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물질·재료연구기구(NIMS) 첨단재료분석연구거점 중성자산란그룹이 액체 수소의 수송 손실 및 저장 손실을 줄이는 데 효과적일 것으로 예상되는 극저온에서의 자기 냉동 기술에 있어, 영구 자석을 이용한 작은 자장 변화만으로 큰 냉각 작용을 얻을 수 있는 현상을 발견함.

홀뮴(Holmium) 금속의 메타 자성 전이 현상을 이용함으로써 기존의 방법보다 자기장 변화량에서 매우 큰 자석 열량 효과를 얻는 데 성공함.

연구진은 미미한 자장 변화로 자성체의 자기 모멘트의 방향이 급격하게 변화하는 메타 자성 전이의 특징에 주목함. 영구 자석으로 발생 가능한 정도의 약한 자장으로 메타 자성 전이를 일으키는 홀뮴 금속을 이용하여 엔트로피 변화를 상세히 조사한 결과, 미미한 자기장 변화만으로 기존의 자기 냉동 재료보다 큰 자기 열량 효과를 얻을 수 있음을 발견함. 발견된 상전이는 수소 비등점 (-253℃) 부근에서 고온까지의 넓은 온도 범위에서 일어나는 것을 확인함.

기존에는 특정 온도에서의 자기 열량 효과의 발현에 특화된 자기 냉동 재료를 선택하여 사용하는 것이 일반적이었지만, 본 현상을 이용하면 하나의 자기 냉동 재료만으로 다양한 동작 온도에 있어 효율적인 냉각 작용을 얻을 수 있음.

본 성과를 자기 냉동에 응용함으로써 소규모 액체 수소 스테이션 및 운송 차량 등에 이용되는 저비용·소형 액체 수소 저장·수송 시스템 개발이 진행될 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 Nature Communications(High-Efficiency Magnetic Refrigeration Using Holmium)에 게재됨.