KR102473758B1 - 재사용이 가능한 극저온 온도센서를 이용한 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 극저온용 NTC(Negative Temperature Coefficient) 온도 센서의 제조방법에 관한 것이다.
보다 자세하게는, 본 발명은 탄소피막저항을 포함하는 온도센서를 극저온 열처리 하여 극저온에서 동일온도에서 동일한 저항값을 갖는 온도-저항특성을 가지도록 하여, 극저온에서 다수의 반복된 사용이 가능한 극저온용 NTC(Negative Temperature Coefficient) 온도 센서의 제조방법과 그를 이용한 시스템에 관한 것이다.

Description

재사용이 가능한 극저온 온도센서를 이용한 시스템{The system using reusable cryogenic temperature sensor}

본 발명은 극저온용 NTC(Negative Temperature Coefficient) 온도 센서의 제조방법에 관한 것이다.

보다 자세하게는, 극저온에서 동일온도에서 동일한 저항값을 갖는 온도-저항특성을 가지고 있어, 다수의 반복된 사용이 가능한 극저온용 NTC(Negative Temperature Coefficient) 온도 센서의 제조방법과 이를 이용한 시스템에 관한 것이다.

온도센서는 온도의 변화에 응답하는 센서로서. 열을 감지하여 전기신호를 내는 센서이다.

일반적으로 온도센서는 접촉식과 비접촉식 방식을 사용하는데, 접촉식은 실제 측정대상에 직접 접촉시켜서 온도값을 측정하는 방식이며, 비접촉식은 물체로부터 방사되는 열선을 측정하는 방법이다.

NTC 온도센서는 온도가 높아지면 저항값이 감소하는 부저항온도계수의 특성이 있는 전자회로용 소자로, 열용량이 작아서 미세한 온도변화에도 급격한 저항 변화가 생기므로 온도 제어용 센서로 많이 이용된다.

특히, 극저온이라 할수 있는 4K(영하 269.15℃) 근처에서 동작가능한 극저온 온도센서가 다양한 분야에서 사용되고 있다.

극저온 온도센서(크기 5mm × 5 mm × 1mm)는 생산비에 비해 매우 높은 부가가치( > 2,000UDS )를 창출하며, 같은 분량의 금[Au]에 비해 5배 이상 비싼 기술 집약형 고부가가치 산업이다.

다시말해, 극저온 온도센서는 고부가가치 산업 재료 중 하나로서 원가대비 매우 높은 마진율을 갖고 있는 High-tech 부품이며, 극저온 온도센서는 초전도 자석 뿐 아니라 항공, 우주, 원자력과 같은 다양한 기기에 사용되어 범용성이 높다.

그러나, MRI와 같은 초전도 자석에 들어가는 극저온 온도센서는 현재 전량을 해외 기업(미국 Lakeshore Inc. 등)에서 수입하여 사용하고 있다.

보다 자세하게 기술하면, 의료용 MRI나 핵융합 또는 입자가속기용 초전도 자석의 상태를 감시하는 핵심 부품인 극저온 온도 센서는 현재 전량 해외(미국90% 유럽10%)에서 수입하여 사용하고 있으며 기술적으로 완전 종속적이며, 미국 업체의 횡포(한국만 150%가격 상승)에 전혀 무방비로 당하고 있는 중이다.

국내의 온도센서 판매 업체 및 트랜듀서(Transducer) 제작 업체(Autonics, 한영 Nux, 등)에서 많은 모델을 판매하고 있지만, 극저온에서 리사이클되어 사용할 수 있는 제품은 없다.

가장 알려진 극저온 온도센서는 PT-100으로서, 40K까지 영역에서 정밀도가 ±2K인 Uncalibration Version이 양산되어 판매되고 있고, 극저온 온도 트랜듀서로서 PLC의 Analog Input Module을 사용하여 20uA급 전류 Excitation 장치만을 개발하여 사용하고 있으며, 핵융합장치의 플라즈마 가열장치의 정밀 열량 측정을 위한 장비인 Delta Temperature Amplifier 또한 개발 판매되는 정도이다.

