 실시하여 그 보정값을 적용하여야 함을 의미한다. 

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또한, 고정점에 대한 불확도 평가에 반드시 적용해야 되는 금속의 불순물 성분에 대한 기존 평가 방법과 변화된 최근의 평가 방법의 비교로 그 중요성을 강조하고자 한다. 주로 사용하였던 기존의 평가 방법은 OME(Over all Maximum Estimate)로서 각 금속의 순도를 몰비포 표시된 불순물 함량으로 나누어 보정값과 불확도를 평가하였으나, 최근에는 SIE(Sum of individual estimate) 방법으로 전환되었다.

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한국캘랩이 보유하고 있는 각 금속 고정점에 대하여 OME 방식과 SIE 방식으로 보정값을 분석한 결과는 다음과 같다.

각 금속 고정점에 대한 두 가지 불순물 불확도 분석 방법에 따라 매우 큰 차이를 보이고 있다. 고정점 셀을 교정하는 경우 반드시 셀의 성분을 분석한 결과를 이용하여 보정값 및 불확도를 산출하여야 한다. 특히, 불확도를 최소화하기 위해서는 필수적으로 SIE 방법을 적용해야 한다.

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5. 맺는 말

온도가 국제적으로 중요하게 다루어지고, 온도의 정의를 엄격하게 정해서 사용하는 이유는 물리현상의 하나인 온도 또는 온도 측정이 첨단 기술과 밀접하게 관련이 있기 때문이다. 정확한 기상자료의 생산과 활용, 액화천연가스의 운반, 고집적 회로의 기술을 사용하는 메모리 반도체 생산, 제철소의 제조 공정, 생명공학 분야 등 다양한 분야에서 온도의 중요성은 매우 크다.

켈빈의 재정의가 현재의 측정과 소급성에 큰 영향을 주지는 않지만, 특히 극한의 온도에서 새롭고 정확한 기술개발을 가능하게 할 것이다. 또한 ITS-90에서 정의된 고정점에 대한 경년변화, 서비스를 제공하는 교정기관은 불순물에 대한 불확도 평가방법 전환 등은 새롭게 적용하여야 할 것으로 판단된다.

한국캘랩㈜는 국내 교정기관으로서는 처음으로 은 고정점(961.78℃)까지 교정 영역을 확장하였고, 최고의 교정·측정 능력을 보유하게 되었으며, 국내 교정기관뿐만 아니라 높은 수준의 정밀 정확도를 요구하는 산업체의 수요에 대응할 수 있게 되었다.

<참고문헌>
1) Newell, D., Cabiati, F.,Fisher, J., Fujii, K., Karshenboim, S., et al., “The CODATA 2017 Values of h, e, k, NA for the Revision of the SI,” Metrologia, Vol 55, NO. 1, 2018
2) A Peruzzi, Dutch Metrology Institute, Delft, Netherlands E. Mendez-Lango, Centro Nacional de Metrologia, Queretaro, Mexico J.Zhang, National Institute of Metrology, Beijing, China M.Kalemci, National Metrology Institute of Turkey, Gebze-Kocaeli,Turkey(2018) “Guide to the realization of the ITS-90, Triple point of Water” BIPM, 2018
3) G. F. Strouse · M. Zhao, The Impact of Isotopic Concentration, Impurities, and Cell Aging on the Water Triple-Point Temperature, Int J Thermophys (2007)
4) B.Fellmuth, K.D. Hill, J.V.Pearce, A.Peruzzi, P.P.M. Steur. J.Zhang, “Guide to the Realization of the ITS-1990, Fixted Points : Influence
5) 김상도, 고정점 셀의 실현 및 불확도 평가, 2019 온/습도 측정클럽 워크숍 발표자료(2019.08.29. 무주)


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