KR20230148592A - Cryogenic Chillers for Evaluation of Quantum Devices - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양자 소자를 구동하기 위한 반도체의 전용 특성을 테스트하기 위한 극저온 환경을 용이하게 구축할 수 있는 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치에 관한 것이다. 더불어 본 발명은 구미시(과제관리기관: 경북과학기술진흥센터)의 구미시핵심부품소재기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: AG3739211, 과제명: 양자정보기술용 탈착식 극저온 냉각 모듈 기술 개발].The present invention relates to a cryogenic cooling device for evaluating quantum devices, and more specifically, to a cryogenic cooling device for evaluating quantum devices that can easily establish a cryogenic environment for testing the dedicated characteristics of semiconductors for driving quantum devices. will be. In addition, this invention was derived from research conducted as part of the Gumi City Core Component Material Technology Development Project of Gumi City (Project Management Agency: Gyeongbuk Science and Technology Promotion Center) [Project Management Number: AG3739211, Project Name: Detachable Cryogenic Temperature for Quantum Information Technology Cooling module technology development].
양자 컴퓨터는 양자역학에서 양자얽힘, 중첩, 텔레포테이션 등의 효과를 이용해 계산을 수행할 수 있는 컴퓨터를 말한다. 기존의 컴퓨터가 0과 1의 데이터만을 구분할 수 있는 반면, 양자 컴퓨터는 0과 1의 데이터를 동시에 공존 시킬 수 있어 연산 속도의 비약적인 증가가 가능할 것으로 예측되고 있다.A quantum computer refers to a computer that can perform calculations using effects such as quantum entanglement, superposition, and teleportation in quantum mechanics. While conventional computers can only distinguish between 0 and 1 data, quantum computers are expected to be able to allow 0 and 1 data to coexist at the same time, enabling a dramatic increase in computational speed.
다만, 양자 어닐링 컴퓨터의 프로세서는 큐비트를 최대한 오랜 시간 동안 유지시키기 위해 절대영도에 근접한 극저온 및 진공 상태에서 전기 저항이 0이 되는 초전도체를 주재료로 만들게 되며, 이로 인해 제조단가가 기하급수적으로 증가하는 것은 물론, 작동 시에는 초전도 상태를 유지해야 하므로 우주 환경을 조성할 수 있는 진공 냉각장치가 요구되기 때문에 운용 비용이 매우 비싸다는 문제가 있다.However, in order to maintain the qubit for as long as possible, the processor of the quantum annealing computer is made mainly of superconductors whose electrical resistance becomes 0 at extremely low temperatures and vacuum conditions close to absolute zero. This causes the manufacturing cost to increase exponentially. Of course, since it must maintain a superconducting state during operation, a vacuum cooling device capable of creating a space environment is required, so the operating cost is very expensive.
이와 같은 이유로 양자 어닐링 컴퓨터의 프로세서의 양산을 위한 테스트를 수행하기 위해서는 극저온 및 진공 상태의 환경을 구축하여아 하나, 종래 보급되어 있는 폐쇄회로 순환 냉동기(Closed Cycle Refrigerator) 등과 같은 냉각 시스템만으로는 4.2K 이하의 적절한 극저온 환경을 구축하는 것이 불가능하다는 문제가 있다.For this reason, in order to perform tests for mass production of quantum annealing computer processors, an environment of extremely low temperature and vacuum must be established. However, cooling systems such as conventional closed-circuit refrigerators (Closed Cycle Refrigerators) alone are used to conduct tests for the mass production of processors of quantum annealing computers. There is a problem that it is impossible to establish an appropriate cryogenic environment.
따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.Therefore, a method to solve these problems is required.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 양자 소자를 구동하기 위한 반도체의 전용 특성을 테스트하기 위한 극저온 환경을 용이하게 구축할 수 있는 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치를 제공하기 위한 목적을 가진다.The present invention is an invention made to solve the problems of the prior art described above, and provides a cryogenic cooling device for evaluating quantum devices that can easily establish a cryogenic environment for testing the dedicated characteristics of semiconductors for driving quantum devices. It has the purpose of doing so.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems of the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치는, 내부에 진공 분위기의 수용공간이 형성된 챔버, 상기 수용공간 내에 노출되도록 상하 방향으로 길게 구비되며, 내부에 양자 소자 평가용 극저온 환경 테스트를 위한 테스트 대상이 거치되는 닫힌 중공이 형성된 냉각용 모듈, 상기 냉각용 모듈의 제1냉각지점 및 제2냉각지점에 연결되는 열전도체, 상기 수용공간 내에 구비되며, 상기 냉각용 모듈을 극저온으로 냉각시키도록 상기 열전도체와 열교환을 수행하는 극저온 냉동기 및 상기 테스트 대상이 위치된 영역의 둘레를 감싸도록 권취되어 자기장을 형성하는 초전도 자석을 포함한다.In order to achieve the above object, the cryogenic cooling device for evaluating quantum devices of the present invention includes a chamber with an accommodating space in a vacuum atmosphere formed inside, a chamber elongated in the vertical direction so as to be exposed within the accommodating space, and a cryogenic cooling device for evaluating quantum devices therein. A cooling module with a closed hollow in which a test object for environmental testing is placed, a heat conductor connected to a first cooling point and a second cooling point of the cooling module, provided in the accommodation space, and the cooling module at a cryogenic temperature. It includes a cryogenic refrigerator that performs heat exchange with the heat conductor to cool the test object and a superconducting magnet that is wound around the perimeter of the area where the test object is located to form a magnetic field.