이에, 현재 미국 Lakeshore Cryotronics가 전세계 시장을 독점적으로 장악하고 있으며, 최근에 건설중은 국제핵융합 프로젝트 ITER에 일천만US달라 이상을 모두 Lakeshore Cryotronics INC에서 조달하여 사용한다.

또한, 극저온 온도 센서의 물리량(전기저항)을 온도값으로 환산·측정하는 트랜듀서(Transducer) 장비 또한 전량 수입하여 사용하고 있으며 극저온 온도 센서가 고가임으로 이 또한 매우 고가로 판매 되고 있다. 트랜듀서(Transducer) 장비 시장도 연구용, 산업용, 의료용 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

극저온 고자장과 같은 극한 기술은 고밀도를 추구하는 자율주행 기술, IoT 의 반도체 산업으로 인해 더 확장되는 추세에 있고, 초전도자석, 반도체 장비, 의료장비, 자율주행차, 전장장비 등 다양한 분야에 온도 센서 수요가 발생하고 있다.

국내에서 자체적으로 극저온 온도센서를 제작할 수 있다면, MRI 또는 단결정 성장용 초전도 자석분야에서만 1차적으로 장비 1기당 2~3천만원의 비용 절감이 가능하고, 전체분야에서 국산화에 따른 전체적인 비용 절감은 금액을 산정하기 어려울 정도로 막대한 수입대체 효과를 가져오게 된다.

도 1은 미국 Lakeshore Cryotronics가 전세계 시장을 독점적으로 장악하고 있는 CERNOX라는 명칭의 극저온 온도센서를 도시한 것이다. 도 2는 온도센서에 포함되는 일반적인 탄소피막 저항을 도시한 것이다.

도 1에 도시된 미국의 Lakeshore INC에서 제작해 판매하는 극저온 온도센서이다. 미국의 Lakeshore INC에는 온도 측정과 제어 기능을 통합한 Model 350 트랜듀서 제품이 있다. 총 4개 온도 센서에 대해 300 mK부터 약 1500 K의 온도 확인이 가능하다.

도시된 CERNOX 극저온 온도센서는 개당 1,300불 안팎의 비싼 비용으로 국내에서 수입해 사용하는 온도센서이다.

CERNOX 극저온 온도 센서는 액체 헬륨 온도 4.2 K을 포함한 약 400 K까지 온도 측정이 가능하다. 초극저온의 온도 검출을 위하여 열전달 및 열 반응성을 극대화한 제품이다.

일반적으로 이러한 고가의 수입제인 극저온 온도센서의 경우는, 도 2에 도시된 국내에서 몇백원에 쉽게 구할수 있는 카본저항, 탄소피막 저항과는 다른 특성을 가지고 있다.

미국에서 수입하고 있는 CERNOX 극저온 온도센서의 특징은 여러번을 사용해도 같은 온도에서 같은 저항값을 보여준다는 점에 있다.

도 3은 CERNOX 극저온 온도센서에 대한 온도-저항 특성을 나타낸 그래프이다.

도시된 바처럼, 8번의 반복된 온도센서의 재사용에도 같은 온도에서 같은 저항을 나타내는 신뢰성있는 온도센서로서의 상태를 보여주고 있다.

그러나, 국내에서 값싸게 구입할 수 있는 카본저항이 포함된 온도센서의 경우 카본저항의 특성은 1회 사용시에 특정온도에서 특정저항값을 나타내는 경우에, 다시 같은 카본저항을 온도센서로 재사용시에 1회 사용시와 같은온도에서 나타냈던 저항값과 일치하지 않은 특성을 가지고 있어, 신뢰성이 떨어지므로 실제로 1회용으로 밖에는 사용할 수 없는 문제점을 가지고 있다.

