우주 방사선 등 미세한 에너지를 검출하는 우주용 센서나, 양자컴퓨터에 설치된 초전도 큐비트(qubit)의 양자 상태를 안정적으로 유지하기 위해서는 온도를 매우 낮게 유지해 열적 교란을 최소화하여야 한다. KAIST 연구진이 값비싼 냉매를 사용하지 않고 소형의 크기로 초저온을 달성할 수 있는 냉각장치를 개발하는 데 성공했다.
KAIST(총장 이광형)는 기계공학과 정상권 교수 연구팀이 세계 최초로 자기장 변화를 이용해 절대온도 0도에 가까운 온도를 구현하는 방식의 단열 탈자 냉동기와 흡착식 냉동기*를 통합한 구조를 제안하고 이를 구현, 절대온도 0.3 K(섭씨 -272.85도)의 냉각 온도를 달성했다고 19일 밝혔다.
*훕착식 냉동기: 활성탄 등 고체인 흡착제 표면에 기체가 달라붙는 흡착(adsorption) 현상을 이용하여, 흡착제의 온도를 조절하여 액체를 감압시켜 냉각 효과를 생성하는 냉각 방식
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, 또한 밀도가 매우 낮은 헬륨-3이 순환하는 시스템이기 때문에 상온부에 거대한 기체 순환 장치가 요구되어 시스템의 크기가 거대하다는 단점이 있다.
*희석식 냉동기: 헬륨-3과 헬륨-4 동위원소 혼합물을 사용하여, 헬륨-3이 희석되는 과정에서 열을 흡수하는 원리를 이용한 냉각 방식으로, 주로 양자컴퓨팅이나 초전도 연구 등 극저온 환경이 필요한 실험에 사용
따라서, 본 연구에서는 값이 비싼 헬륨-3을 냉매로 사용하지 않으면서 비교적 소형의 크기로 초저온을 달성할 수 있는 냉각장치를 개발하고자 하였다.
KAIST 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 자석으로 기존의 대형 기체 순환 장치를 대체하여 시스템을 소형화했다.
단열 탈자 냉동기는 기계적 움직임 없이 구성되어 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.
또한 국산 초전도 선재로 제작한 초전도 자석을 통해 최대 4 T*의 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 수행하였으며 개발된 냉동기가 성능 저하 없이 안정적으로 작동함을 확인하였다.
* 일반적인 냉장고 자석의 세기는 0.001 T 정도이며, 의료용 MRI(자기공명영상장치)에는 일반적으로 3 T의 자기장 세기를 가지는 자석이 설치되어 있음
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.
KAIST 기계공학과 권도훈 박사과정이 참여한 이번 연구 결과는 2025년 5월 미국항공우주국(NASA)이 주관하는 우주 극저온 워크샵 (SCW: Space Cryogenics Workshop)*에서 발표될 예정이다.(논문명: Performance evaluation of a sub-Kelvin adiabatic demagnetization refrigerator (ADR) integrated with a 4He sorption cooler)
*SCW(Space Cryogenics Workshop, 우주 극저온 워크샵): NASA 주관으로 2년마다 개최되는 극저온 냉각 분야 최고 권위의 학회임. NASA, 유럽의 esa, 일본의 JAXA, 그리고 한국의 항공우주연구원 등 세계 10여개국의 많은 연구원들이 참여한 가운데 우수한 연구 성과와 정보를 교환하고 미래의 극저온 냉각 기술을 논의하는 학회로서 2025년에는 Nevada Hyatt Regency Lake Tahoe Resort에서 5월 13일부터 15일까지 개최될 예정임
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 수행됐다.
