KAIST, 소형 초저온 냉각장치 개발…기존 희석식 냉동기 대체 기대

한국과학기술원(KAIST)은 세계 최초로 소형 초저온 냉각장치를 개발했다고 19일 밝혔다.

정상권 기계공학과 교수 연구팀은 자기장 변화를 이용해 절대온도 0℃에 가까운 온도를 구현하는 방식의 단열 탈자 냉동기와 흡착식 냉동기를 통합한 구조를 제안했다. 이를 구현해 절대온도 0.3K(섭씨 -272.85℃)의 냉각 온도를 달성했다.

이러한 초저온 냉각을 위해 일반적으로는 동위원소인 헬륨-3과 헬륨-4의 혼합물을 이용한 희석식 냉동기(dilution refrigerator)가 사용돼왔다.

하지만 희석식 냉동기는 값이 매우 비싼 헬륨-3을 사용하며, 밀도가 매우 낮은 헬륨-3이 순환하는 시스템이기 때문에 상온부에 거대한 기체 순환 장치가 요구돼 시스템의 크기가 거대하다는 단점이 있다.

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

이에 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 자석으로 기존의 대형 기체 순환 장치를 대체해 시스템을 소형화했다.

단열 탈자 냉동기는 기계적 움직임 없이 구성돼 신뢰성과 냉각 효율이 높지만, 작동 온도 범위가 제한적이라는 단점이 있다.

KAIST 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.

또 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 –271.65℃)까지 예냉된다. 이후 초전도 자석의 자기장 변화를 통해 최종 0.3 K(섭씨 -272.85℃)까지 냉각된다. 현재까지 수십 차례의 연속작동을 테스트를 수행했으며 개발된 냉동기가 성능 저하 없이 안정적으로 작동함을 확인했다.

정상권 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”이라고 말했다.