특허문헌 1: 국내특허공개번호 제10-2005-0044463호(공개일: 2005.05.12.) 특허문헌 2: 미국특허공보 US9248615B2(등록일 : 2016.02.02) 특허문헌 3: 미국특허공보 US5367285A(등록일 : 1994.11.22)

상기의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 극저온 온도 센서 및 이에 따른 Transducer 장비의 해외 기술 의존을 탈피하고자 자체적으로 반복된 사용에도 같은 온도-저항 특성을 갖는 극저온 온도 센서를 개발하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 극저온 온도를 측정하는 극저온 온도센서의 제작방법에 있어서, 탄소피막저항을 포함하는 온도센서를 극저온 온도인 4K(영하 269.15℃)주변에서 300K 주변까지 계속적인 가열처리를 하는 가열단계; 가열처리된 탄소피막저항을 다시 300K 근처에서 냉각처리하여 4K(영하 269.15℃) 근처까지 계속적인 냉각처리를 하는 냉각단계; 및 상기 가열단계와 냉각단계를 일정온도에서 일정한 저항값을 나타내는 특성을 보일때까지 반복하는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 재사용이 가능한 극저온 온도센서의 제조방법을 제시한다.

또한, 본 발명은 극저온 온도를 측정하는 극저온 온도센서를 이용한 시스템에 있어서, 탄소피막저항을 포함하는 온도센서를 극저온 온도인 4K(영하 269.15℃)주변에서 300K 주변까지 가열과 냉각을 반복하되, 일정온도에서 일정한 저항값을 나타내는 특성을 보일때까지 반복하여 제작된 극저온 온도센서; 및 상기 극저온 온도 센서의 물리량(전기저항)을 온도값으로 환산·측정하는 트랜듀서를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 재사용이 가능한 극저온 온도센서를 이용한 시스템을 제시한다.

상기 트랜듀서에는 극저온 온도센서의 저항-온도 특성 교정 곡선 입력이 가능하도록 외부에 교정입력장치가 구성되며, 상기 교정입력장치에는 저항-온도 특성 교정 곡선 입력이 용이하도록 OPEN Source 기반으로 하여 사용자가 직접 필요한 프로그램을 할 수 있는 API가 유저인터페이스로서 제공된다.

상기 트랜듀서에는 극저온 온도측정시에 측정 스테이지(stage)를 일정한 온도로 유지하도록 극저온 온도 제어기를 구성하며, 상기 극저온 온도 제어기는 극저온에서 사용자가 지정한 온도를 제어하도록 히터를 구성하며, 상기 히터의 출력은 PWM방법을 통해서 출력조절하며 상기 히터의 출력은 피드백 제어를 통해 동작하도록 구성된다.

본 발명인 재사용이 가능한 극저온 온도센서 제작방법를 통해 다음과 같은 효과를 달성할 수 있다.

본 발명을 통해 Long-term test를 통한 극저온 열처리하여 제작된 탄소피막저항을 이용한 극저온 온도센서는 극저온에서 재사용이 가능해지는 온도-저항 특성을 보유하게 되어, 극저온에 특화한 해외의 틈세 시장을 공략함으로서 고가의 가격으로 판매가 가능하면서도, 경쟁사에 비해서 70%정도의 가격 경쟁력을 유지하고, 수입대체효과, 원가절감, 가격경쟁력 향상 수출 증가 등으로 이어질 수 있는 효과가 있다.

도 1은 미국 Lakeshore Cryotronics가 전세계 시장을 독점적으로 장악하고 있는 CERNOX라는 명칭의 극저온 온도센서를 도시한 것이다.
도 2는 온도센서에 포함되는 일반적인 탄소피막 저항을 도시한 것이다.
도 3은 CERNOX 극저온 온도센서에 대한 온도-저항 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 의한 탄소피막저항의 단계별 열처리 방법에 대한 개념설명도이다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명에 의한 탄소피막저항의 단계별 열처리에 따른 탄소 피막 저항의 온도-저항 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 의한 탄소피막저항의 단계별 열처리에 따른 탄소 피막 저항의 특정온도에서 저항값을 비교한 그래프이다.

