카이스트 소형 초저온 냉각장치 개발... 시스템 크기 '확' 줄였다

[녹색경제신문 = 이지웅 기자] 정상권 카이스트 기계공학과 교수 연구팀이 세계 최초로 자기장 변화를 이용해 절대온도 0도에 가까운 온도를 구현하는 방식의 단열 탈자 냉동기와 흡착식 냉동기를 통합한 구조를 제안했다. 이를 통해 절대온도 0.3 K(섭씨 -272.85도)의 냉각 온도를 달성했다.

통상적으로 초저온 냉각에는 동위원소인 헬륨-3과 헬륨-4의 혼합물을 이용한 희석식 냉동기를 사용했다. 이 때 헬륨-3의 가격이 매우 비싸고, 밀도가 낮은 탓에 상온부에 거대한 기체 순환 장치가 요구돼 시스템의 크기가 거대하다는 단점을 가지고 있었다. 

이에 연구팀은 값이 비싼 헬륨-3을 냉매로 사용하지 않으면서 비교적 소형의 크기로 초저온을 달성할 수 있는 냉각장치를 개발하고자 했다. 

이후 연구팀은 헬륨-3 없이도 작동 가능한 소형 단열 탈자 냉동기를 개발했다. 기체 압축과 팽창을 통한 기존 냉각 방식과 달리 자성 물질(magnetic material)의 자기적(magnetic) 압축과 팽창을 가능하게 하는 초전도 자석을 사용해 기존의 대형 기체 순환 장치를 대체하면서 시스템의 크기를 줄였다. 

단열 탈자 냉동기는 기계적 움직임 없이 구성되어 신뢰성과 냉각 효율이 높지만, 작동 온도 범위가 제한적이였다. 연구팀은 이를 보완하기 위해 4 K(-269.15℃) 냉각 온도를 제공하는 상용 극저온 냉동기와 액체 헬륨-4의 증발 냉각 효과를 이용한 흡착식 냉동기를 통합한 구조를 채택했다.

또한 국산 초전도 선재로 제작한 초전도 자석을 통해 최대 4 T의 중심 자기장을 생성해 단열 탈자 냉동기를 구동했다. 자성 물질은 상용 냉동기와 흡착식 냉동기로 약 1.5 K(섭씨 -271.65도)까지 예냉되며, 이후 초전도 자석의 자기장 변화를 통해 최종 0.3 K(섭씨 -272.85도)까지 냉각된다. 현재까지 수십 차례의 연속작동을 테스트를 수행한 상황에서 개발된 냉동기의 성능은 일관적으로 유지됐다. 

정 교수는 “이번에 개발한 ‘통합형 단열 탈자 냉동기’는 소형화와 단순성을 모두 갖춘 혁신적인 초저온 냉각 방식으로 다양한 양자 소자 냉각에 활용될 것으로 기대된다”며 “앞으로 더 낮은 온도를 구현할 수 있는 자성 물질을 선택한다면 기존 희석식 냉동기를 완전히 대체할 수 있을 것”이라 전했다. 

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 수행됐다.