초전도와 극저온 냉동기술
Superconductivity and Cryogenic Refrigeration Technology
장 호 명 / 홍익대학교
● 기 획 시 리 즈
1. 서 론
올해는 Kamerlingh Onnes가 네덜란드 Linden대학교 의 실험실에서 초전도 현상을 처음 발견한 지 꼭 100년 이 되는 해이다. 1911년에 초전도 현상이 발견되는 역사 적인 배경에는 19세기 후반에 시작된 극저온 냉동기술 로 얻은 (매우 적은 양이었지만) 절대온도 4 K의 액체 헬 륨이 결정적인 역할을 했다. 초전도 현상의 발견 이후, 실제로 초전도체를 이용한 자석이 사용되기까지에는 무 려 40년이 넘는 오랜 시간이 소요되었는데, 그 이유도 극저온 냉동기술의 진보와 매우 밀접한 관계가 있다.
21세기의 현대 사회에서 의료용 MRI의 혜택은 거의 모든 인류가 누리고 있으며, 유전자 및 단백질 구조를 밝히는 NMR 기술, 또 거대과학으로 불리는 핵융합 기 술이나 입자가속 기술에도 초전도 자석이 이용되고 있 다. 이러한 첨단기술의 실현은 액체헬륨 온도(4 K)에서 의 효율적인 냉동기술을 바탕으로 하고 있다. 또 이보다 훨씬 높은 온도인 액체질소 온도(77 K)에서 동착하는 고온초전도체(HTS)를 이용한 송전 케이블이나 한류기 등의 전력시스템도 이제 실용화에 접근해가는 단계에 있는데, 그 성공의 열쇠 중 하나도 역시 극저온 냉각기 술의 경제성에 달려 있다고 할 수 있다.
초전도의 발견에서 실용화에 이르기까지 극저온 기
술과 초전도 기술은 서로 뗄 수 없는 운명적 관계인 셈 이다. 극저온 기술 없이 초전도 상태를 유지할 수 없고, 초전도 기기는 극저온 기술의 가장 중요한 응용 분야이 기 때문이다. 이 글에서는 극저온 냉각의 기본이 되는 절대온도 및 냉동의 원리를 열역학 관점에서 간략히 정 리한 후, 100년 전 초전도 발견을 가능하게 했던 고전적 인 헬륨의 액화 기술에서 시작하여, 현재까지 진보되고 있는 대표적인 극저온 냉동기 및 관련 기술들을 소개하 기로 한다.
2. 절대온도 및 극저온 냉동
그림 1은 절대온도 눈금에 대표적인 초전도체의 임계 온도와 극저온 액체영역을 개략적으로 나타내고 있다.
일반적으로 저온초전도체(LTS)로 가장 많이 사용되는 Nb계 초전도체는 보통 10 K 이하의 온도에서 운전되어 야 하므로, 유일한 저온유체로 액체헬륨을 이용해야 한 다. 1980년대 후반에 발견된 고온초전도체(HTS)인 Y계 또는 Bi계 산화물들은 다양한 액체로 냉각이 가능하나, 물리-화학적 안정성이나 가격 면에서 액체질소가 가장 유리하다. 21세기 초에 발견된 Mg계 초전도체는 그 사 이 온도 영역에서 운전할 수 있어, 헬륨에 추가하여 액 체 수소나 액체 네온이 이론상 냉각에 사용될 수 있다.
