병원에서 진료를 받을 때 많은 사람들이 접하게 되는 자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging, MRI). MRI로 불리는 해당 시스템은 인체가 자기장을 발생하는 커다란 자석통 속에 들어가 발생되는 고주파를 통해 인체 내 각 조직에서 나오는 신호를 컴퓨터로 재구성·영상화하는 기술이다.
환자들을 진료할 때 필수적으로 사용되는 MRI의 자석통 안에는 초전도체 물질이 들어간다. 초전도 상태란 저항이 0이 되는 상태로, 이것이 만들어지기 위해서는 극저온 환경이 형성돼야 한다. 이외에도 핵자기공명(Muclear Magnetic Resonance, NMR)과 초전도전력응용기기를 만드는 데는 한류기, 모터, 발전기, 변압기 등의 장치를 사용해야 하는데, 이러한 모든 장치를 만들기 위해서는 MRI와 마찬가지로 극저온 환경이 필요하다.

온도센서 교정기술, 중소기업에 이전

우리가 생활 곳곳에서 사용하는 많은 장비들은 극저온환경을 필요로 하는 기술환경을 거쳐 나온다. 그만큼 극저온 환경을 조성하는 기술이 중요하다는 의미다. 일반적으로 극저온 환경을 조성하기 위해서는 액체헬륨 가스를 사용한다. 액체헬륨은 저온공학에서 사용하는 한제로써 가장 온도가 낮기 때문에 극저온을 생성하고 극저온에서의 물질을 연구하는데 필수불가결한 요소였다.
하지만 액체헬륨도 결국은 유한한 자원이다. 이에 따라 많은 연구자들은 액체헬륨의 효율을 높이기 위해 다양한 연구를 진행했다. 극저온 상태를 만들기 위해 헬륨은 사용해야 하지만 보다 높은 효율로 만들어 활용성을 높이기 위한 목적이었다.
만약 액체헬륨을 사용하지 않고 극저온 상태를 만들 수 있다면 어떨까. 국내 연구진이 액체헬륨을 필요로 하지 않는 소형 극저온 냉동기를 이용한 온도센서 교정기술을 개발, 이를 국내의 한 중소기업에 기술이전을 해 주목을 받고 있다. 최연석 한국기초과학지원연구원 물성과학연구부 박사팀이 극저온 온도센서 교정기 기술을 초전도 특성장치 및 고진공장비 정밀가공을 전문으로 하는 윤슬(주)에 이전한 것이다.
최연석 박사팀이 개발한 ‘무냉매 극저온 온도센서 교정기‘는 소형 냉동기를 활용해 영하 269℃인 4켈빈(K) 이하의 극저온 환경을 발생시킬 수 있다. 이를 이용하면 고가의 액체헬륨을 사용하지 않고도 정밀도가 우수한 온도센서 교정을 대량으로 할 수 있다.
“온도 교정이라는 것은 극저온 상태에서 온도를 측정할 때 저항에 따른 온도 변화를 이용하는 기술이에요. 온도가 내려가면 저항이 내려가는 물질이 있고 올라가는 물질이 있는데, 이러한 저항값을 통해 역으로 온도를 측정해 내는 것을 교정이라고 하는 거죠. 기존에는 온도를 내리는 극저온 상태를 만들기 위해 액체헬륨을 사용했습니다. 액체헬륨은 끓는점이 4켈빈(K)으로 영하 269℃ 에요. 저항값을 측정하기 위해 센서를 담근 후 빼면서 값을 측정하게 되는데, 국내 많은 업체들이 이러한 센서를 전량 수입에 의존했습니다. 하지만 그 값이 만만치 않아요. 개당 150~200만 원 정도죠. 그것도 적게는 30개, 많게는 100개 이상의 센서가 필요하다면 비용이 더욱 많이 들 수밖에 없겠죠. 기존의 방법은 대량교정도 불가능했을 뿐 아니라 수동수행 방식이기 때문에 비용과 시간, 생산 측면에서 효율이 낮다는 단점을 갖고 있었어요.”
즉, 비용과 시간이 많이 드는 연구였던 셈이다. 게다가 최근에는 설상가상으로 2~3년 전부터 액체헬륨 가격이 급격하게 상승하고 있다. 2~3년 전 보다 약 세 배 정도 가격이 증가했는데, 문제는 많은 돈을 주더라고 구할 수 없는 상황이 오고 있다는 것이다. 액체헬륨이 전 세계적으로 고갈되고 있어 결국 액체헬륨에 의존하지 않고 극저온 환경을 만들 수 있는 기술개발이 필수가 됐다.
최연석 박사팀이 개발한 온도센서 교정기술은 기존방식의 문제점을 대폭 개선했을 뿐 아니라 액체헬륨(4K, 영하 269℃) 이하의 온도에서도 온도센서 반복 교정이 가능하기 때문에 제품의 신뢰성을 크게 높일 수 있다는 강점을 갖고 있다. 기술이전을 받은 윤슬은 생산현장에서 바로 사업화를 추진할 것으로 보인다.

