산·연 협력결실, 극저온 냉각장치 국내최초 개발

[산업일보]
국내 최초로 초전도 가속관 개발의 필수기술인 영하 271도 (2K) 극저온 냉각장치 개발과 구현실험에도 성공했다. 산·연(産ㆍ硏) 협력을 통한 영하 271도(2K) 극저온 냉각장치 개발 및 실험성공으로 압력제어 기술과 열 차폐 설계 분야의 국내기술 수준이 크게 진일보하게 됐다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 기초과학연구원 중이온가속기 건설구축사업단(단장 정순찬, 이하 ‘사업단’)과 산업체와의 협력을 통해 2013년도 중반부터 개발에 착수해 초유체 헬륨을 생성해 초저온ㆍ저진공 상태에서 누설없이 보관하는 대용량(30W)냉각장치를 자체 설계했다며 지난해 3월부터 올 6월까지 국내 산업체들과 함께 장치제작과 시스템 설치, 예비시험 등을 마치고 최근 이를 활용한 2K 실험을 국내 최초로 성공했다고 밝혔다.

가속기 빔의 안정적 가속을 위해 진공상태인 초전도 가속관 내부를 최적의 온도조건인 영하 271도(2K) 상태로 만드는 극저온 냉각기술로 국가 신성장거점인 국제과학비즈니스벨트 내 중이온가속기의 성공적 구축에 필수적인 기술이다.

그 동안 국내에서는 물성(物性)연구를 위한 소용량(1W) 초유체 헬륨 생성장치만 일부에서 실험용으로 사용해 왔다. 2K 구현을 위해서 0.1 mbar 오차이내 압력제어가 가능해야하고, 저온 유지용기의 헬륨 누설률을 상온에서 1 x 10-10 mbar·l/s로 유지시킬 수 있어야 한다. 거대과학 핵융합분야 KSTAR는 영하 268.65도(4.5K)의 냉각기술을 사용하고 있다.

이러한, 초유체 헬륨의 대량생성 기술구현은 프랑스, 독일, 미국, 일본 등 세계 약 10개국 정도만 가능하다.

오는 2021년에 완공될 과학벨트 중이온가속기를 활용한 기초연구 및 활용연구가 보다 활성화되고, 산업분야의 기술파급도 클 것으로 보인다.

디지털 혁명의 필수 원소인 실리콘(Si)이 별의 내부(30억도)에서 생성되는 장면을 2K 환경의 초전도 가속기를 운전해 재현할 수 있고, 2K 조건에서 대형ㆍ대규모 물성연구가 가능해, 가속기 활용연구가 극대화될 것으로 내다보고 있다.

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 기대하고 있다.

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