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세계 최초 소형 초저온 냉각장치 개발
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. 우리 연구진이 값비싼 냉매를 사용하지 않고 소형의 크기로 초저온을 달성할 수 있는 냉각장치를 개발하는 데 성공했다.
우리 대학 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.
우리 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. 우리 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.
기계공학과 권도훈 박사과정이 참여한 이번 연구 결과는 2025년 5월 미국항공우주국(NASA)이 주관하는 우주 극저온 워크숍(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.
2024.12.19 조회수 9179 -
극저온일수록 강력한 초고속 반도체 소자 개발
KAIST 연구진이 초고속 구동이 가능하고 온도가 낮아질수록 성능이 더욱 향상되어 고주파수 대역 및 극저온에서의 활용 가능성이 기대되는 고성능 2차원 반도체 소자 개발에 성공하였다.
전기및전자공학부 이가영 교수 연구팀이 실리콘의 전자 이동도와 포화 속도*를 2배 이상 뛰어넘는 2차원 나노 반도체 인듐 셀레나이드(InSe)** 기반 고이동도, 초고속 소자를 개발했다고 20일 밝혔다.
*포화 속도(Saturation velocity): 반도체 물질 내에서 전자나 정공이 움직일 수 있는 최대 속도를 가리킴. 포화 속도는 포화 전류량 및 차단 주파수(Cutoff frequency) 등을 결정하며 반도체의 전기적 특성을 평가할 수 있는 핵심 지표 중 하나임.
**인듐 셀레나이드(InSe): 인듐과 셀레늄으로 이루어진 무기 화합물로 2차원 층간 반데르발스 결합을 이루고 있음
연구진은 고이동도 인듐 셀레나이드에서의 2.0×107 cm/s를 초과하는 우수한 상온 전자 포화 속도 값을 달성하였는데, 이는 실리콘과 다른 유효한 밴드갭을 지니는 타 2차원 반도체들의 값보다 월등히 우수한 수치이다. 특히 80 K으로 냉각시 InSe의 전자 포화 속도는 최대 3.9×107 cm/s로 상온 대비 50% 이상 향상되는데, 이는 전자 포화 속도가 약 20% 정도만 상승하는 실리콘 그리고 냉각하여도 포화 속도에 거의 변화가 없는 그래핀 대비 주목할만하다. 인듐 셀레나이드의 전자 포화 속도를 체계적으로 분석하여 보고한 것은 이번이 처음이며, 연구진은 전자 포화 속도 양상의 결정 기제 또한 규명하였다.
*이종접합: 서로 다른 결정 반도체의 2개의 층 또는 영역 사이의 접점
이번 연구를 주도한 석용욱 학생은 “고성능 소자 개발을 통해 2차원 반도체 InSe의 높은 전자 이동도와 포화 속도를 확인할 수 있었다”며 “실제 극저온 및 고주파수 구동이 필요한 응용 기기에의 적용 연구가 필요하다”라고 덧붙였다.
이가영 교수는 “고주파수 전자 시스템 구현에는 높은 포화 속도가 요구되는데 이번에 개발한 고성능 전자 소자는 초고속 구동이 가능하여 5G 대역을 넘어 6G 주파수 대역에서의 동작이 가능할 것으로 예측된다”며 “저온으로 갈수록 소자의 성능이 더욱 향상되어 퀀텀 컴퓨터의 양자 제어 IC(Integrated circuit)와 같이 극저온 고주파수 구동 환경에 적합하다.”라고 말했다.
KAIST 전기및전자공학부 석용욱 박사과정 학생이 제1저자로 참여한 이번 연구는 나노과학 분야 저명 국제 학술지 `ACS Nano'에 2024년 3월 19일 정식 출판됐으며 동시에 저널 표지 논문으로 채택됐다. (논문명 : High-Field Electron Transport and High Saturation Velocity in Multilayer Indium Selenide Transistors)
한편 이번 연구는 한국연구재단의 신진연구자지원사업, 기초연구사업 및 BK21, KAIST의 C2(Creative & Challenging) 프로젝트, LX 세미콘-KAIST 미래기술센터, 그리고 포스코청암재단의 지원을 받아 수행됐다.
붙임 : 연구개요, 그림 설명, 교수 이력
2024.03.20 조회수 10215 -
양자 기체의 스핀 상관된 제트 현상 관측 및 규명
우리 대학 물리학과 최재윤 교수 연구팀이 ‘극저온 중성원자로 구성된 보즈-아인슈타인 응집체를 이용해 스핀 상관된 물질파 방출’에 성공했다. 물리학과 김경태 박사가 제 1저자로 참여한 이번 연구는 물리학 분야 권위지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’에 지난 7월 22일에 게재됐다.
