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  • 신진연구자 인터뷰

    신진연구자 인터뷰는 기계공학과 건설공학 분야의 젊은 연구자들의 연구성과를 알리고자 기획되었습니다.
    대상은 박사과정 이상 40세 미만의 연구자로 뚜렷한 연구성과가 있으면 언제든 참여 가능합니다.
    또한 주변에 추천할 만한 연구자가 있으면 추천을 부탁드립니다. (ariass@naver.com)

    • 정욱철 (Wukchul Joung)
      정밀 온도제어기술을 이용한 물질 고유 상변화 온도 결정
      정욱철 (Wukchul Joung)(한국표준과학연구원 물리표준본부 열유체표준센터)
      이메일:wukchul.joung at kriss.re.kr
      674 0 3

      첨부파일  CV_Wukchul_Joung.pdf
    1. 본인의 연구에 대해서 소개를 부탁 드립니다.

    저는 국제온도표준(International Temperature Scale of 1990, ITS-90)에서 이상적 기준온도로 사용되는 고정점 물질(fixed-point substances)의 액상선 온도(liquidus temperature)를 실현하고 측정하는 연구를 수행하고 있습니다. 국제온도표준에서는 은(Ag), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 주석(Sn), 인듐(In), 갈륨(Ga), 물(H2O), 수은(Hg) 등 순수한 고정점 금속의 상변화온도를 이용하여 -38.8344 °C부터 961.78 °C까지 온도영역을 정의하고 있습니다. 다만, 현실 세계에서는 순수한 물질이 존재하지 않기 때문에 일정량의 불순물이 반드시 존재하며, 이에 따라 물질의 상변화 온도 역시 불순물 효과에 의해 서로 다른 네 가지의 상변화 온도를 갖게 됩니다. 이 네 상변화 온도는 응고의 시작 온도인 액상선 온도(liquidus temperature), 용융의 시작 온도인 고상선 온도(solidus temperature) 그리고 용융 및 응고 과정 중 연속적으로 변하는 용융 및 응고 온도이며, 불순물이 존재하는 한 이 네 온도는 모두 다른 값을 갖게 됩니다.

    이러한 상황에서 국제온도표준의 가장 이상적 기준온도인 순수한 고정점 물질의 상변화 온도는 특정 불순물 함량에 대한 액상선 온도를 결정하고 이 온도에 불순물 효과 보정을 통해 얻을 수 있지만, 응고 시작 순간의 온도인 액상선 온도를 정확히 실현하고 측정하는데 필요한 정밀 온도제어기술의 부재로 인해 현재까지 고정점 금속의 액상선 온도의 결정에 성공한 예가 없었습니다. 저는 이러한 한계를 극복하기 위해 기존에 존재하지 않았던 새로운 개념의 초정밀 온도제어기술인 압력제어식 온도제어기술(hydraulic temperature control technique)을 먼저 개발하고, 이 기술을 바탕으로 열 펄스 기반 용융(heat pulse-based melting) 방식의 물질 상변화 속도제어 기술을 고안하여 역사상 처음으로 고정점 금속 중 하나인 주석(Sn)의 액상선 온도를 결정하는 데 성공하였습니다. 이와 같이 결정된 주석의 액상선 온도는 주석의 삼중점 온도와의 비교 및 복수 순도 주석의 액상선 온도 간 비교 검증을 통해 유효성을 입증하였으며, 최근에는 이러한 결과를 바탕으로 불순물 효과까지 보정한 순수 주석의 상변화 온도(즉, 가장 이상적이며 이론적으로만 존재하였던 순수 금속의 상변화 온도)를 최초로 결정하고 국제사회에 보고한 바 있습니다.

    물질의 액상선 온도는 앞서 설명한 바와 같이 응고 시작(또는 용융 종료) 순간의 상변화 온도이나, 고순도 물질의 경우 응고 핵생성 시 발생하는 과냉각(supercooling) 및 용용 후반 열적 외란에 의한 온도 변화(run-off)로 인해 통상적인 상변화 과정을 통해서는 측정이 불가능 합니다. 이에 따라 액상선 온도는 주기적인 열 펄스를 이용하여 물질의 용융 속도를 정밀하게 제어하고, 단열 환경에서 용융 진행에 따른 용융 온도 변화를 측정한 후, 용융 종료 순간으로 온도를 외삽하는 방식으로 결정하여야 하나, 이러한 조건은 사각파형의 온도파를 발생시킬 수 있을 만큼의 극도로 빠르고 정밀한 온도제어기술이 있어야만 만족시킬 수 있었습니다. 이에 저는 피동형 2상 열전달 기기인 LHP(Loop Heat Pipe)의 고속 증기상 유체의 온도와 물리적으로 분리된 2상 유체 저장소의 압력 간 존재하는 고유한 열수력학적 연결관계를 이용하여 압력제어를 통해 온도를 빠르고 정밀하게 제어하는 압력제어식 온도제어기술을 개발하는데 성공하였습니다 (그림 1). 해당 기술은 기존의 어떠한 온도제어기술 보다 빠른 속도로 온도를 상승 및 하강시킬 수 있으며, 약 20 mK(0.02 °C) 수준의 안정도를 가져 위의 액상선 온도 실현에 적합한 특성을 보였습니다.



