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CCD에서 결로(結露) 현상 제거(성래씨 질문의 보완설명)

성래씨~
어제 번개 관측시 얘기했던 질문에 대하여 보완설명합니다.

1. 액체 질소란?
액체 질소는 증발 온도가 영하 196도인 무색 투명한 액체입니다. 그러므로 질소는 인간이 살아가는 대기 온도(25도)가 너무나 높은 세상이겠지요. 뜨거워 뜨거워 몬살겠네~~ 따라서 질소는 대기에서는 항상 기체 상태로 과열(super heated)되어있습니다. 액체 질소를 보신 분들도 더러 계실겁니다. 보통 이것을 마개가 큰 보온병에 넣어서 보관하는데, 두껑을 열어보면 아주 무색 투명한 액체입니다. 여기에 손을 넣으면 절단 나겠지요. 절대 주의를 해야되고, 취급시 반드시 석면장갑을 끼고해야합니다. 액체질소 입장에서 본다면 상온의 물체가 너무나 뜨거운 물체이므로 급속하게 냉각을 시켜버립니다. 이 현상은 빨갛게 달구어진 쇠를 물속에 넣어 급속하게 냉각하는 원리과 똑 같습니다. 그 온도 대역이 다를 뿐입니다.

호기심이 많은 사람들은 액체질소가 이렇게 낮은 온도에서 증발한다면, 보온병에 보관한다하더라도 순식간에 증발하여 대기속으로 날아가야 하는데, 왜 액체 상태로 오래도록 있을 수 있을까 의아해 하는 사람도 있습니다. 그것은 질소가 공기나 모두 열전도성이 좋지 않고, 보온병은 단열이므로 열을 받을 수 없기 때문입니다. 그러나 열을 받기만 하면 순식간에 증발합니다. 그러므로 단열만 잘 시키면 장시간 액체 상태로 보관이 될 수 있는 것입니다.

그리고 증발열의 대부분은 증발 잠열(latent heat)이므로 영하 196도에서 증발하고 나면 그 다음 상온 25도까지 올라오는데 들어가는 열은 얼마되지 않습니다. 따라서 액체 질소를 사용하여 냉각한다면, 접면 부분의 온도는 영하 196도가 됩니다. 만약 접면부(ccd) 온도를 영하 100도 정도만 얻고싶다면 간접적으로 냉각되는 매개물이 있어야합니다.  

ccd에 액체질소를 흘린다면 성능이 저하 될 요인은 없습니다. 회로의 저항은 온도만의 함수이므로, 온도가 낮으면 전기전도성은 좋게 됩니다(저항치가 감소합니다). 극단적으로 절대온도 0K가 되며 저항 제로가 됩니다. 초전도가 일어나버리지요.

2. 결로(結露) 현상
특정부분의 온도가 저하되면 숙명적으로 나타나는 것이 이슬맺힘 현상입니다. 어떤 사람들은 온도가 0도 이하가 되면 물이 얼어버리기 때문에 대기 중의 수증기 없다하는 사람이 있는데 그렇지 않습니다. 절대온도 0K가 안되는 마당에는 대기중에 수증기는 존재합니다. 그래서 수증기가 적은 건조 공기를 만들려면 공기를 압축시키고 흡습제를 통하게 하여 배출시켜 모아서 탱크에 저장합니다.  

그러나 여기도 수증기는 존재하므로 품질 기준을 정할 필요가 있습니다. 많이 쓰는 건조공기는 통상 노점(露店)온도 영하 40도 정도입니다. 즉 이 공기에서는 영하 40도 이상에서는 이슬이 맺히지 않을 정도의 수분함유량입니다. 그 온도이하가 되면 당연히 이슬이 맺힙니다. 어쩔 수가 없습니다.

건호씨가 사용하는 냉각CCD에도 노점 온도(Dew point)가 나와있지싶습니다. 그러니 ccd에 냉각재를 사용하여 온도를 내릴려면, 냉각 시키는 기재값보다, 주변 공기의 건조가 더 까다로와져버려, 여기에 코스트가 더 소요되는, 배보다 배꼽이 더 커질 수가 있습니다.

