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초냉각 회로가 신호를 더 선명하게 만드는 이유는? 저온학의 신비를 밝혀내다!
전자 기기 분야에서 신호 선명도를 최적화하는 것은 엔지니어에게 늘 중요한 과제였습니다. 핵심 사항 중 하나는 극저온 기술을 사용하여 소음을 줄이고 신호 대 잡음비를 개선하는 것입니다. 이 글에서는 초저온 회로가 어떻게 작동하는지, 그리고 왜 이렇게 깨끗한 환경에서 신호가 더 선명하게 전송될 수 있는지 알아보겠습니다.
소위 존슨-나이퀴스트 잡음은 전기 도체 내에서 전자의 열 운동에 의해 생성되는 잡음으로, 어떠한 전압이 인가되더라도 자동적으로 발생하는 현상입니다.
이러한 유형의 잡음은 모든 회로에서 흔히 발생하지만, 특히 라디오 수신기와 같이 열 잡음이 있는 민감한 전자 장비에서 더욱 그렇습니다. 이러한 장비의 경우 약한 신호가 열 잡음으로 인해 가려질 수 있습니다. 따라서 이러한 장치의 감도를 높이기 위해 많은 민감한 전자 부품(예: 무선 망원경 수신기)을 절대 영도에 가까운 온도로 냉각하여 신호 대 잡음비를 크게 개선합니다.
열 소음이란 무엇인가요?
열 잡음은 존슨 잡음이라고도 하며, 전기 도체 내에서 전자의 무작위적 움직임에 의해 생성되는 잡음입니다. 이상적인 저항기에서 이 노이즈의 특성과 강도는 다음 공식으로 표현됩니다.
Vn² = 4kBTΔfR
여기서 kB는 볼츠만 상수, T는 절대 온도, Δf는 대역폭, R은 저항 값입니다. 이 공식은 온도가 증가함에 따라 열 잡음이 증가하는 방식을 보여줍니다. 즉, 주변 온도가 낮아지면 열 잡음도 감소하여 궁극적으로 신호가 더 선명해지는 것입니다.
냉각된 전자 장치는 열 잡음의 영향을 크게 줄여 수신 중에 신호를 더 안정적으로 유지합니다.
저온학은 어떻게 신호 선명도를 향상시키나요?
저온 처리 공정 동안 장비는 다음과 같은 이점을 얻을 수 있습니다.
<저>열 잡음 감소: 낮은 온도에서는 전자의 열 운동이 감소하고, 이와 관련된 잡음도 감소합니다. 이는 특히 고감도 측정을 수행하는 전자 장치에서 중요합니다.
신호 감도 증가: 노이즈가 감소함에 따라 신호 감도는 계속 증가하고 약한 신호도 수신할 수 있습니다.
저온에서의 열 잡음의 응용 사례
저온 기술의 적용이 증가함에 따라, 많은 첨단 과학 기술 분야에서 이 기술을 사용하여 고정밀 측정을 수행하기 시작했습니다. 주목할 만한 사례 중 하나는 2017년에 NIST(미국 국립표준기술원)가 존슨 소음 열 측정을 사용하여 볼츠만 상수를 측정한 것입니다. 이 측정의 불확도는 3ppm 미만이며, 이를 통해 새로운 기반의 재정의가 가능해졌습니다.
이 연구 작업의 핵심은 전압 측정과 열 잡음 기술을 결합하여 고정밀 측정 결과를 얻는 것입니다.
결론극저온 기술은 전자 장비의 성능에 큰 영향을 미칠 뿐만 아니라, 과학적 측정의 정확도를 크게 향상시킨다고 할 수 있습니다.
전자장치에 있어서 극저온 기술의 역할을 과소평가해서는 안 됩니다. 이 기술의 개발은 통신 장비의 성능을 향상시킬 뿐만 아니라, 고정밀 과학적 측정에 중요한 지원을 제공합니다. 저온 기술에 대한 연구가 심화됨에 따라 앞으로 더 많은 획기적인 응용 프로그램이 등장할 것으로 예상할 수 있습니다. 이것이 새로운 기술 혁명을 촉발할까요?
