한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)이 값비싼 냉매를 사용하지 않고, 소형 크기로 초저온을 달성할 수 있는 냉각장치 개발에 성공했다.
KAIST는 정상권 기계공학과 교수팀이 세계 최초로 자기장 변화를 이용해 절대온도 0도에 가까운 온도를 구현하는 단열 탈자 냉동기와 흡착식 냉동기를 통합한 구조를 구현, 절대온도 0.3K(영하 272.85도)를 달성했다고 19일 밝혔다.
초저온 냉각을 위해 일반적으로는 동위원소인 헬륨-3과 헬륨-4 혼합물을 이용한 희석식 냉동기가 사용돼 왔다.
하지만 희석식 냉동기는 값이 매우 비싸고 밀도가 낮은 헬륨-3을 사용하는 시스템이다. 거대한 기체 순환 장치가 요구돼 시스템 크기가 거대하다.
이번 연구에서는 값이 비싼 헬륨-3을 냉매로 사용하지 않으면서 비교적 소형의 크기로 초저온을 달성할 수 있는 냉각장치를 개발하고자 했다.
연구팀은 헬륨-3 없이도 작동 가능한 소형 단열 탈자 냉동기를 개발했다. 기체 압축과 팽창을 통한 기존 냉각 방식과 달리 자성 물질의 자기적 압축과 팽창을 가능하게 하는 초전도 자석으로 기존 대형 기체 순환 장치를 대체해 시스템을 소형화했다.
단열 탈자 냉동기는 기계적 움직임 없이 구성되어 신뢰성과 냉각 효율이 높지만, 작동 온도 범위가 제한적이라는 단점이 있다. KAIST 연구팀은 이를 보완하기 위해 4K(영하 269.15도) 냉각 온도를 제공하는 상용 극저온 냉동기와 액체 헬륨-4의 증발 냉각 효과를 이용한 흡착식 냉동기를 통합한 구조를 채택했다.
또 국산 초전도 선재로 제작한 초전도 자석을 통해 최대 4T의 중심 자기장을 생성해 단열 탈자 냉동기를 구동했다. 자성 물질은 상용 냉동기와 흡착식 냉동기로 약 1.5K(영하 271.65도)까지 예냉되며, 이후 초전도 자석의 자기장 변화를 통해 최종 0.3K까지 냉각된다.
정상권 교수는 “통합형 단열 탈자 냉동기는 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”이라고 말했다.
한편 권도훈 박사과정이 참여한 이번 연구 결과는 새해 5월 미국항공우주국(NASA) 주관 우주 극저온 워크샵(SCW)에서 발표될 예정이다. 과학기술정보통신부 지원으로 연구가 수행됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