이하 본 발명인 반복사용이 가능한 극저온 온도센서 제작방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 자세하게 설명한다.

극저온 온도센싱 시스템을 개발하기 위해선 극저온 온도측정을 위한 온도센서가 필요하다.

앞서 기술한 바와 같이, 극저온 온도센서로 사용되기 위해서는 4K(영하 269.15℃) 근처의 극저온에서 동작가능해야하며, 또한 온도-저항 특성이 매번 반복된 사용에도 동일한 특성을 보여, 같은 저항에서 같은 온도가 검출되어야 신뢰성있는 온도센서라고 할수 있다.

이에 본 발명은 매번 반복된 사용에도 동일한 온도-저항 특성을 갖는 온도센서를 개발하는 방법에 대한 특징적인 구성을 제시한다.

이에 본 발명은, 현재 주변에서 쉽게 구할수 있는 온도센서를 그대로 활용하면서, 기존에 보였던 온도센서를 사용시마다 매번 다른 온도-저항 특성을 나타내어 일회용으로 밖에 사용할 수 없었던 온도센서를 단계별 열처리를 통해, 동일한 온도센서의 반복된 사용에도 온도-저항 특성이 동일한 특성을 나타내도록 구성하는 방법을 제시한다.

극저온 온도 센서의 경우 측정 온도 범위 및 자장 영향성 등을 고려하여 다양한 제품군을 보유하고 있는데, 현재 판매되어 일반적으로 쉽게 구할수 있는 극저온 온도센서로서, PT-100 온도센서와 탄소피막저항을 포함한 극저온 온도센서가 있다.

백금을 이용한 PT-100 온도 센서는 저렴한 가격에도 불구하고 액체 질소의 온도 77.35 K를 포함한 14 K 부터 약 800 K의 온도 측정이 가능하다. 약 70 K 이하의 온도 측정의 경우 물질 특성상 민감도가 감소하기 때문에 교정을 한 제품을 별도로 판매하고 있다.

PT100 온도센서는 0°C에서 저항 값이 100Ω 이며, IEC 751에서는 0~100°C 사이의 온도계수 TCR을 3850ppm/°C로 하고 있다.

이 온도계수로 온도가 10°C 변하는 경우 저항값 변화를 계산하면, 100Ω*3850ppm/°C*10°C = 3.85Ω 이 된다.

PT100의 특성이 선형(linear)이라면 10°C에서는 103.85Ω, -10°C에서는 96.15Ω이 되겠으나, 실제 IEC751 table에는 10°C에서는 103.90Ω, -10°C에서는 96.09Ω로 적혀있다.

정리하면, PT100의 특성이 선형(linear) 특성이 아니라는 의미이고, 따라서 실제 사용할 때에도 linearization을 해서 사용한다.

기존 수입 제품 대체할 수 있도록 PT-100 온도 센서를 활용하여 반복 사용이 가능한 온도-저항 특성을 갖는 온도센서로 변경하기 위해서는 고순도 백금 사용과 별도의 패키징 기술을 이용하여야 하나, 이는 경제성을 고려하여 수입대체용 국산화 극저온 온도센서의 제작을 이루고자 하는 목적과 대치될수가 있으며, 극저온인 4K 근처의 온도를 측정하기에는 한계가 있다.

이에 본 발명은 수입제인 CERNOX 온도 센서에 포함된 탄소피막저항의 특성을 일반적으로 쉽게 싸고 쉽게 구할수 있는 도2와 같은 탄소피막저항을 처리하여 CERNOX 온도 센서에 포함된 탄소피막저항의 특성과 동일한 특성을 갖는 탄소피막저항으로 구현할 수 있는지를 규명하고자 했다.