초전도체를 극저온으로 유지하기 위해서는 그림 2와 같이 저온(TL)에서 열부하(QL)를 흡수하여 상온(TH=300 K)에 열(QH)을 방출해야 하는데, 이 극저온 냉동을 수 행하기 위해서는 전력 또는 기계적인 동력(W)이 필요 하다. 가장 이상적인 냉동기는 열역학적으로 엔트로피 (entropy)가 전혀 생성되지 않는 가역(reversible) 과정 으로 구성되어야 하며, 이 때 필요한 최소일은
Wmin=QL∞11-1§300TL
로 계산된다. 표 1은 대표적인 초전도체의 근사적 운전 온도인 75 K (Y계, Bi계), 20 K (Mg계), 4 K (Nb계)에 대 해, 단위 (1 W) 냉동을 하는데 필요한 최소 동력 (Watts/Watt)을 나타내고 있다. 냉동 온도가 낮을수록 필요한 최소일이 기하급수적으로 점점 증가함을 알 수 있는데, 이는 기술적인 문제가 아니라, 열역학에서 정의
하는 절대온도에 따른 것으로 온도의 본질이라 할 수 있 다. 다시 말하면, 액체헬륨으로 냉각되는 Nb계 초전도 체에 비해 Mg계 초전도체와 Y계/Bi계 초전도체는 기본 적으로 각각 약 5배와 25배의 냉각 경제성을 갖고 있는 셈이다.
이런 비교는 가역 냉동을 기준으로 한 이상적인 경우 이고, 실제로 극저온을 유지하기 위해 극저온 냉동기를 사용하려면 이보다 더욱 많은 동력을 필요로 한다. 실제 냉동에 필요한 소비동력은, 실제 과정에서 생성되는 엔 트로피의 양으로 결정된다.
W=QL∞11-1§+300¥S300TL gen
여기에서 Sgen는 생성되는 엔트로피를 나타내며, 그 크기는 냉동기 사이클의 종류, 냉매의 특성, 실제 냉동 기의 성능 등에 따라 다르며, 실제 소비동력의 대체적인 크기를 표 1에 나타내었다. 다시 말하면, 액체헬륨으로 냉각되는 Nb계 초전도체에 비해 Mg계 초전도체와 Y계 /Bi계 초전도체는 실제로 각각 약 10배와 100배의 냉각 경제성을 갖고 있다고 할 수 있다.
주어진 냉동온도에서 최소 동력에 대한 실제 동력의
그림 1 극저온 액체영역 및 초전도체 임계온도
그림 2 극저온냉동기의 에너지 흐름
표 1 냉동온도에 따른 단위 냉동의 소요 동력
단위 냉동당 소요동력 TL(냉동온도)
75 K 20 K 4 K
Wmin/ QL(가역 냉동) W / QL(실제 냉동기)
3 10 ~ 30
14 100 ~ 300
74 1000 ~ 3000
● 기 획 시 리 즈
비를 냉동효율 또는 FOM(figure of merit 또는 %Carnot) 으로 정의된다.
Wmin QL(300/TL-1) FOM=11=1111112W W
일반적으로 FOM도 냉동온도가 낮을수록 작아지는 데, 이는 저온 냉동을 위한 기술적인 요인에 따른 것이 다. 액체질소 온도인 75 K 근처에서 1 W의 냉동을 수행 하는데 필요한 이상적인 냉동기 최소 동력은 약 3 W이 고, 상업용 냉동기의 실제 소비동력이 약 10~30 W 정도 이므로, FOM으로는 대체로 30~10%의 범위에 해당하 나, 액체헬륨 온도인 4 K 근처에서 1 W의 냉동을 수행 하는데 필요한 최소동력은 약 74 W이고, 실제 냉동기의 소비동력은 1~3 kW이므로, FOM은 대체로 2.5~7%의 범위에 있다.
3. 헬륨 액화
19세기 말까지 사람들은 공기를 영구기체(permanent gas)라고 불렀다. 그림1의 상선도(phase diagram)에서 볼 수 있듯이, 일반적인 기체는 압력을 높이거나 온도를 낮추면 액체를 얻을 수 있는데, 공기의 주성분인 질소, 산소, 아르곤 등의 기체는 실온(약 300 K)에서 아무리 압력을 높여도 액체로 만들 수 없었기 때문이다. 이러한 물질은 임계점(critical point)이 실온보다 낮기 때문에 반드시 100 K이하의 극저온으로 냉각을 해야 액체가 되 기 때문이다. 극저온이기는 하나 헬륨보다 끓는 온도가 훨씬 높은 공기를 액화하는 기술이 바로 극저온 기술의 시초가 되었다.
