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KAIST 저온공학 연구실(Cryogenic engineering laboratory)은 1996년 정상권 교수님의 지도아래 설립된 연구실입니다. 저온공학(Cryogenic)이란, 일반적으로 절대온도 120 K 이하의 낮은 온도영역에서 일어나는 모든 물리적인 현상을 일컫는 말입니다. 저온공학에서 연구하는 분야는 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. 첫 번째로, 낮은 온도영역을 만들기 위한 냉동기에 관한 연구입니다. 냉동기의 종류로는 줄-톰슨 효과(Joule-Thomson effect)를 이용한 냉동 시스템, 자기열량 효과를 이용한 자기 냉동기(Magnetic refrigerator), 맥동관 효과를 이용한 맥동관 냉동기(Pulse tube refrigerator) 외에도 다양한 종류의 냉동기가 있습니다. 두 번째로, 낮은 온도영역의 물리적 성질을 이용하는 응용분야 입니다. 가장 대표적인 응용분야로는 위에서도 언급한 초전도체를 이용한 자기부상열차(MAGLEV), 핵융합 발전기(Fusion tokamak)가 있고, 이외에도 천연가스 액화 플랜트(LNG liquefaction plant), 우주 발사체에 사용되는 액체 연료 (액체 산소 및 액체 수소) 관리기술, 세포를 아주 낮은 온도로 얼려 파괴하는 극저온 수술(Cryosurgery)등 매우 많은 분야로의 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있습니다. 저희 연구실은 이처럼 낮은 온도라는 흥미롭고 생소한 분야에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 이런 극한의 환경에서 구동할 실험장치를 만들고 실험을 수행한다는 것이 때로는 위험하고 어려울 수도 있지만, 오직 기회가 주어진 사람만이 경험할 수 있는 흥미로운 기회임은 분명합니다. 저희 연구실에서는 일반적인 온도범위를 벗어난 저온공학처럼 일반적인 생각의 틀을 벗어나서 창의적인 사고를 할 수 있는 인재를 기다리고 있습니다.

 우주 발사체에 사용되는 액체 수소(LH2), 액체 산소(LOX)에 대한 운용 기술에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 극저온 액체의 증발 잠 열(Latent heat)은 일반적인 유체와 비교해 매우 작기 때문에 운용 및 관리에 각별한 주의가 필요합니다.

 1) Cryogenic line chill down : 우주 발사체에서 터보 펌프로 액상(Liquid phase)의 추진제만 공급되어야 안정적인 운용이 가능합니다. 하지만, 극저온 액체의 특성상 증발이 쉽게 일어나 이송배관이 충분히 낮은 온도로 냉각돼있지 않다면, 액상(Liquid phase)에 기상(Vapor phase)이 섞인 이상유동(Two phase flow)이 매우 쉽게 형성되고, 이는 우주 발사체의 추진력을 현저히 떨어트릴 수 있습니다. 본 연구의 목표는 이송배관을 통해 저온의 유체가 증발이 일어나지 않고 꾸준히 액상(Liquid phase)만 흘러가기 위해 필요한 이송배관의 냉각시간 및 냉각시키기 위해 필요한 극저온 추진제의 양을 예측하는 것입니다.

 2) No-vent fill : 우주공간에서 극저온 액체 추진제를 연료탱크로 배기과정 없이 주입하는 기술을 말합니다. 중력이 작용하는 지구의 경우, 연료탱크 내부에서 액상(Liquid phase)은 탱크 하부에, 기상(Vapor phase)은 탱크 상부에 위치 하고 있어서 연료탱크의 압력상승을 방지하기 위해 탱크 상부에서 배기를 한다면, 기상(Vapor phase)만 연료탱크 외부로 배출됩니다. 하지만 중력이 없는 우주공간에서는 연료탱크 내부의 액상(Liquid phase)와 기상(Vapor phase)의 위치가 불확실 하기 때문에 함부로 배기를 할 수 없고, 설령 배기를 한다고 해도 배기로 인한 운동량이 발생해 우주 발사체의 자세제어를 위해 추가적인 추력이 필요하게 됩니다. 본 연구의 목표는 증발이 쉽게 일어나는 극저온 액체 추진제를 배기과정 없이 연료탱크에 주입하는 동안 일어나는 물리적인 현상을 이해하고 이를 통해 연료탱크 내부의 변화를 예측하는 것입니다.

