발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 초전도 가속관은 높은 품질 인자(Q-factor)로 인해 주파수 변동에 매우 민감하여, 이를 둔화시키는 최적화 설계가 필수적입니다.

• 기존의 극저온 압력용기는 구조적 안전성을 위해 하나의 일체형 구조로 제작되어, 극저온(-271℃) 환경에서 발생하는 열수축에 따른 변위를 자체적으로 보정할 수 없는 문제가 있었습니다.

• 이 문제를 해결하기 위해, 종래에는 부품들 사이에 별도의 완충장치를 추가로 삽입해야 하는 번거로움과 비용 상승의 원인이 되었습니다.

기술의 필요성

• 극저온 상태에서 열수축이 발생하더라도 용기 자체적으로 변위 차이를 흡수하고 보정할 수 있는 새로운 구조의 극저온 유지용기가 필요합니다.

• 별도의 완충장치 없이 설비를 간소화하고 제작 및 유지보수 비용을 절감할 수 있는 혁신적인 기술 개발이 요구됩니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 극저온 유지용기 본체의 일정 부위에 신축성이 있는 주름 형상부(벨로우즈 형태)를 만들어, 극저온 환경에서 재료가 수축할 때 발생하는 변위를 구조물 자체적으로 흡수하고 보정하는 원리입니다.

• 이 주름 구조가 신축적으로 작용하여, 용기와 연결된 다른 부품과의 상대적인 변위 차이를 효과적으로 상쇄시켜 전체 시스템의 안정성을 유지합니다.

구체적인 구현 방법

본 발명에 따른 극저온 유지용기는 크게 4가지 주요 부품으로 구성되며, 각 부품은 다음과 같은 역할을 수행합니다.

이 부품들은 극저온 및 고압에 강한 스테인레스 스틸(STS316L)과 같은 재질로 제작되며, 용접을 통해 하나의 용기로 결합됩니다. 용기 내부에는 -271℃의 액체 헬륨을 채워 초전도 가속관을 극저온 상태로 유지합니다.

기술의 장점

• 자체 변위 보정: 용기 본체에 형성된 주름 형상부를 통해 극저온 열수축 발생 시 발생하는 상대 변위 차이를 자체적으로 보정할 수 있습니다.

• 설비 간소화 및 비용 절감: 기존 기술에서 필요했던 별도의 완충 장치가 필요 없어 구조가 단순해지고, 이에 따라 설치 및 유지보수 비용을 절감할 수 있습니다.

• 구조적 안정성 확보: 각 부품이 용기의 변위를 구속하고 하중을 효율적으로 지지하도록 설계되어, 극저온 및 고압 환경에서도 안정적인 운영이 가능합니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 입자 가속기, 중이온 가속기 등 거대 과학 시설의 핵심 부품인 초전도 가속관의 극저온 유지를 위해 활용될 수 있습니다.

• 핵융합 발전, 의료용 MRI, 자기부상열차 등 초전도 기술을 응용하는 다양한 산업 분야의 극저온 냉각 시스템에 적용할 수 있습니다.

기대효과

• 기술적 파급효과: 초전도 가속기의 안정성과 효율성을 향상시켜 기초 과학 연구 발전에 기여합니다.

• 경제적 파급효과: 관련 장비의 국산화 및 수입 대체 효과를 기대할 수 있으며, 설비 간소화를 통해 구축 및 운영 비용을 절감할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

관련 기술인 글로벌 초전도 기술 시장은 2021년 62억 달러 규모에서 연평균 9.2% 성장하여, 2025년에는 89억 달러에 이를 것으로 전망됩니다. (출처)