1877년 프랑스의 Cailletet와 스위스의 Pictet은 공기를 약 300기압으로 압축하고, 암모니아 등의 냉매로 미리 예냉한 후, 대기압으로 팽창시키면서 액체 산소와 액체 질소를 처음 관찰하였다. 이 기술로 극저온 액적(liquid droplet)을 잠시 육안으로 관찰하기는 했지만, 단열기술 의 어려움으로 용기에 담을 정도의 액체를 얻을 수 없었 다. 저온공학의 큰 비약은 1892년 영국의 Dewar경이 진 공 단열용기의 개발로 시작되었다. 현대의 보온병이나 저온 용기에도 사용되듯이, 용기를 이중벽으로 만들고 그 사이 공간을 진공으로 유지하며 표면에 반사율이 높
은 은(silver) 코팅을 하여 외부에서의 열유입을 현격히 줄인 것이다. 이런 단열 기술과 다단 냉각기술을 바탕으 로 1908년에 인류는 역사적인 헬륨의 액화에 처음 성공 하게 된다.
이 액화 기술은 고압기체가 좁은 유동통로를 지나면 서 온도가 강하하는 JT(Joule-Thomson) 팽창과정을 기 반으로 하고 있다. 이 과정은 모세관, 밸브, 오리피스 등 과 같이 매우 간단한 장치로 발생이 가능하다. 그러나 JT팽창 과정은 기본적으로 상당한 엔트로피가 생성되는 되는 비가역과정으로 냉동효율이 매우 낮다. 일반적으 로 등엔탈피 과정으로 간주하는 이 과정에서 압력변화 에 따른 온도변화율을 JT계수라 부르고, 편미분 관계식 과 Maxwell 관계식을 이용하면
∂T 1 ∂v lJT={12}
h=13 [T{12}
P-v]
∂P CP ∂T
(T: 온도, P: 압력, h: 비엔탈피, CP: 정압비열, v: 비체 적)로 나타낼 수 있다. 유체가 이상기체의 거동을 할 때 에는Pv=RT의 관계가 성립되므로 팽창에 의한 온도강 하가 없어 JT계수가 0이 된다. 그러나 상대적으로 온도 가 낮고 압력이 높아서 분자간의 인력에 의한 분자위치 에너지(molecular potential energy)가 중요한 상태에서 JT계수가 양수가 되어 팽창에 의한 온도강하를 얻을 수 있다. 반면에 압력이 지나치게 높으면 분자간의 거리가 너무 가까워서 서로 밀치는 척력이 작용하는 상태가 되 고, 이 때 JT계수는 음수가 되기도 한다. 이 사이에 JT계 수가 0이 되는 곡선을 역전곡선(inversion curve)라 부 른다. 등엔탈피 팽창을 이용하여 냉동이나 액화를 수행 하기 위해서는 기체가 JT계수가 양수가 되는 역전곡선 내에서 팽창되어야 한다.
헬륨의 역전곡선은 모두 40 K 이하의 극저온에서만 존재하므로, 헬륨을 액화하거나 액체헬륨 온도에서 JT 팽창 과정을 이용한 냉동을 수행하기 위해서는 반드시 이 영역까지 예냉(precooling)이 필요하다. 처음 헬륨을 액화하던 100년 전의 기술은 그림3과 같이 JT팽창을 다 단계로 이용하는 소위 캐스케이드 (cascade) 냉동이었 다. 액체 암모니아(약 240 K)를 이용하는 일반 증기압축 냉동사이클이 질소 JT사이클을 예냉하고, 액체 질소(약 77 K)가 수소 JT사이클을 예냉하고, 액체 수소(약 20 K)
가 헬륨 JT 사이클을 차례로 냉각하는 구성이다.