 3) Propellant Densification : 극저온 액체 추진제의 밀도를 높여 같은 단위 중량당 추진력을 높이는 기술입니다. 최근 비용절감을 위해서 버려지는 부분이 없고 재활용이 가능한, 1단으로 구성된 SSTO(Single-stage-to-orbit) 및 RLV(Reusable launch vehicle)이 관심을 받기 시작했습니다. SSTO가 1단의 추진체만으로도 지구 궤도에 올라가기 위해서는 중량저감 및 단위 중량당 추진력의 증가는 필수적인 요소입니다. 일반적으로 액체산소(LOX)의 밀도를 8 % 늘리고 액체수소(LH2)의 밀도를 10 % 늘리면 기존의 이륙 무게인 GLOW(Gross lift-off weight)를 20 % 줄일 수 있거나 그만큼의 적재량을 늘릴 수 있습니다. 본 연구의 목표는 극저온 액체 추진제를 고밀도화(Densification) 시키기 위한 효과적인 방법을 찾아내고 성능을 예측하는 것입니다.

 맥동관 냉동기(Pulse tube refrigerator)는 저온부에 기계적인 팽창 피스톤이 없어 수명이 길고 기계적인 안정성이 매우 우수합니다. 하지만, 현재까지 맥동관 내부의 작동 유체 거동 및 온도 구배(Temperature gradient)에 대한 완벽한 이해 없이 맥동관 냉동기를 우선 제작하고 요구성능을 만족하기 위한 재보정 과정을 거치고 있습니다. 본 연구의 목적은 래일레이 스캐터링(Rayleigh scattering)법을 이용하여 맥동관 내부의 온도 구배(Temperature gradient)를 실시간으로 측정하여 맥동관 내부의 물리적 현상을 분석하는 것입니다.

 저온의 환경을 유지하기 위해서는 외부에서의 열 유입을 차단하는 것이 필수적입니다. 널리 사용되는 극저온 단열 법 중 발포 펄라이트, 유리 마이크로스피어, 발포 폴리스티렌 비드와 같은 파우더(Powder)를 이용한 단열 법은 열 전달 과정이 복잡하고 적용 조건에 따라서도 열 전달 구성이 다양하게 변화하기 때문에 그 성능을 예측하기란 매우 어렵습니다. 본 연구실에서는 파우더 단열법의 단열 성능에 영향을 주는 요소들에 대한 체계적인 분석 및 계산을 통한 정량적인 유효 열전도도 예측을 통해 가장 적합한 단열 방법을 찾는 연구를 진행했습니다.

 자기냉동은 자기열량 효과 (Magnetocaloric effect, MCE) 를 응용한 냉각기술입니다. 여기서 자기열량 효과란, 특정물질에 강한 자기장을 가해주거나 제거했을 때 물질의 엔트로피 변화에 의해 물질의 온도가 변하는 현상을 말하며, 이 효과를 이용하여 기체 압축-팽창 사이클로 도달할 수 없는 1 K 이하의 매우 낮은 온도를 달성할 수 있습니다. 자기냉동은 일반적인 냉동 사이클 중 비가역성이 높게 나타나는 압축 및 팽창과정을 가역과정인 자화 및 탈자화과정으로 대체하여 열역학적 효율이 높다는 장점이 있습니다. 자기냉동기는 구성에 따라 크게 단열 탈자 냉동기 (Adiabatic Demagnetization Refrigerator, ADR) 와 능동형 자기 재생식 냉동기 (Active Magnetic Regenerative Refrigerator, AMRR) 로 구분할 수 있습니다. 최근에는 이를 1 K 이하의 온도영역에 머무르지 않고 액체헬륨 및 액체수소와 같은 극저온 유체의 생산이나 저장에 적용하기 위한 노력이 지속되고 있습니다.
 본 연구실에서 연구중인 수소액화용 자기냉동기는 비교적 넓은 온도범위에서 동작할 수 있는 능동형 자기 재생식 냉동기를 예냉단으로 사용함과 동시에 액화단에는 단열 탈자 냉동기를 함께 사용하는 형태입니다. 또한 자기냉동기의 핵심 부품 중 하나인 고온 초전도 (High Temperature Superconducting, HTS) 자석의 설계 및 제작과 관련하여 연구를 병행하고 있습니다.