    저는 이러한 온도제어기술을 바탕으로, 국제온도표준의 고정점 금속 중 하나인 주석의 액상선 온도 실현에 본격적인 노력을 기울였습니다. 저는 미량 불순물을 포함하는 고순도 금속의 경우 고체상 내 불순물 분포에 따라 열 펄스 기반 용융 과정 중 측정되는 용융 온도의 거동이 달라질 수 있어 실제 외삽을 통해 결정되는 온도가 불순물 분포에 따라 액상선 온도 또는 고상선 온도가 될 수 있음을 이론적으로 예측하였고 이를 실험을 통해 입증하고자 하였습니다. 그림 2는 압력제어식 온도제어기술을 이용하여 발생시킨 사각파형의 온도파(좌)와 서로 다른 불순물 분포를 가지는 동일 주석 시료의 열 펄스 기반 용융 과정 중 측정된 용융 온도 변화(우)를 보여줍니다. 이 그림에서 보이듯이 균일한 불순물 분포를 가지는 시료(삼각 표식)와 시료의 중앙부에서부터 외부로 서서히 편석시킨 불순물 분포를 가지는 시료(사각 표식)는 확연하게 다른 용융 온도 변화 거동을 보였고, 저는 후자의 불순물 분포를 가지는 시료를 이용하여 주석의 액상선 온도를 결정하는데 성공하였습니다.

    이와 같이 결정된 주석의 액상선 온도는 기존에 기준온도로 사용되던 주석의 응고 온도 대비 최대 약 0.95 mK (0.00095 °C) 더 높은 값을 가짐을 밝혀 기존의 국제온도표준계가 최선의 근사라고 믿어온 온도가 실제로는 상당히 큰 편차를 가질 수 있음을 밝혔습니다. 다만, 이러한 온도차는 세계적인 산업경쟁력을 가진 국가의 공인 온도표준 실현능력에 버금가는 값이었기 때문에 더욱 엄밀한 검증과정을 거칠 필요가 있었습니다. 이에 저는 이론적으로 예측이 가능한 주석의 삼중점 온도와 기준 대기압에서의 액상선 온도 간 온도차 비교 및 서로 다른 순도를 갖는 복수 순도 시료의 액상선 온도 간 비교를 통해 제가 제안한 액상선 온도 결정 방식을 검증하고자 하였으며, 이러한 방법들을 통해 얻은 결과 역시 일관적인 경향을 보여 해당 기술의 유효성을 입증할 수 있었습니다. 저는 이러한 결과들을 바탕으로 본 연구의 최종 결과에 해당하는 순수 주석의 상변화 온도를 결정하는 연구 역시 수행하였고, 불순물 효과가 보정된 서로 다른 순도를 갖는 시료의 액상선 온도가 측정 불확도 범위 내에서 일치함 역시 보여 역사상 처음으로 순수 주석의 상변화 온도(즉, 가장 이상적이며 이론적으로만 존재하였던 순수 금속의 상변화 온도)를 결정하여 국제사회에 보고하였습니다 (그림 3).




    2. 본인의 대표 논문이나 최근 논문을 소개해 주세요.(5개 이하)


    1. W. Joung, J. Park and J. V. Pearce, Determination of the liquidus temperature of tin using the heat pulse-based melting and comparison with traditional methods, Metrologia (2018) 55(3) 334-349.

    2. W. Joung, J. V. Pearce and J. Park, Comparison between the liquidus temperature and the triple-point temperature of tin realized by the heat pulse-based melting, Metrologia (2018) 55(3) L17-L24.

    3. W. Joung, J. V. Pearce and J. Park, Comparison between the liquidus temperature of tin samples having different impurity compositions and correction of the impurity effect, Metrologia (2019) In press (https://doi.org/10.1088/1681-7575/ab27e1).

    4. W. Joung, K. Gam, Y. Kim and I. Yang, Hydraulic operating temperature control of a loop heat pipe, Int. J. Heat Mass Transf. (2015) 86 796-808.

    5. W. Joung, Y. Kim and J. Lee, Transient characteristics of a loop heat pipe-based hydraulic temperature control technique, Int. J. Heat Mass Transf. (2016) 103 125-132.