CERNOX 온도 센서는 액체 헬륨 온도 4.2 K을 포함한 약 400 K까지 온도 측정이 가능하다. 초극저온의 온도 검출을 위하여 열전달 및 열 반응성을 극대화한 제품이다.

다만, PT-100과 같은 표준 곡선 IEC 751을 따르지 않기 때문에, 모든 제품에 대해 온도-저항 특성 교정을 수행해야한다.

이에, 극저온 온도 센서의 물리량(전기저항)을 온도값으로 환산·측정하는 트랜듀서(Transducer) 장비에는 교정이 필요한 온도센서를 위해 장치 외부에 온도-저항 특성 입력 장치를 구성한다.

본 발명은 탄소피막저항을 사용한 열처리를 통하여, CERNOX 온도 센서와 같은 극저온 온도센서의 특성을 구비하도록 구현하는 방법을 제시한다.

도 4는 본 발명에 의한 탄소피막저항의 단계별 열처리 방법에 대한 개념설명도이다.

도시된 바처럼, 본 발명에서는 현재 쉽게 구입이 가능한 값싼 저항인 탄소피막저항을 열처리하여, 전량 수입제인 CERNOX 온도 센서와 같은 극저온 온도센서의 특성을 구비하도록 하고 있다.

일반적인 탄소피막저항의 경우, 한번 사용이 된 이후에는 동일한 온도에서 다른 저항값을 나타내기 때문에 다시 재사용이 불가능하였다.

본 발명에서는 온도센서에 구성되는 상기 탄소피막저항의 열처리 방법은 극저온 온도인 4K(영하 269.15℃) 근처에서 300K 근처까지 계속적인 가열처리와 냉각처리를 반복하도록 구성된다.

CERNOX 온도 센서와 같이 극저온온도에서 재사용이 가능한 하려면 같은 온도에서 같은 저항값을 나타내야 한다.

이에 계속되는 가열과 냉각을 반복한 결과, 일정횟수를 지나면 해당 탄소피막저항의 저항값이 동일온도에서 동일한 저항값의 특성을 구성하였다.

도 5a 내지 도 5b는 본 발명에 의한 탄소피막저항의 단계별 열처리에 따른 탄소 피막 저항의 온도-저항 특성을 나타낸 그래프이다.

도시된 바를 참조하면, 탄소피막저항을 첫번째로 가열처리하여 극저온 온도인 4K(영하 269.15℃) 근처에서 300K 근처까지 계속적인 가열처리를 하게 된다.(1단계)

NTC 온도센서의 특성으로 저항-온도는 반비례하게 된다.

다음으로, 가열처리된 탄소피막저항을 다시 300K 근처에서 냉각처리하여 4K(영하 269.15℃) 근처까지 계속적인 냉각처리를 하게 된다.(2단계)

다음으로 탄소피막저항을 다시 가열처리하여 극저온 온도인 4K(영하 269.15℃) 근처에서 300K 근처까지 계속적인 가열처리를 하게 된다.(3단계)

이러한 방식으로 8단계까지 탄소피막저항을 가열과 냉각을 반복하게 되면, 어떤 단계부터는 일정온도에서 일정한 저항값을 나타내는 특성을 보여주고 있다.(9단계)

각 단계별 가열과 냉각시에 온도-저항값을 도면과 아래의 표 1에서 나타내고 있다.

