영하 271도 극저온 냉각장치 '국내 최초' 개발…중이온가속기 핵심

과학벨트 중이온가속기 활용폭 증대 기대

저온유지 용기(왼쪽 그림)내의 4K 액체 헬륨을 상온헬륨 펌프(오른쪽 그림)와 제어 밸브를 이용해 저온유지 용기 내에서 발생되는 기체를 대기중으로 배출하면서 2K 초유체 헬륨으로 만드는 연속 과정(액체 헬륨의 증기압과 온도를 0.03 bar로 제어하며 2K 상태를 유지) [사진=미래부 제공]

아주경제 최서윤 기자 = 국내 연구진이 영하 271도(2K) 극저온 냉각장치 개발에 성공했다. 

미래창조과학부는 기초과학연구원 중이온가속기 건설구축사업단과 산업체와의 협력을 통해 초전도 가속관 개발의 필수기술인 영하 271도(2K) 극저온 냉각장치를 개발하고 구현실험에 성공했다고 4일 밝혔다. 켈빈온도(K)는 절대 영도에 기초를 둔 온도의 측정단위(K = ℃+ 273.15)다.

이번에 개발한 기술은 가속기 빔의 안정적 가속을 위해 진공상태인 초전도 가속관 내부를 최적의 온도조건인 영하 271도(2K) 상태로 만드는 극저온 냉각기술이다. 국가 신성장거점인 국제과학비즈니스벨트 내 중이온가속기 구축에 필수다.

사업단은 2013년 중반부터 개발에 착수했다. 초유체 헬륨을 생성, 초저온·저진공 상태에서 누설없이 보관하는 대용량(30W)1)냉각장치를 자체 설계한 후 국내 산업체들과 함께 장치제작과 시스템 설치, 예비시험 등을 마쳤다. 최근 이를 활용한 2K 실험을 국내 최초로 성공했다. 초유체 헬륨의 대량생성 기술구현은 프랑스, 독일, 미국, 일본 등 세계 약 10개국 정도만 가능하다.

산·연 협력을 통한 영하 271도(2K) 극저온 냉각장치 개발 및 실험성공으로 압력제어 기술과 열 차폐 설계 분야의 국내기술 수준이 크게 진일보하게 됐다. 2021년에 완공될 과학벨트 중이온가속기를 활용한 기초연구 및 활용연구가 보다 활성화되고 산업분야의 기술파급도 클 것으로 예상된다.

디지털 혁명의 필수 원소인 실리콘(Si)이 별의 내부(30억도)에서 생성되는 장면을 2K 환경의 초전도 가속기를 운전해 재현할 수 있고 2K 조건에서 대형·대규모 물성연구가 가능해 가속기 활용연구가 극대화될 전망이다.
 

주요 극저온 온도 Scale 예시 및 섭씨(C)온도와 K온도의 비교. [그림=미래부 제공]

2K 구현에 사용된 액체헬륨 압력제어 기술은 지상 송전분야의 초전도 케이블 실험 등에 필요한 온도·압력 제어시스템에 활용이 가능하고 초유체 헬륨 누설이 없고 단열효과가 우수한 저온유지 용기 제작 노하우는 의료분야 MRI용 헬륨 용기 제작에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

또한 극저온 냉각장치 제작기술을 국내에서 보유하게 됨으로써 중이온가속기 구축비용의 절감효과와 국산화 제작에 참여한 국내 업체들의 향후 해외진출 효과를 동시에 달성할 수 있을 것으로 보인다.