    3. 연구과정에서 어떤 극복해야 할 과제나 문제가 있었는지, 그리고 이를 어떻게 해결하셨는지요?

    제가 수행했던 연구는 초정밀 온도제어와 관련된 열공학, 금속의 용융 및 응고 과정에서 불순물 거동과 관련된 재료과학 그리고 국제온도표준의 기준온도와 관련한 온도측정 및 보정 기술이 복합적으로 요구되는 다학제적 융합연구였고, 이러한 수준의 연구를 저 혼자만의 힘으로 끌고 나가는 것은 거의 불가능에 가까웠습니다. 이에 저는 수년 간 국제학회에서 알고 지냈던 영국 국립물리연구소(NPL, National Physical Laboratory)의 Jonathan Pearce 박사와 금속 상변화와 관련하여 여러차례 조언을 받았던 현대자동차의 박지혜 박사에게 공동연구를 제안하였고, 두 분의 동의를 얻어 공동연구팀을 꾸리게 되었습니다. 어떻게 보면 물리적 심리적 거리로 인해 협업이 매우 힘들어 보였던 이 international-interinstitutional cooperation은 서로의 분야에서 최선의 노력과 각 분야 간 접점에서 조화를 바탕으로 앞서 말씀드렸던 놀라운 성과를 만들어 내는 데 성공하였습니다. 저에게 이 연구는 하나의 목표를 향해 배려와 존중을 바탕으로 최고의 성과를 도출해낸 협력의 힘을 확인하였던 기회여서 개인적으로도 연구 이상의 큰 의미를 갖고 있습니다.




    4. 연구를 같이 진행했던 소속기관 또는 연구소, 지도교수에 대해 소개 부탁 드립니다.

    앞서 설명했듯이 저는 영국 국립물리연구소의 Jonathan Pearce 박사와 다년간에 걸쳐 공동연구를 수행하였습니다. 현재는 단순한 공동연구자라기 보다는 같은 길을 걷는 벗으로서 서로를 신뢰하고 응원하고 있습니다.


    제가 수행했던 위 연구의 가장 핵심이 되는 기술은 바로 고속으로 정밀하게 온도를 제어하는 기술이었고, 이 기술은 사실 대학원 학위 과정 중부터 밑그림을 그려 두었던 기술이었습니다. 저는 2005년부터 2010년까지 연세대학교 기계공학부의 이진호 교수님 지도하에 학위과정을 하였으며, 지도교수님의 지도 하에 위의 성과를 만들어낼 기초를 다질 수 있었습니다.



    5. 본인이 영향을 받은 다른 연구자나 논문이 있다면?

    제가 이 연구를 처음 시작했을 때, 제게 동기가 되었던 논문이 있습니다. 독일 연방물리기술연구소(PTB, Physikalisch-Technische Bundesanstalt)의 Bernd Fellmuth 박사가 쓴 “Estimating the influence of impurities on the freezing point of tin (Metrologia (2006) 43)”이란 논문입니다. 이 논문은 불순물이 존재하는 금속의 불순물 효과를 보정하는 방법을 체계적으로 제시한 첫 논문입니다. 다만, 불순물 효과의 보정을 위해서는 특정 불순물에 해당하는 액상선 온도를 이용하여야 함에도 불구하고 해당 논문에서는 응고온도를 적용하였다는 한계를 지녀, 제가 이연구를 시작하게 된 계기를 만들어 주었던 논문입니다. Fellmuth 박사는 제가 처음 이 연구를 시작할 때 대단히 회의적인 반응을 보였지만, 최근(2019년 6월)에 국제학회에서 만났을 때에는 제가 수행한 연구의 결과를 보게 되어 기쁘다는 말을 해주어 저로서는 대단히 감회가 깊었습니다.


    6. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

    앞서 설명했던 연구는 국제온도표준의 가장 핵심이 되는 기준온도를 그 누구보다도 더 정확하게 실현했다는 성과를 거두었지만, 반면에 현재로서는 전 세계 어디에서도 위와 같은 연구를 수행할 수 있는 기관이나 연구그룹이 존재하지 않는다는 한계 역시 가집니다. 향후 저는 앞서 얻은 연구결과의 신뢰도를 더 높일 수 있는 후속연구를 수행함과 동시에 이러한 기술이 널리 퍼질 수 있도록 더욱 단순화된 온도 실현장치 및 측정기술의 개발에 매진하고자 합니다. 현재 제가 개발한 압력제어식 온도제어장치는 다른 국가표준기관이나 연구그룹이 손쉽게 재현하기가 불가능에 가까울 정도로 복잡한 구성을 갖고 있어 이를 더욱 단순화하고 적은 비용으로 구현할 수 있도록 개선하는 것이 필요합니다. 제가 해당 연구를 수행하면서 얻은 중요한 교훈이 있다면 결국 의미 있는 연구는 혼자만이 해낼 수 있는 연구가 아니라 다같이 기여할 수 있는 연구여야한다는 것입니다. 저는 앞으로 해당 연구 성과의 확산을 위한 일에 조금 더 많은 노력을 기울이고자 합니다.