1908년에 네덜란드에서 캐스케이드 냉동으로 헬륨을 액화하는데 처음 성공한 후, 이 기술이 다른 곳에서 재 현되는 데에는 무려 15년 이상의 시간이 더 필요하였다 고 기록되어 있다. 그 이유는 여러 단계의 냉동사이클을 효율적으로 예냉하는 기술, 각 단의 냉매를 필요한 압력 까지 압축하는 기술, 저온부를 효과적으로 단열하는 기 술 등이 쉽지 않았기 때문이다. 그러나 그 중에서도 가 장 어려운 기술은 액체수소를 이용한 예냉 기술이었다.
수소는 반응성이 크고 다루기 어려우며, 분자가 액화하 기 어려운 구조(ortho-para)를 갖고 있다. 따라서 액체 수소의 도움 없이 액체헬륨 냉동을 실현하는 것이 20세 기 전반의 기술진보에 핵심이 되었다고 할 수 있다.
JT팽창 과정을 기본으로 하는 액체헬륨의 냉동기술은 열역학적 구성상, 그 효율이 지극히 낮을 수밖에 없고, 액체수소의 예냉이 반드시 필요하기 때문에 그 실용성 에 한계가 있다. 이 한계를 극복하기 위한 노력의 결실 은 헬륨이 처음 액화된 지 약 40년이 지난 후에 미국 M.I.T. 기계공학과의 Collins교수에 의해 결실을 거두었 는데, 극저온 팽창기(cryogenic expander)가 바로 그것
이다. Collins는 두 개의 극저온 팽창기를 이용하여 액체 헬륨용 냉동기의 개발에 성공하였는데, 이로 인해 일부 전문가들에게만 한정되었던 액체헬륨을 일반인들이나 산업계에 보급되는 단계에 이르게 되었다. 그리고 헬륨 을 천연가스(natural gas)에서 분리하여 대량으로 유통 하기 시작한 것도 이 시기라고 할 수 있다.
1946년에 개발에 성공한 이 팽창기의 구조는 그림 4 와 같다. 크랭크 축에 의해 왕복운동을 하는 피스톤-실 린더 조합에 밸브로 유체의 출입을 제어하는 구조를 갖 는다. 개발 초기에 설계된 팽창기는 일반 팽창엔진과 유 사한 구성을 하여, 피스톤 로드와 밸브 로드가 압축력을 받기 때문에 기계적 강도를 위한 단면적이 극저온의 열 유입에 원인이 되어 냉동에 성공하지 못하였다. 반면에 Collins의 팽창기는 피스톤 로드(piston rod)와 밸브 로 드(valve rod)가 항상 인장력을 받도록 설계하여, 적은 단면적으로 제작하여 열유입을 크게 줄였고, 피스톤 외 벽에 미카르타(micarta)라는 복합재료를 코팅하여 고체 윤활의 방식으로 극저온 팽창기로 성공하게 되었다.
Collins냉동기는 그림 5과 같이 상온의 압축기, 5개의 향류 열교환기(HX), 2개의 왕복동 팽창기, 그리고 하나
그림 3 헬륨 액화용 캐스케이드 냉동기의 구성 (20세기 초) 그림 4 Collins의 극저온 팽창기 구조 (미국 M.I.T. 1946년)
● 기 획 시 리 즈
의 JT밸브로 구성되었다. 5개의 향류 열교환기들의 크 기와 두 팽창기로 추출되는 팽창 유량비들을 동시에 최 적화 하여 효과적인 4 K의 냉동을 수행하게 된다. 이후 Arthur D. Little이라는 기업에서 액체용량 500 L/h급 액 화기를 상업적으로 생산하면서, 많은 실험실에서 자체 로 헬륨을 액화하여 4 K의 실험을 수행할 수 있는 저온 공학(cryogenic engineering)의 시대가 활짝 열리게 되 었다. 이런 열역학 사이클의 액체헬륨용 냉동기술과 동 시에 액체헬륨의 고효율 저장 및 이송 기술의 발전으로 인해 액체헬륨의 사용자는 전세계로 확대되었다. 특히 냉동기가 밀폐사이클로 사용되면서 액체의 증발 없이 장기간 정상상태를 유지하는 냉동기술로 발전하는 시 발점이 되었다.