액체헬륨의 단점을 벗고

“앞서도 언급했지만 액체헬륨은 이제 계속 사용하기에는 많은 어려움이 있습니다. 우리나라는 2, 3년 전부터 액체 헬륨에 대한 문제점이 조금씩 생겨났어요. 한 예로 MRI에 액체헬륨이 많이 사용되는데 의료장비인 만큼 시급성도 갖고 있죠. 선진국에서는 이미 이러한 점이 예견돼서 2010년도부터 많은 기관에서 장치들을 개발하기 시작했습니다. 하지만 국내에서는 아직 이러한 기술을 개발한 곳이 없고 판매하는 곳은 더더욱 없는 상황이었어요. 이런 가운데 저희 연구원에서 기술을 개발하고 중소기업에 이전할 수 있게 된 거죠.”
액체헬륨은 4켈빈(K)의 끓는점을 갖고 있기 때문에 우리 눈으로 잘 볼 수 없는 물질이다. 때문에 극저온 환경을 만들기 위해 그동안은 2단 냉동법을 사용해 왔다. 1단은 상온에서부터 50~70켈빈(K)으로 낮추고, 2단에서는 50~4켈빈(K) 까지 낮춘다.
이 때 중요한 것은 외부에서 들어오는 열을 차단하는 것이다. 이 과정은 1단에서 이미 이뤄져야 한다. 최연석 박사는 “외부 열을 얼마나 잘 차단해주느냐가 가장 중요하고 또 힘든 연구”며 “온도 센서를 교정하는 부분에서도 열차단을 시켜줘야 한다. 때문에 1단에서 들어오는 열을 차단하는 것을 물론, 여러 개의 센서들 간의 온도차이도 발생하지 않게 균일한 분포를 만드는 게 가장 어려운 기술”이라고 이야기 했다.
“저희 연구원이 장비 중심 기관이기 때문에 장비를 개발하다보면 온도를 측정해야 하는 상황이 종종 발생합니다. 그런데 측정하는 센서들을 전량 수입하다보니 시간도 많이 걸리고 비용도 많이 발생해요. 뿐만 아니라 저항을 따로 측정하다보면 정확도도 떨어지는 경우가 있어요. 정확한 계측을 위해서는 정밀한 온도 측정이 필수죠. 이를 위해 저희는 4단자법을 이용했습니다. 온도센서를 직접 극저온 냉동부에 연결 설치한 거죠. 한 개가 아닌 네 개의 와이어를 연결하는데, 각각의 와이어에 20개의 센서를 붙어요. 그렇다면 많은 와이어가 사용되겠죠. 결국 이러한 와이어를 외부에서 어떻게 열 침입 없이 연결시키느냐를 두고 고민하게 돼요. 이에 대해 연구하다가 이번 장치를 개발하게 된 것입니다. 때마침 저희가 기술이전 한 업체는 정밀 가공과 특수 초전도체를 제작하는 업체에요. 서로의 필요가 맞아 2년 전부터 함께 일을 하게 됐죠.”
개발된 장치는 선진국의 그것과 비교했을 때 동등하거나 더 우세한 성능을 보인다. 무엇보다 액체헬륨을 사용할 때보다 더욱 낮은 온도에서도 교정이 가능하며, 한 번 에 대량 교정이 가능해 더욱 효율적이다.
“그동안 저희 연구팀은 극저온에 대한 연구를 계속 해왔습니다. 극저온에서 연구를 할 때 중요한 것은 정확성이에요. 정확히 몇 도에서 장치가 개발되고, 몇 도에서 실험을 해야 하는지를 알아야 하죠. 모든 물체는 고유한 물성을 갖고 있습니다. 이 모든 것이 다 온도의 함수에요. 예를 들면 열전도도 혹은 저항, 비열 등이 온도의 함수인 거죠. 즉, 온도가 내려가면 물질의 특성이 바뀌게 되는 거예요. 예를 들어 구리의 경우 온도가 내려가면 열전도율이라는 물체의 특성이 떨어지게 되는 것 처럼요. 정확한 물성을 알기 위해서는 정확한 온도를 알아야 하는 것입니다. 바로 여기서 정확한 특성 값이 나타나니까요. 더욱 정확한 값을 얻기 위해 연구를 시작하게 됐죠.”
최연석 박사는 “여러 개의 센서를 한 번에 4켈빈(K) 이하로 낮추는 게 가장 어려웠다”며 연구 과정 중의 어려움을 회고했다. “4켈빈(K) 이하로 낮추는 것도 어려웠지만, 그 다음으로는 여러 가지 열 침입을 막는 것도 무척 어려웠어요. 대표적인 것이 복사열이에요. 이것을 차단해주는 단열차폐기술은 구현이 정말 힘듭니다. 외부에서 들어오는 열을 막기 위해 저희는 멀티 레이어 인슐레이션을 사용했습니다. 약 30겹 정도를 사용했어요. 열 차폐체를 이용해 외부와 상온에서 들어오는 열을 막았습니다. 얼마나 열을 잘 차단하느냐가 얼마나 온도를 낮출 수 있는지와 밀접하게 관계되거든요. 이러한 것들을 해결하는 데 시간이 걸렸습니다.”
연구자로서, 자신의 연구가 실제 산업현장에서 사용되는 것을 목격하는 일은 매우 의미 있는 일이다. 최연석 박사는 “무엇보다 극저온 장비를 전량 수입에 의존하고 있었는데 우리팀의 연구결과가 시장에 출시됨으로써 국산화의 기틀을 마련했다는 게 보람된다”며 “아직도 국내에는 극저온 연구 분야가 있는지 모르는 분들이 많다. 이번 기술이전을 통해 극저온 환경에 대한 담론이 많이 활성화 된다면 좋겠다”며 앞으로의 바람을 전했다.
“해당 장치가 국산화 된다면 장기적으로는 우리나라의 극저온 기술을 외국에 의존하지 않고 독자적으로 구현할 수 있게 될 것입니다. 결국 기업이 서로 상생해서 함께 커나갈 수 있는 환경이 만들어지지 않을까 싶어요. 뿐만 아니라 국내 기술의 기초가 튼튼해지는 좋은 계기가 될 것으로 생각합니다. 우리나라가 기초 기술이나 노하우가 많이 부족한 상태인데 소규모 업체들이 자체적으로 기술력을 가짐으로써 이러한 한계를 극복할 수 있으리라 기대합니다.”