    7. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람이 있다면?

    앞서의 연구는 제가 2013년부터 약 7년여에 걸쳐 수행했던 연구였습니다. 연구의 시작부터 그 누구도 성공하지 못했던 결과를 얻겠다는 큰 포부를 안고 시작했던 일이니만큼 7년여의 시간 동안 많은 난관이 있었습니다. 사실 기술적인 어려움은 하나하나 풀어가면서 극복할 수 있었지만, 가장 어려웠던 점은 기존의 국제온도표준 체계 내에서 공고해진 관습적 지식을 허무는 것이었습니다. 특히, 여러 논문을 투고하면서 같은 분야의 익명의 동료들로부터 받았던 부정적 평가와 날 선 비평이 저로서는 가장 견디기 힘들었던 일이었습니다. 그럼에도 불구하고 아무도 걷지 않았던 길을 걷는다라는 자부심을 가지고 연구를 수행한 결과 소기의 목적을 달성할 수 있었다는 점에서 매우 큰 보람을 느꼈습니다. 제가 가장 최근에 투고한 논문의 심사 시 한 referee로부터 받았던 평은 제가 그 동안 헤쳐왔던 많은 힘들었던 기억들을 따뜻하게 어루만져주었을 만큼 진솔하고 좋은 내용이라 이 곳에 옮겨 보겠습니다 (특히, 해당 referee가 그 동안 저를 여러 논문에 걸쳐 가장 많이 괴롭혔던 referee라 더욱 감회가 깊었습니다).

    “This manuscript is the result of excellent and very careful work, which I appreciate very much. Therefore, I strongly support its publication. Although I do not (yet) fully agree with all arguments and conclusions, it is my understanding of good science that careful scientific work have to be published even if reviewers don’t agree to 100 % with the authors. Some of the findings raise serious questions about some uncertainties of published CMCs in thermometry. Therefore, it is very important that this manuscript will be published. I would like to thank the authors for patiently replying to my criticism!”


    8. 이 분야로 진학하려는 후배들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

    제가 몸담고 있는 분야는 온도측정학(thermometry)이라고 하는 분야입니다. 이 분야는 독립된 학문분야라기 보다는 기계공학, 물리학, 재료과학, 화학, 전자공학 등의 다양한 학문분야가 종합적으로 어우러진 분야로서 사실 상 모든 자연과학 분야의 전문가들에게 열려있는 분야입니다. 일상생활 혹은 실험실에서 마주하는 온도에 대한 근원적인 의구심을 갖고 계시다면, 혹은 온도라는 물리량의 측정 및 제어에 대한 남다른 열정을 갖고 계시다면 여러분은 이미 이 분야의 문턱을 넘은 것입니다. 여러분의 도전을 응원합니다!


    9. 다른 하시고 싶은 이야기가 있다면?

    제가 지난 3월에 Jonathan Pearce 박사와 공동연구를 수행하기 위해 영국 국립물리연구소를 방문했을 때의 일이었습니다. 출장 기간 중 주말이 끼어 있어 런던 시내의 대영박물관을 방문했던 저는 ‘로제타스톤’이라는 비석을 볼 기회가 있었습니다. 로제타스톤은 서로 다른 세 문자(이집트 상형문자, 이집트 민용문자, 그리스 문자)로 동일한 내용을 기록한 비석으로 이 비석의 발견 전까지 해독하지 못했던 이집트 상형문자를 해독할 수 있는 단서를 제공한 중요한 비석입니다. 저는 이 로제타스톤을 보았을 때, 과학도 이 로제타스톤과 비슷한 것이 아닐까하는 생각을 했습니다. 자연(현상)은 언뜻 보기엔 이해하기 어려운 것으로 보이지만 과학이라는 ‘로제타스톤’을 이용하여 우리는 자연의 신비를 하나하나 해독하고 있는 것이 아닐까하고요. 사실 정확한 비유는 아닐 수 있지만, 자연과학을 연구하거나 응용하는 모든 현대의 샹폴리옹에게 응원의 메시지를 보내고 싶어 적어봅니다.

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    전체댓글 3

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    |2019.06.25
    관련 영상: https://youtu.be/2j5i5AWejs0
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    |2019.06.24
    0.00095℃의 온도 차이를 계산하는 능력이라 정말 대단한거 같습니다.
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    |2019.06.24
    관련 기사: https://www.yna.co.kr/view/AKR20180524131200063
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