1950년대와 1960년대는 미국과 소련의 우주경쟁이 치열했던 시대였다. 미국의 아폴로 미션(U.S. Apollo Mission)으로 대표되는 유인 우주선 프로그램은 대량의 저온 추진제(액체수소와 액체산소)가 요구되었고, 여기 에도 Collins사이클과 유사한 냉동-액화의 원리가 적용 되었다. 또 액체헬륨은 추진시스템의 저온 고진공생성 (cryopumping), 세정(purging), 누설검사(leak testing)
등에 사용되면서, 1968년의 연간 액체헬륨 사용량은 1950년보다 10배 이상 증가한 것으로 보고되었다. 이런 극저온 냉동의 수요를 충족하는 중심에 바로 Collins냉 동기술이 있었다.
1960년대 이후에는 고자장 생성을 위한 초전도 자석 의 개발이 액체헬륨 냉동의 가장 큰 시장을 형성하게 된 다. NbTi 및 Nb3Sn 선재를 사용한 초전도 자석은 의료 용 MRI의 소형에서 입자가속기나 핵융합 설비의 대형 까지 다양한 냉동이 필요하게 된 것이다. 그 중에서도 입자를 가속시키기 위한 고에너지 물리 설비가 가장 먼 저 대용량 액체헬륨 냉동이 필요하게 되었다. 대표적인 예롤 들면, 미국의 Argonn국립연구소 및 스위스 CERN 에 각각 설치된 3.7 m 및 4.7 m 크기의 기포실(bubble chamber) 초전도 자석이 있으며, 이러한 대용량 액체 헬륨 냉동시스템도 역시 Collins냉동기를 기초로 하고 있다.
1970년대에는 Fermi연구소의 고에너지용 입자 가속 기와 CERN의 LHC(Large Hadron Collider)가 본격적으 로 개발되기 시작되었다. 이 초전도 자석은 쌍극자 (dipole) 또는 사중극자(quadrupole) 형태로 고리(ring) 모양을 하고 있으므로, 충분한 냉동용량이 요구될 뿐 아 니라, 액체헬륨에 의한 냉동이 공간적으로 고르게 분배 해야 하는 어려움이 있다. 게다가 최근에 와서는 여기에 더욱 중요한 요구사항이 추가되었는데, 바로 냉동 효율 이다. 최신 LHC는 4 K에서 10 kW 이상의 냉동이 필요 하게 되었는데, 기존의 표준 Collins냉동 사이클을 사용 할 경우 소비 전력이 무려 10 MW 이상에 이른다. 입자 가속기를 운영하는 예산을 절감하기 위해서는, 대용량 냉동기 자체의 효율도 높여야 하고, 동시에 열부하(특 히, 전류도입선 부하)를 줄이기 위한 다양한 노력이 동 시에 경주되어 왔다. 그 결과로 1990년대 이후에 10 kW 이상급 대용량 액체헬륨 냉동기가 개발되어 유럽의 CERN, 일본의 LHD, 한국의 KSTAR 등에 적용되었다.
이 냉동기들은 주로 독일의 Linde사 또는 프랑스의 Air Liquide사에 의해 특별히 설계 및 제작되었고, 그 원리 는 앞서 소개한 Collins냉동기와 다단 팽창기 등을 조합 한 결과라고 할 수 있다. 실제로 이들 냉동기의 냉동효 율(FOM 또는 %Carnot)은 표준 Collins냉동기의 3-4배에 이르고 있다.