 팽창기(expander)는 압축기(compressor)의 반대과정으로 이루어지는 일종의 장치로, 고압의 냉매를 이용하여 단열팽창(adiabatic expansion) 시킴과 동시에 팽창력을 이용하여 일정 이상의 일을 얻을 수 있는 기구입니다. 팽창기는 극저온 냉동 분야에서도 매우 다양하게 이용되고 있습니다. 극저온 냉동기는 다양한 형태가 존재하고 있으나, 기본적으로 가스를 압축, 팽창시켜 저온을 형성하는 사이클이 주를 이룹니다. 그 중 줄-톰슨 냉동기(Joule-Thomson refrigerator, J-T refrigerator)는 고압의 냉매를 밸브로 팽창시켜 저온에 도달하는 사이클로서, 가장 단순하고, 냉매 유량의 조절을 통해 냉각용량의 조절이 용이하지만 유체가 일을 전혀 하지 않는 비가역적인 과정이기 때문에, 줄-톰슨 냉동기는 다른 냉동기에 비해 효율이 다소 낮습니다. 그래서 J-T 밸브를 팽창기로 대체하면 효율이 향상 될 것이라 예상하고 있습니다. 현재 진행중인 연구는 기존에 연구가 진행되지 않은 고 팽창비 조건에서 작동하는 팽창기를 개발하는 것입니다.

 혼합냉매 줄톰슨(Mixed Refrigerant Joule-Thomson, 이하 MR JT) 냉동 시스템은 LNG 가스액화 분야 및 극저온 냉동기 분야에 다양하게 적용되고 있습니다. 상온 냉동사이클에서는 한가지의 냉매를 이용하지만, 극저온을 위한 냉동기에서는 단일냉매를 사용하면 효율이 낮습니다. 극저온 냉동시스템은 에너지 집약적 시스템이므로, 효율이 매우 중요하며, 냉각온도에 최적화된 혼합냉매를 이용하여 고효율의 MR JT 냉동 시스템을 구성할 수 있습니다. 본 연구실에서는 MR JT 극저온 냉동 사이클에 관련하여 크게 2가지 연구를 하고 있습니다. 첫째로, 액화천연가스(LNG) 관련 연구로서, 아르곤(Ar), R-14 등의 냉매들을 적당 비율로 혼합하여 천연가스 BOG 재액화 사이클의 효율을 향상시키는 것을 목표로 연구가 진행 중입니다.

 두 번째로, 더 낮은 온도영역에서 사용되는 고온 초전도(High Temperature Superconductor, HTS) 케이블(Cable) 관련 연구가 있습니다. 고온 초전도체는 액체질소 온도인 77 K 부근에서 초전도성 (Superconductivity)을 갖는 물질입니다. 현재 문제가 되고 있는 전력 과부하지역에 송, 배전을 원활히 하기 위한 대체 케이블로서 연구가 진행되고 있습니다. 이에 초전도체를 냉각시키기 위해서는 매우 큰 냉각 용량(10 kW 이상)이 극저온에서 필요하며, 이에 대해 고효율의 MR JT 냉동 시스템을 개발하고 있습니다.