극저온 중성 원자로 구현된 보즈 아인슈타인 응집체 (Bose-Einstein condensate, BEC)는 수만 개 이상의 원자들이 하나의 파동함수로 기술되는 양자 상태로, 중성 원자가 갖는 스핀 자유도를 활용하면 진공 압축 (squeezed vacuum state)상태를 구현 할 수 있으며, 이를 활용하여 다양한 양자 정보 연구를 수행할 수 있다. 양자 얽힘 상태 생성의 미시적인 과정은 두개의 스핀0인 원자가 충돌 이후 스핀1과 스핀-1로 변환되는 것으로, 생성된 스핀 쌍은 (+1,-1)와 (-1,+1)의 중첩 상태인 양자 얽힘 상태가 된다. 이러한 스핀 충돌 과정을 스핀 쌍 생성 충돌이라 하며, 이는 한 광자가 절반의 에너지를 가지 두개의 얽힌 광자로 나누어지는 과정과 매우 유사함이 알려져 있다.
현재까지 BEC에서 수행한 대부분의 양자 정보 연구는 루비둠-87 원자를 사용하였는데, 이 경우 스핀 쌍 생성률이 낮고, 생성된 양자 얽힘 상태의 원자들이 특정 위치에만 고정될 수밖에 없는 한계점이 있다. 따라서 양자 정보 처리를 목적으로 하는 비국소적 측정이나 조종을 위해서는 원자 앙상블을 나누는 과정 등이 필요하며, 이 과정에서 생성되는 추가적인 잡음을 제거하는 방법은 아직까지 보고된 바가 없다.
최재윤 교수 연구팀은 리튬-7 원자의 스피너 응집체를 이용하여 높은 운동에너지를 갖는 스핀 쌍들이 생성 이후 유도 증폭되는 것을 관측하였으며, 또한 이러한 스핀 쌍들이 서로 결맞는 상태임을 보고하여 선행 연구의 제한점을 극복하는 새로운 방향을 제시하였다.
리튬-7원자의 경우 강한 스핀 상호작용 에너지를 가짐이 오래전부터 알려져 있었으나, 양자 기체 생성의 어려움으로 인해 그동안 실험적으로 구현되지 못하였다 [이 시스템을 보유한 연구단은 아직까지 최재윤 교수 연구팀이 유일하다, Physical Review Research 2, 033471 (2020)]. 연구팀은 이차원 평면에 물질파 방출을 위해 BEC를 이차원 포텐셜에 가두었으며, 스핀0 상태의 응집체에서의 스핀 쌍을 생성 유도하였다. 생성된 스핀 쌍은 BEC를 지나며 증폭되어 충분히 많은 원자들이 포텐셜 외부로 분출되는 것을 관측했다.
아래 그림은 해당 실험의 각 스핀 성분 사진으로, 좌우의 스핀+1,-1의 중심을 기준으로 반대편에 반대 스핀 성분을 가진 원자들을 찾기 쉽다는 것을 알 수 있다. 충돌과정에서 각운동량 보존(스핀)과 선형 운동량 보존(무게중심)이 동시에 보존되어야 하기 때문에, 서로 반대 방향으로 뻗어 나가는 원자들은 필연적으로 강한 스핀 상관관계를 가지게 된다.
이번 연구에서 주목할 점은 스핀 상태의 측정 방향에 따른 상관 함수 분석을 통해, 방출된 물질파가 확장된 벨 상태의 특징적인 스핀 상관관계를 가진다는 것을 확인할 수 있었다는 점이다.
이 현상을 이용하면 비고전적 원자 앙상블의 생성과 동시에 분리가 가능해, 공간적으로 멀리 떨어진 거시적 양자 얽힘 상태를 효율적으로 생성할 수 있을 것으로 전망한다.
해당 연구는 최순원 교수(Berkeley/MIT)와의 협력 연구를 통해 진행됐으며, 삼성 미래 기술 육성 재단 및 한국연구재단 양자 컴퓨팅 기술개발 사업의 지원을 받아 수행됐다.
2021.09.01 조회수 13506 -
정상권 교수 연구팀,극저온 냉동기 탑재형 초전도 모터 개발
- 세계최초로 회전하는 극저온 냉동기를 탑재한 ‘초전도 모터’ 개발
기계공학과 정상권 교수 연구팀이 회전하는 극저온 냉동기를 탑재해 영하 210도 이하로 냉각되는 초전도 모터를 세계 최초로 개발했다고 18일 밝혔다.
기존의 초전도 회전기기는 LTS(Low Temperature Superconductor; 저온 초전도체로서 주로 액체 헬륨으로 냉각) 또는 HTS(High Temperature Superconductor; 고온 초전도체로서 주로 액체 네온 또는 질소로 냉각)를 사용하는 경우, 정지된 극저온 냉동기로부터 차가운 냉각재를 회전하는 계자 코일에 공급하면서 초전도체를 임계온도 이하로 냉각하는 구조로 되어 있었다. 즉, 극저온 냉동기와 회전기기가 분리되어 초전도 모터가 작동했었다.
이러한 구조는 영하 210 도 이하의 차가운 유체를 진공으로 단열시키면서, 정지부에서 회전부 그리고 또한 정지부로 이송하는 극저온 구성품이 필요하며, 상온에서부터 극저온부로의 열침입이 필연적으로 증가하는 문제로 인하여 전체 극저온 냉동 시스템이 커져야 한다.