그림 5 대용량 액체헬륨용 Collins냉동기
4. 극저온 냉동기
극저온냉동기는 밀폐사이클(closed cycle)로 운전되 면서 극저온에서 열을 흡수하여 상온으로 열을 방출하 는 기기로, 정확히는 cryogenic refrigerator인데, 1970년 대 이후에 개발된“소형”극저온냉동기를 간단히 cryocooler라 부른다. 저온액체를 이용하는 초전도 시 스템에서 증발기체(boil-off gas)를 극저온냉동기로 재 응축(re-condensation)하면, 액체를 주기적으로 공급하 지 않고 연속운전이 가능하다. 의료용 자기공명영상 (MRI) 초전도 마그네트나 단결정 성장용 초전도 마그네 트 등의 냉각을 위한 액체헬륨(약 4 K)의 재응축이 대표 적인 예라고 할 수 있다. 또 우주항공이나 에너지 분야 에서 액체수소(약 20 K), 액체네온(약 27 K), 액체질소 (약 77 K), 액체산소(약 90 K), 액화천연가스 (약 111 K)
등의 저장 및 운송 용기에 극저온냉 동기를 장착하여, 이른바 ZBO (zero boil-off) 시스템을 구현할 수 있다.
최근에는 소형 초전도 시스템은 액체헬륨이나 액체질소를 전혀 사 용하지 않고, 극저온냉동기가 금속 을 통해 초전도체를 직접 전도냉각 (conduction-cooling)하기도 한다.
단 열 용 복 사 차 페 막 (radiation shield)이나 적외선(infrared) 또는 감마선(gamma ray) 센서 등의 냉동 도 액체질소 없이 극저온냉동기의 전도냉각이 가능하다. 또 현재 국내 에서는 전도냉각형 초전도자기에너 지저장(SMES) 시스템의 개발이 진 행 중이다. 이러한 시스템은 냉동온도를 4-100 K범위에 서 자유롭게 설계할 수 있고 냉동기 스위치만으로 손쉽 게 극저온 환경에 도달할 수 있는 장점이 있으나, 초기 냉각시간 및 전기절연의 측면에는 약점이 있다.
또한 극저온 냉동기는 고전압용 HTS 전력기기에 사 용되는 액체질소의 과냉(subcooling)을 유지하는 목적 으로도 사용된다. 초전도 케이블, 초전도 한류기, 초전 도 변압기 등에서 액체질소는 냉각유체와 전기절연재 의 역할을 동시에 수행한다. 액체질소를 끓는 온도 이하 로 과냉각하면, 액체의 내전압 특성이 크게 증가할 뿐 아니라, 과부하에 따른 초전도 퀘치에서 신속하게 회복 할 수 있고 공간적으로 균일한 온도를 유지할 수 있다.
극저온 냉동기를 열역학 사이클 구성에 따른 분류를 표 2에 나타내었고, 주요 냉동기의 도식적인 구성 및 부 품을 그림7에 나타내었다. 고압유체와 저압유체 사이에
그림 6 Linde사(독일)와 Air Liquide사(프랑스)의 대용량 액체헬륨 냉동기
표 2 열역학 사이클에 따른 극저온냉동기의 분류
분 류 냉 매
상변화 냉매 (기체-액체)
기체 냉매 (주로 헬륨)
상자성(paramagnetic) He3+ He4
특 징 예냉필요
대용량 고효율 열구동 대량생산 고신뢰성 2 K이하 냉동기 사이클
JT (Joule-Thomson) Claude Brayton Stirling VM (Vuilleumier) GM (Gifford-McMahon)
맥동관 (pulse tube) 자기 (magnetic)
희석 (dilution)
저온생성 원리 JT밸브 팽창기 + JT밸브
팽창기 (expander) 변위기(displacer)
맥동관 탈자화(demagnetization) 상분리(phase separation) 열교환형
열재생형
기 타
● 기 획 시 리 즈
에너지 교환하는 방식에 따라 열교환형(recuperative) 및 열재생형(regenerative)으로 구분한다. 열교환형은 두 유체가 다른 공간을 서로 반대 방향으로 유동하며 에 너지를 교환하는 향류 열교환기(counterflow heat exchanger)를 사용하며, 열재생형은 유동방향으로 온도 구배가 있는 축열재가 채워진 한 공간을 유체가 주기적 으로 왕복 유동하면서 축열 및 방열을 반복하는 재생기 (regenerator)를 사용한다.
