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존슨-나이퀴스트 소음의 역사: 이 발견이 우리 기술을 어떻게 변화시켰습니까?
전자공학의 역사에서 한 가지 유형의 소음은 어디에나 존재하는 것으로 간주됩니다. 바로 Johnson-Nyquist 소음입니다. 뜨거운 입자의 움직임으로 인해 발생하는 이러한 전자 노이즈는 인가된 전압에 관계없이 존재하므로 모든 전자 회로에서 피할 수 없는 부분입니다. 이 노이즈의 영향은 약한 신호가 습기에 묻혀 전기 측정 장비의 감도를 제한할 수 있는 라디오 수신기와 같은 민감한 전자 장비에서 특히 두드러집니다. 기술이 발전함에 따라 이 소음을 관리하고 줄이는 방법에 대한 질문이 흥미로워지고 있으며, 이것이 바로 Johnson과 Nyquist가 기여한 것입니다.
존슨 잡음은 전기 도체 내에서 전하를 띤 캐리어(일반적으로 전자)의 열 운동에 의해 생성되며 전압이 인가되거나 인가되지 않은 상태에서 평형 상태에서 발생합니다.
열잡음의 역사
열 잡음의 역사는 알버트 아인슈타인(Albert Einstein)이 그해 유명한 출판물에서 열 변동 측면에서 브라운 운동을 처음 설명했던 1905년으로 거슬러 올라갑니다. 이듬해 그는 이 현상이 열적으로 여기된 전류에 대한 이론을 도출하는 데에도 사용될 수 있다고 제안했지만, 계산을 완료하지는 않았으며 이를 검증할 수 없는 이론으로 취급했습니다. 그러나 시간이 지남에 따라 이론은 실제적인 적용과 발전을 보였습니다.
1912년 헤르만 로렌츠의 딸 거트루드 드 하스-로렌즈(Gertrude de Haas-Lorenz)는 박사 논문 연구에서 아인슈타인의 확률론을 확장하여 처음으로 전자에 적용하고 열전류의 평균 제곱값에 대한 공식을 도출했습니다. 1918년에 열 소음을 연구하던 중 Walter H. Schottky는 우연히 또 다른 유형의 소음인 사격 소음을 발견했습니다. 1927년 후반에 Fritz Zelnick은 고감도 검류계 테스트에서 열 잡음에 대해 동일한 결론에 도달했습니다. 그는 소음이 본질적으로 열적이라고 결론지었습니다.
1928년 논문에서 Nyquist는 열역학 및 통계 역학의 원리를 사용하여 John의 실험 결과를 설명하고 공식적으로 발표했습니다. 이 발견은 이후의 전자 제품 개발에 큰 영향을 미쳤습니다.
현대 기술에서의 열잡음의 응용
전자 기술이 발전함에 따라 민감한 전자 장비에 존슨-나이퀴스트 노이즈가 미치는 영향이 점점 더 주목을 받고 있습니다. 어떤 경우에는 이 노이즈가 측정의 주요 제한 요소가 될 수도 있습니다. 따라서 전파 망원경 수신기와 같은 많은 민감한 전자 장치는 신호 대 잡음비를 개선하기 위해 종종 몇 켈빈 정도의 낮은 온도로 냉각됩니다.
측정 및 적용
또한 Johnson-Nyquist 잡음의 특성은 Johnson 잡음 열량계로 알려진 정밀 측정 기술에도 사용됩니다. 2017년 NIST(국립표준기술연구소)는 이 기술을 사용하여 3ppm 미만의 정확도로 볼츠만 상수를 측정했습니다. 이는 볼츠만 상수를 실험적으로 측정 가능한 상수로 만들 뿐만 아니라 2019년 켈빈의 재정의를 위한 토대를 마련합니다.
향후 과제와 전망
그러나 기술이 비약적으로 발전했음에도 불구하고, 어떻게 노이즈를 더욱 줄여 전자기기의 감도를 향상시킬 것인가는 여전히 중요한 문제입니다. 또한 많은 연구자들은 열 잡음으로 인한 문제를 극복하고 더 높은 정밀도의 측정을 달성하기 위해 새로운 재료나 새로운 구조를 탐구하고 있습니다.
미래 기술의 과제에 직면하여 전자 시스템에서 Johnson-Nyquist 잡음을 효과적으로 제어하고 줄일 수 있는지 여부는 보다 민감하고 효과적인 전자 기술을 결정하는 중요한 상징이 될 것입니다.
궁극적으로 기술 개발 과정에서 어떻게 존슨-나이퀴스트 잡음에 대한 지식을 보다 효율적인 응용 기술로 변환하고 장비 성능에 미치는 영향을 줄이는 것이 많은 과학자들이 직면해야 하는 과제일까요?
