[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 값비싼 냉매를 사용하지 않으면서 매우 작은 크기로 초저온을 달성할 수 있는 냉각장치를 개발하는 데 성공했다.

한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 정상권 교수팀이 세계 최초로 자기장 변화를 이용해 절대온도 0도에 가까운 온도를 구현하는 단열 탈자 냉동기와 흡착식 냉동기 통합 구조를 제안했다고 19일 밝혔다. 또 이를 통해 절대온도 0.3K(섭씨 –272.85도)의 냉각 온도를 달성하는데 성공했다.

흡착식 냉동기는 활성탄 등 고체인 흡착제 표면에 기체가 달라붙는 흡착현상을 이용, 흡착제의 온도를 조절해 액체를 감압시켜 냉각효과를 생성하는 냉각 방식이다.

초저온 냉각을 위해 동위원소인 헬륨-3과 헬륨-4의 혼합물을 이용하는 희석식 냉동기(dilution refrigerator)가 일반적으로 사용되고 있지만 헬륨-3은 고가에다 밀도가 매우 낮아 거대한 기체순환장치가 필요, 시스템 크기가 거대하다는 단점이 있다.

희석식 냉동기는 헬륨-3이 희석되는 과정에서 열을 흡수하는 원리를 이용한 냉각 방식으로, 주로 양자컴퓨팅이나 초전도 연구 등 극저온 환경이 필요한 실험에 사용한다.

이번에 연구팀은 값 비싼 헬륨-3을 냉매로 사용하지 않으면서 비교적 소형의 크기로 초저온을 달성할 수 있는 냉각장치를 개발했다.

KAIST 연구팀은 기체 압축과 팽창을 통한 기존 냉각 방식과 달리 자성물질의 자기적 압축과 팽창을 가능케 하는 초전도 자석으로 기존 대형 기체순환 장치를 대체해 시스템을 소형화했다고 설명했다.

또 연구팀은 4K(-269.15℃) 냉각 온도를 제공하는 상용 극저온 냉동기와 액체 헬륨-4의 증발 냉각 효과를 이용한 흡착식 냉동기를 통합한 구조를 채택, 작동 온도범위가 제한적였던 단열 탈자 냉동기의 문제도 보완했다.

이어 국산 초전도 선재로 제작한 초전도 자석을 통해 최대 4T(일반적인 냉장고 자석의 세기는 0.001T) 중심 자기장을 생성해 단열 탈자 냉동기를 구동했다.

자성물질은 상용 냉동기와 흡착식 냉동기로 약 1.5K(섭씨 –271.65도)까지 예냉되며 이후 초전도 자석의 자기장 변화를 통해 최종 0.3K(섭씨 –272.85도)까지 냉각된다.

연구팀은 현재까지 수십 차례의 연속작동 테스트를 수행했으며 개발된 냉동기가 성능 저하없이 안정적으로 작동함을 확인했다.   
 
KAIST 기계공학과 권도훈 박사과정이 참여한 이번 연구 결과는 2025년 5월 미국항공우주국(NASA)이 주관하는 우주 극저온 워크샵(SCW)에서 발표될 예정이다.(논문명: Performance evaluation of a sub-Kelvin adiabatic demagnetization refrigerator (ADR) integrated with a 4He sorption cooler)      

정상권 교수는 "이번에 개발한 통합형 단열 탈자 냉동기는 소형화와 단순성을 모두 갖춘 혁신적인 초저온 냉각 방식으로 다양한 양자소자 냉각에 활용될 것"이라며 "더 낮은 온도를 구현할 수 있는 자성물질을 선택한다면 기존 희석식 냉동기를 완전히 대체할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.


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