T	R(1차)	R(2차)	R(3차)	R(4차)	R(5차)	R(6차)	R(7차)	R(8차)	R(9차)
4.1997	202.8665	203.0415	203.0281	203.0965	203.1097	203.152	203.1531	203.1531	203.1531
4.78365	196.8193	196.862	196.9748	196.9623	197.0288	197.0266	197.0722	197.0662	197.0662
5.45165	191.2861	191.5027	191.4458	191.4576	191.4861	191.6193	191.5506	191.6891	191.6891
6.20985	186.2606	186.2588	186.3841	186.3598	186.4484	186.3588	186.4833	186.406	186.406
7.07605	181.5681	181.5728	181.6883	181.623	181.7521	181.6844	181.7946	181.7265	181.7265
8.0606	177.1151	177.1151	177.2287	177.1832	177.2993	177.2268	177.334	177.2554	177.2554
9.1807	173.1155	173.0873	173.1856	173.1504	173.2493	173.1946	173.2934	173.2271	173.2271
10.4631	169.1633	169.3064	169.2379	169.3703	169.3015	169.4115	169.3431	169.4332	169.4332
11.919	165.6657	165.7745	165.8003	165.8429	165.8217	165.8881	165.8638	165.9288	165.9288
13.5783	162.3729	162.4892	162.48	162.5415	162.5343	162.5887	162.5769	162.6346	162.6346
15.46855	159.2752	159.3923	159.3769	159.4532	159.4376	159.4935	159.482	159.5283	159.5283
17.62355	156.3642	156.4789	156.4647	156.5412	156.5302	156.5832	156.5699	156.6035	156.6035
20.077	153.6288	153.7373	153.745	153.8331	153.8005	153.8299	153.8397	153.9144	153.9144
22.87175	151.0687	151.198	151.1964	151.2657	151.2329	151.297	151.2703	151.3018	151.3018
26.05895	148.6269	148.735	148.7352	148.7923	148.7907	148.8283	148.8342	148.8758	148.8758
29.68575	146.3269	146.4528	146.4338	146.4784	146.4948	146.5192	146.5288	146.5608	146.5608
33.81855	144.1319	144.2217	144.2419	144.3008	144.2985	144.3109	144.3416	144.3579	144.3579
38.5262	142.0705	142.1186	142.1534	142.1789	142.2088	142.2183	142.2677	142.2854	142.2854
43.89005	140.0622	140.1129	140.1633	140.1765	140.2205	140.2189	140.2533	140.254	140.254
50.0025	138.1668	138.1839	138.2668	138.2456	138.3237	138.2885	138.3605	138.3303	138.3303
50.0021	138.1665	138.1829	138.2666	138.2447	138.3178	138.2869	138.3585	138.3298	138.3298
57.4395	136.2593	136.2363	136.3505	136.3017	136.4075	136.346	136.4447	136.3836	136.3836
65.9802	134.4378	134.3783	134.5306	134.4404	134.5853	134.5173	134.6177	134.523	134.523
75.7985	132.7031	132.5832	132.7884	132.653	132.8369	132.7185	132.8832	132.7322	132.7322
87.07075	131.0424	130.8671	131.1258	130.946	131.1785	131.02	131.2156	131.0235	131.0235
100.0198	129.4196	129.2145	129.5087	129.2951	129.5555	129.3499	129.5962	129.3763	129.3763
100.0203	129.4298	129.2138	129.4976	129.2929	129.5481	129.3449	129.5881	129.3747	129.3747
111.6335	128.1879	127.9582	128.269.159	128.0452	128.3491	128.1195	128.3725	128.1287	128.1287
124.5976	126.9913	126.7344	127.0807	126.8242	127.1348	126.88	127.1752	126.9087	126.9087
139.0637	125.8288	125.5494	125.9269.15	125.6411	125.9734	125.6912	126.0168	125.7259	125.7259
155.2118	124.6829	124.3976	124.7904	124.4996	124.838	124.5448	124.9059	124.5763	124.5763
173.2352	123.5615	123.269.154	123.6633	123.3774	123.7153	123.4434	123.7558	123.4543	123.4543
193.3483	122.4327	122.183	122.5371	122.275	122.5918	122.3231	122.6364	122.3476	122.3476
215.8028	121.2941	121.1562	121.4143	121.2516	121.4656	121.2999	121.5049	121.3313	121.3313
240.869	120.1455	120.0382	120.2788	120.1487	120.302	120.1755	120.3442	120.196	120.196
268.843	118.9519	118.8758	119.0527	118.9608	119.1046	119.0103	119.1388	119.0337	119.0337
300.1044	117.7173	117.6766	117.8003	117.7615	117.8371	117.8004	117.8734	117.7907	117.7907

앞선 표1은 탄소피막저항의 열처리단계별 온도-저항값을 나타내며, 이를 참조하면, 탄소피막저항의 가열과 냉각을 반복하게 되면서 9단계에서는 8단계와 변함없는 일정온도에서 일정한 저항값을 나타내는 것을 알수가 있다.