열교환형 냉동기는 저온에 도달하는 팽창 방법에 따 라 JT(Joule-Thompson)밸브를 이용하는 등엔탈피 (isenthalpic) 팽창과 팽창기(expander)를 이용하는 등 엔트로피(isentropic) 팽창으로 구분한다. JT밸브는 매 우 간편한 기기이나 많은 엔트로피가 생성되어 효율이 낮은 반면, 극저온용 팽창기는 설계와 제작이 어려운 기 기이나 효율 측면에서 월등히 유리하다. 등엔탈피 팽창 만 이용하는 사이클은 JT냉동기이고, JT밸브와 부분적 인 팽창기를 이용하는 사이클이 Claude냉동기이며, 팽 창기만 이용하는 사이클이 Brayton냉동기이다. JT냉동 기와 Claude냉동기는 극저온에서 냉매가 액체로 응축 (condense)되는 상변화 사이클이며, Brayton냉동기는 기본적으로 기체 사이클이다.
현재 상업적으로 가용한 열재생형 냉동기는 열역학 구성에 따라 Stirling 냉동기, GM (Gifford-McMahon) 냉 동기, 맥동관 (pulse tube) 냉동기로 구분되며, 맥동관 냉동기는 그 압축 방식에 따라 다시 Stirling형 맥동관 냉 동기와 GM형 맥동관 냉동기로 세분할 수 있다.
Stirling 냉동기는 1950년대에 네덜란드 Philips사에서 처음 개발하였고, 이론적으로 가역냉동기에 근접한 효 율을 낼 수 있을 정도로 냉동효율이 가장 우수하다. 상 온부에 압축기와 저온부의 팽창기가 위치하고 있으며, 두 피스톤이 약 90도의 위상차를 갖고 같은 주파수로 운 전되는 구성을 한다. 동일한 주파수로 운전되므로 압축 기의 체적이 팽창기의 체적에 비해 매우 크며, 기본적으 로 압축기 일체형이므로 극저온 시스템을 구성하는데 공간적인 어려움이 있다. 그리고 저온 팽창기가 고속으 로 운전되므로, 윤활-진동-소음에 어려움이 따르며 냉동 기의 신뢰성과 내구성 면에서 다른 냉동기에 비해 약점 이 있다.
1960년대에 미국의 Gifford와 McMahon에 의해 개발 된 GM 냉동기는 압축기와 재생기 사이에 밸브가 있고, 재생기의 고온부와 팽창기의 고온부를 연결한 구성을 갖고 있다. 이 냉동기의 가장 큰 특징은 압축기를 고속
그림 7 주요 극저온냉동기의 도식적 구성 및 주요 부품
(예: 2000-3000 rpm)으로 운전하면서, 변위기(팽창기) 왕복운동과 밸브의 개폐를 저속(예: 100-200 rpm)으로 하여, 압축부와 팽창부를 분리형으로 구성한 점이다. 이 렇게 하면 압축 피스톤의 크기를 대폭 줄일 수 있을 뿐 아니라, 하나의 압축기를 생산하여 여려 가지 용량의 GM냉동기에 사용할 수 있고, 냉각용 coldhead의 공간 적인 제약도 크게 줄일 수 있다. 또 저온 팽창기 피스톤 에 작용하는 힘이 현저히 줄어들어 냉동기의 내구성과 신뢰성이 크게 증가하였다. 반면에 밸브와 압축 냉매의 불구속 팽창으로 인한 엔트로피 생성이 증가하여, 소비 동력이 Stirling 냉동기에 비하여 더 큰 단점이 있다.