이번에 연구 개발한 극저온 냉동기를 탑재하는 초전도 모터의 경우에는, 극저온 냉각부를 초전도 코일과 매우 가깝게 위치시켜, 부가적인 열손실을 방지할 수 있는 장점이 있어서, 전체 시스템의 소형화가 가능한데, 지금까지는 극저온 냉동기의 특성과 초전도 코일의 설계/제작을 동시에 고려하여야 하기 때문에 쉽게 이루어지지 않았었다.
이번 연구에서는 고속으로 회전하는 상황에서도 냉각성능의 변화가 없는 축대칭 구조의 국내산 소형 스털링 냉동기가 사용됐다. 이번에 개발한 초전도 모터는 회전부와 고정부 사이에서 일어나던 극저온 유체의 이동을 철저하게 배재시키고, 유일하게 존재하는 에너지 전달 메커니즘은 전기 접촉을 통한 전기 에너지 및 온도차에 의한 열전달이다. 또한, 극저온 냉각부를 초전도 코일과 매우 가깝게 위치시켜 부가적인 열손실을 방지할 수 있는 장점이 있어서, 전체 시스템의 소형화가 가능하다. 초전도 계자코일은 차세대 유망 초전도 선재인 YBCO를 사용하여 제작했으며, 외부로 부터의 열침입 및 냉동 부하는 6W미만이고, 유도 모터의 고정자를 사용하여 90rpm 까지 회전 테스트를 수행하였다.
정 교수는 “이번에 개발된 ‘극저온 냉동기 탑재형 초전도 모터’는 소형화와 고신뢰성을 위한 초전도 회전기기의 새로운 냉각 방식으로 기술혁신적인 발상의 전환을 이루었으며, 다양한 에너지(수송, 플랜트 산업, 재생에너지) 분야에서의 응용이 기대된다”며 ”상용화를 위해 동적인 균형 문제, 초전도 선재 수급문제 해결하도록 연구를 진행중이다“고 말했다.
일반적으로 초전도 모터나 발전기는 극저온에서 전기 저항이 사라져 전류가 아무 장애없이 흐르는 초전도체의 현상을 이용한다. 따라서 전기 에너지의 효율 향상과, 동일한 용량에서는 소형화의 목적으로 차세대 전기기기로서 많은 연구가 진행되고 있다. 모터나 발전기의 구조를 보면 크게 회전자와 고정자로 구분할 수 있는데, 초전도 코일은 직류 전류가 흐르는 회전자에 적용됨으로써, 전체 에너지 변환 효율을 0.5 %내지 1% 정도 향상시킬 수 있다. 따라서, 현재까지 초전도 회전기기는 전체 효율 향상이 그에 수반되는 부가적인 극저온 냉동기의 요구 전력보다 더 큰 1 MW 급 이상의 대용량에서 매력적이다.
이러한 기기의 적용 분야는 주로 플랜트 산업에서 사용되는 전동기를 비롯하여 발전소의 대형 발전기, KTX와 같은 고속 전철, 전기 추진 방식의 선박 등 에도 확장될 수 있다.
이번연구는 교육과학기술부의 국가지정연구실사업의 지원과 차세대초전도응용기술개발사업단을 통한 한국전기연구원의 도움으로 수행됐으며, 이번 연구결과는 2010년 8월에 열리는 응용초전도학회(ASC; Applied Superconductivity Conference)에서 발표할 예정이다.
논문제목: HTS (high temperature superconductor) motor cooled by on-board cryocooler (극저온 냉동기를 회전자에 탑재한 고온 초전도 모터)
<용어설명>
○ 초전도 : 어떤 종류의 금속이나 합금을 절대영도(0 K; －273.16℃)에 가까이 냉각할 때, 전기저항이 갑자기 소멸하여 전류가 아무런 장애 없이 흐르는 현상이다. 물질마다 이러한 현상이 일어나는 임계온도가 다르며, 액체 질소의 비등점 (77 K, －196℃) 이상에서 초전도 성질을 보이는 물질을 고온 초전도체라고 한다.
○ 이트륨 바륨 구리 산화물(Yttrium barium copper oxide, YBCO) : 고온 초전도체 물질 중 하나로 임계 온도는 93 K(-180℃)로 비교적 높아 경제적인 초전도 합금 중 하나이다.
○ ASC(Applied Superconductivity Conference, 국제 응용 초전도 학회):1966년부터 국제 전기전자공학회 (IEEE Council on Superconductivity) 주관으로 격년으로 미국에서 개최되는 이 분야 최고 권위의 학회임. 전 세계로부터 많은 학자와 연구원들이 참여한 가운데 우수한 연구 성과와 정보를 교환하고 미래의 초전도 산업과 기술을 논의하는 학회로서 2010 년에는 Washington D.C. Omni Shoreham Hotel에서 8월 1일부터 6일 까지 개최될 예정이다.
○ 계자코일(Field coil) : 초전도 모터의 회전자에서 일정한 자기장을 발생시키기 위하여 감은 코일로서, 일반 구리선을 초전도선으로 대치하였을 때 주어진 크기에서 더 강한 자기장을 발생시키게 할 수 있으므로, 전체 모터의 크기를 소형화할 수 있다.
2010.03.18 조회수 28002