도 6은 본 발명에 의한 단계별 열처리에 따른 탄소 피막 저항의 특정온도에서 저항값을 비교한 그래프이다.

도시된 바는, 탄소피막저항의 열처리 단계별로 특정온도(T = 4.1997K)에서 저항값을 나타낸다.

1단계 가열처리시에 특정온도(T = 4.1997K)에서 저항값은 202.8662Ω(단위: 오움)임을 알 수 있으며, 2단계에서는 203.041Ω 임을 알수가 있다.

또한, 도시된 그래프에서 처럼, 특정온도(T = 4.1997K)에서 저항값은 단계별로 조금씩 차이를 보이고 있음을 알수 있으며, 9단계부터는 8단계와 변함없는 저항값을 유지하고 있음을 보여주고 있다.

본 발명의 탄소피막저항을 포함하는 온도센서를 열처리하여 제작한 극저온 온도센서는 앞서 기술한 PT-100과 같은 표준 곡선 IEC 751을 따르지 않기 때문에, 모든 제품에 대해 온도-저항 특성 교정을 수행해야한다.

이에, 극저온 온도 센서의 물리량(전기저항)을 온도값으로 환산·측정하는 트랜듀서(Transducer) 장치에는 교정이 필요한 상기 탄소피막저항을 열처리하여 제작한 극저온 온도센서를 위해 장치 외부에 온도-저항 특성 교정입력장치를 구성한다.

보다 구체적으로는, 70 K 이하 사용시 민감도의 급격한 저하로 인하여 저항-온도 특성 곡선을 교정해야 하므로, 이에 저항-온도 특성 교정 곡선 입력이 가능하도록 교정입력장치를 구성하는 것이다.

따라서, 트랜듀서에는 저항-온도 특성 교정 곡선 입력 기능을 구비하도록 구성되며, 초극저온에 사용하는 온도센서의 경우는 모든 온도 영역에서 저항-온도 특성 곡선 교정을 수행하여야 하기에, 교정된 곡선이 입력 가능하도록 트랜듀서 장치외부에 교정입력장치를 구성하게 되는 것이다.

상기 교정입력장치에는 저항-온도 특성 곡선 입력이 용이하도록 IT기술 기반의 User Interface를 제공하고, OPEN Source 기반으로 하여 사용자가 직접 필요한 프로그램을 할 수 있는 API가 제공되도록 구성된다.

상기 교정입력장치에는 바람직하게는, 최소 3개, 최대 64 개의 저항-온도 특성 값을 입력할 수 있는 채널을 두어 데이터 보간이 용이하게 하며, 이에 트랜듀서는 다수 채널 온도 측정 가능해진다.

또한, 본 발명은 트랜듀서 장비의 재시작에도 불구하고 각 채널에서 사용했던 저항-온도 특성 값을 재입력할 필요가 없도록, 기존에 입력했던 저항-온도 특성 값을 유지하도록 롬을 구성하며, 트랜듀서 장비의 재시작시에 롬에 저장했던 값을 불러오는 기능이 추가된다.

또한, 본 발명은 극저온 온도 측정에 필요한 정밀도를 높이기 위하여 4단자 Kelvin 측정 방법을 적용하며, 이에 더하여 기생 온도 노이즈를 줄이기 위한 양방향 여자 전류 공급 기술을 사용한다.

또한, 극온도 측정시 온도센서 자체 및 온도센서 신호에 오류가 발생할 수 있는데, 이를테면, 개방이나 단락이 발생했을 경우에 오류를 사용자에게 인지해주는 기능이 구비된다.