3. SLR 카메라의 CCD를 냉각시켜 사진을 찍으려면...
CCD를 액체질소로 냉각시키는 것은 무지 어렵습니다. 아주 위험도 하지만 카메라로 이송 방법이 간단치 않습니다. 그렇게 했다하더라도 온도가 너무 낮아 이송 대책에 더 많은 코스트가 투입되야하겠지요.

그 대안으로 드라이아이스 냉각을 생각할 수 있습니다. 드라이아이스는 이산화탄소를 고압 압축하여 교축(Throttling)시킨 것입니다. 이산화탄소는 대기압에서 액체로 존재할 수 없습니다. 고체에서 영하 80도가 되면 바로 기체로 증발합니다(승화). 이것을 카메라로 감싸면 냉각은 됩니다.

그대신 경통 안에 흡습제가 들어가야합니다. 안 그럼 CCD에 이슬이 맺힘니다. 그런데 흡습제 양이 아주 많아야될 것같습니다. 경통안에 실리카를 듬뿍 넣어야할 것같습니다. 이건 공기조건에 따라 다르므로 해봐야 아는데 계산은 비교적 쉽게 할 수있습니다.

흡습제의 시간에 따른 흡습량과 그 날 공기의 절대습도과 경통체적을 알면 됩니다. 한번 계산해보면 대략 투입해야할 흡습제량을 알 수있습니다. 단 흡습제는 충분히 건조된 조건입니다.

이게 귀찮으면 경통에도 드라이아이스를 붙여서, CCD면이 제일 차가운 부분이 안되도록하면 됩니다. 이러면 경통에 이슬이 맺히게되겠지요.

4. 흡습제
흡습제는 어제 얘기대로 몰레큘라시브스(molecularsiebs)라는 재질이 많이 쓰이는데, 이건 미국의 유니온카바이드캄퍼니에서 독과점 생산이었니다. 요즘은 어떻게 되는지 모르겠습니다. 모델명이 XH-7이니 8이니 하여 ‘엑스’시리즈로 많이 나갑니다. 종로에 화학약품점에 가면 팔지싶습니다. 애들이 먹는 기응환같이 동글동글한 알갱이입니다.

이건 재생이 가능합니다. 물리적인 현상에 의해 수증기 분자를 흡착하는 원리이므로, 100도 이상의 온도로 데워주면 수증기 분자가 빠져나갑니다. 단 완전히 빠져나갈려면 시간이 무한대가 되어야합니다. 그러나 통상 200도 온도에서 서너시간을 데워주면 거의 다 빠져나갑니다. 물론 높은 온도에서 데워주면 더 빠른 시간에 빠져나가겠지요. 그러나 전자렌지에서는 잘 하지않고, 그냥 조그만 내화벽돌로 만들어진 전기로(온도를 100~300도로 조절할 수 있는 써모스타트가 장착된 것)에 넣어서 말립니다.

아니면 백열전등을 담아둔 상자를 만들고 그 위에 그물을 쳐서 백열전등의 온도로 말려도 됩니다. 그러나 요것도 국산 백열전등은 필라멘트가 잘 나가므로 귀찮습니다. 백열전등은 일본의 토시바(東芝)가 좋은데, 출장길에 아키하바라 전등집에 들려서 필라멘트가 잘 안끊어지는 전등을 달라고하면 줍니다. 이건 오래 씁니다.

구럼...


  • 박성래 2003.06.30 09:09 (*.159.129.2)
    잘 읽어 보았습니다.아무래도 액체 질소 보다는 펠티어 소자를 사용하는 방법을 생각해 봐야 할것 같습니다. 그 편이 비용이나 기술적으로 좀더 이득이 많을것 같습니다.
  • 이건호 2003.06.30 10:55 (*.101.108.100)
    거의 모든 CCD들이 펠티어 소자를 이용하고 있는거만 봐도 그쪽이 맞는 이야기일거에요. 천문대에 질소관련 CCD장비를 잠깐 보았는데, 우리같은 아마추어는 엄두를 내지 말아야할 부분이었습니다. ^^

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