맥동관 냉동기의 기본원리는 1960년대에 미국의 Gifford와 Longsworth에 의해 제안되었으나, 1990년대 부터 본격적으로 개발되었다. 이 냉동기는 그림5와 같 이, Stirling 냉동기 또는 GM 냉동기의 팽창기(변위기) 를 빈 공간(맥동관)으로 대치한 구성을 하고 있다. 이 공간은 축방향으로 온도구배를 가진 벽 내부에 유체가 왕복-압축 유동을 하면서 저온 벽에서 열을 받아 고온 벽으로 열을 방출하는 소위 표면 펌핑 (surface pumping) 현상을 이용한다. 압축기와 재생기 사이에 존재하는 밸브의 유무에 따라 Stirling형 맥동관 냉동기 와 GM형 맥동관으로 구분한다. 일반적으로 GM형 맥동 관이 더 낮은 온도의 운전에 장점이 있다. 맥동관 냉동 기는 저온에서의 운동부가 전혀 없으므로, 신뢰성이 대 단히 높고 연속운전 시간도 극저온 냉동기 중에서 가장 길며, 진동이나 소음도 가장 작다고 할 수 있다.
냉동사이클에 따라 약간의 차이가 있으나, 일반적으 로 세 가지의 재생형 냉동기들이 도달할 수 있는 최저 온도는 1단으로 약 30 K정도이고, 2단으로 냉동을 하더 라도 약 10 K에 불과하므로 1990년대 초반까지도 액체 헬륨 온도에는 도달할 없었다. 그 이유는 열재생기에 사 용하는 축열재의 비열이 10 K이하에서 급격히 줄어들 어 열재생 효과가 없어지기 때문이다. 1990년대 초 일 본 동경공업대의 연구팀은 Er 또는 Ho와 같은 희토류 (rare earth) 기반물질 중에서 5-10 K의 비열이 대단히 큰 물질을 발견하고, 재생기 하단에 충전함으로써 4 K 에 도달하는 GM 냉동기를 개발하는데 성공하였다. 현 재 4 K 1.5 W급 2단식 GM냉동기가 상용화되어 있으며, 최근에는 맥동관 냉동기의 열재생기에도 희토류 물질
을 적용하여 4 K의 냉동이 가능하게 되었다.
이밖에 2 K 이하의 냉동을 위한 대표적인 냉동기로 자기(magnetic) 냉동기와 희석(dilution) 냉동기를 들 수 있다. 자기 냉동기는 압축성 유체의 압축-팽창 대신 상 자성(paramagnetic)체의 자화-탈자화를 통한 일로 냉동 사이클을 구성한다. 희석 냉동기는 헬륨의 동위원소인 He4와 He3의 초유체(superfluid) 상분리 특성을 이용하 여, 1 mK 이하의 낮은 온도를 얻는데 사용되고 있다.
5. 맺음말
초전도체 발견 100주년을 맞아, 초전도 기술과 동행 해 온 극저온 냉동기술의 역사와 현황을 간략히 정리해 보았다. 초전도 발견의 효시가 되었던 원시적 캐스케이 드 냉동, 엔지니어링을 통해 극저온 산업의 기초가 되었 던 Collins 냉동, 물리학의 비약을 가능하게 하는 대용량 헬륨 냉동 기술, 초전도 시스템의 실용화를 위한 소용량 냉동기 개발 등으로 요약할 수 있겠다. 이미 실용화된 초전도 시스템에서 알 수 있듯이, 모든 초전도 시스템은 각각 서로 다른 냉각 요구조건을 갖고 있으며 이를 충족 시키기 위한 극저온 냉동기와 관련 기술이 함께 발전되 어 왔다. 현재 실용화가 진행 중이거나 앞으로 새로 출 현할 초전도 시스템에서도 이미 검증된 극저온 기술이 활용될 수도 있지만, 또 다른 요구조건을 위한 새로운 냉동기술도 동시에 발전될 수 있을 것으로 확신한다. 저 온공학을 연구하는 한 사람으로, 초전도 응용 시스템에 관심 있는 대한전기학회 회원들에게 극저온 냉동기술 을 소개할 수 있는 기회에 감사드리며, 앞으로 더 효율 적이고, 더 작고, 더 환경 친화적인 초전도 시스템이 구 현되는 미래를 기대한다.
참고 문헌
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