또한, 트랜듀서가 복잡한 초전도자석의 일부분으로 유연하게 통합되기 위해서 TCP/IP 환경하에서 사용자가 온라인에 접속하여 온도 확인이 가능하도록 산업용 통신 BUS 제공 기술이 필요한데 이에 본 발명은 산업용 BUS(ModBus TCP) Driver를 제공하면서 ModBus TCP를 구성한다.

또한, 트랜듀서에는 극저온 상태가 특정 구간 내에서 유지되지 않았을 때 알람을 제공하도록 Interlock 기능이 구비된다.

또한, 극저온 온도측정시에 측정시에 측정 스테이지(stage)를 일정한 온도로 유지할 필요가 있는데, 이에 본 발명의 트랜듀서에는 부가기능으로서 극저온 온도 제어기(Cryogenic Temperature Controller)를 별도로 두어 극저온 온도 측정에 추가로 하여 측정 Stage를 일정한 온도로 유지하도록 구성한다.

상기 극저온 온도 제어기(Cryogenic Temperature Controller)는 극저온에서 사용자가 지정한 온도에 도달하도록 온도를 제어하는데, 이에 극저온 온도 제어기는 히터를 두고 있으며, 히터의 출력은 PWM방법을 통해서 최대 200W까지 출력이 가능 하도록 하고, 히터의 출력은 피드백 제어를 통해 동작하게 된다.

또한, 극저온 온도 제어기는 다수 채널 온도 제어 가능하도록 구성된다.

이때, 극저온 온도 제어기의 온도제어는 통상적인 PID 제어 알고리즘으로 상변화에 대한 외란을 극복할 수 없을 가능성이 있기 때문에 본 발명은 극저온 온도 제어에 적합한 Modern Control 기법인 강인제어방법으로 구성된다.

극저온 온도 제어기에서 강인제어방법을 구현하기 위해, 강인제어 장치가 동작가능한 Digital platform 으로 구성된다.

이상 본 발명의 상세한 설명에서는 도시된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 구성은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.

Claims (4)

1. 극저온 온도를 측정하는 극저온 온도센서를 이용한 시스템에 있어서,
   탄소피막저항을 포함하는 온도센서를 극저온 온도인 4.1997K에서 300.1044K까지 가열과 냉각을 반복하되, 일정온도에서 일정한 저항값을 나타내는 특성을 보일때까지 반복하여 제작된 극저온 온도센서; 및
   상기 극저온 온도 센서의 전기저항을 온도값으로 환산·측정하는 트랜듀서를 포함하여 구성되며,
   상기 트랜듀서에는 70 K 이하 사용시 민감도의 급격한 저하로 인하여 저항-온도 특성 곡선을 교정이 필요시 극저온 온도센서의 저항-온도 특성 교정 곡선 입력이 가능하도록 외부에 교정입력장치가 구성되며,
   상기 교정입력장치에는 저항-온도 특성 교정 곡선 입력이 용이하도록 OPEN Source 기반으로 하여 사용자가 직접 필요한 프로그램을 할 수 있는 API가 유저인터페이스로서 제공되며, 최소 3개, 최대 64 개의 저항-온도 특성 값을 입력할 수 있는 채널을 두어 데이터 보간을 용이하게 하면서 상기 트랜듀서에서 다수 채널 온도 측정이 가능하도록 하며,
   상기 트랜듀서에는 극저온 온도측정시에 측정 스테이지(stage)를 일정한 온도로 유지하도록 극저온 온도 제어기를 구성하며,
   상기 극저온 온도 제어기는 극저온에서 사용자가 지정한 온도를 제어하도록 히터를 구성하며, 상기 히터의 출력은 PWM방법을 통해서 출력조절하며 상기 히터의 출력은 피드백 제어를 통해 동작하도록 구성된 것을 특징으로 하는 재사용이 가능한 극저온 온도센서를 이용한 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제

Images