이때 상기 초전도 자석은 상단에서 하단에 걸쳐 일정한 지름을 가지는 형태로 형성될 수 있다.At this time, the superconducting magnet may be formed to have a constant diameter from top to bottom.
또는 상기 초전도 자석은 상단에서 하단으로 갈수록 지름이 점차 감소하는 형태로 형성될 수 있다.Alternatively, the superconducting magnet may be formed in a shape whose diameter gradually decreases from top to bottom.
또는 상기 초전도 자석은 상단 및 하단에서 중간 지점으로 갈수록 지름이 점차 감소하는 형태로 형성될 수 있다.Alternatively, the superconducting magnet may be formed in a shape where the diameter gradually decreases from the top and bottom to the middle point.
한편 상기 테스트 대상은 상기 제1냉각지점 및 상기 제2냉각지점보다 낮은 위치에 구비될 수 있다.Meanwhile, the test object may be provided at a position lower than the first cooling point and the second cooling point.
그리고 상기 냉각용 모듈은, 상기 제1냉각지점에서 상부로 연장되며, 스테인레스로 이루어지는 제1단위부재, 상기 제1냉각지점에서 하부로 연장되도록 상기 제1단위부재의 하단에 접합되며, 구리로 이루어지는 제2단위부재, 상기 제2단위부재의 하단에 접합되며, 상기 제2냉각지점이 형성되고, 스테인레스로 이루어지는 제3단위부재 및 상기 제3단위부재의 하단에 접합되며, 내측에 상기 테스트 대상이 거치되고, 구리로 이루어지는 제4단위부재를 포함할 수 있다.And the cooling module extends upward from the first cooling point, includes a first unit member made of stainless steel, is joined to a lower end of the first unit member to extend downward from the first cooling point, and is made of copper. A second unit member, joined to the lower end of the second unit member, the second cooling point is formed, a third unit member made of stainless steel and joined to the lower end of the third unit member, and the test object is inside. It is mounted and may include a fourth unit member made of copper.
이때 상기 제4단위부재는 상단에서 하단에 걸쳐 일정한 지름을 가지는 형태로 형성될 수 있다.At this time, the fourth unit member may be formed to have a constant diameter from top to bottom.
또는 상기 제4단위부재는 상단에서 하단으로 갈수록 지름이 점차 감소하는 형태로 형성될 수 있다.Alternatively, the fourth unit member may be formed in a shape where the diameter gradually decreases from the top to the bottom.
또는 상기 제4단위부재는 상단 및 하단에서 중간 지점으로 갈수록 지름이 점차 감소하는 형태로 형성될 수 있다.Alternatively, the fourth unit member may be formed in a shape where the diameter gradually decreases from the top and bottom to the middle point.
그리고 본 발명은 상기 제4단위부재의 둘레를 감싸도록 형성되고, 스테인레스로 이루어지는 커버부재를 더 포함할 수 있다.Additionally, the present invention may further include a cover member formed to surround the fourth unit member and made of stainless steel.
더불어 본 발명은 상기 제4단위부재의 내측에는 상기 제4단위부재의 직경보다 작은 직경을 가지며, 코팅용 금속이 코팅된 구리 재질의 보조 파이프부재가 구비될 수 있다.In addition, in the present invention, an auxiliary pipe member made of copper coated with a coating metal may be provided inside the fourth unit member and has a diameter smaller than the diameter of the fourth unit member.
한편 상기 냉각용 모듈의 중공에는 헬륨이 채워지며, 이와 같은 경우 본 발명은 상기 챔버 외부에서 상기 냉각용 모듈의 중공 내에 채워진 헬륨의 밀도를 조절하여 상기 중공 내의 온도를 하강시키는 보조 냉동기를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the cavity of the cooling module is filled with helium, and in this case, the present invention further includes an auxiliary refrigerator that lowers the temperature in the cavity by adjusting the density of helium filled in the cavity of the cooling module from outside the chamber. You can.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치는, 양자 소자 평가용 극저온 환경 테스트를 위한 테스트 대상이 거치되는 닫힌 중공이 형성된 냉각용 모듈과, 이와 같은 냉각용 모듈과 연결되는 열전도체와 열교환을 수행하여 냉각용 모듈을 극저온으로 냉각시킬 수 있는 극저온 냉동기를 활용함에 따라, 양자 소자를 구동하기 위한 반도체의 전용 특성을 테스트하기 위한 극저온 환경을 용이하게 구축할 수 있는 장점을 가진다.The cryogenic cooling device for quantum device evaluation of the present invention to solve the above problems includes a cooling module formed with a closed hollow in which a test object for cryogenic environmental testing for quantum device evaluation is placed, and a cooling module connected to this cooling module. By utilizing a cryogenic refrigerator that can cool the cooling module to extremely low temperatures by performing heat exchange with the heat conductor, it has the advantage of easily establishing a cryogenic environment to test the dedicated characteristics of semiconductors for driving quantum devices. .
특히 본 발명의 실시예에 따르면 줄-톰슨 효과(Joule-Thomson Effect)를 이용하여 냉각용 모듈의 내부 온도를 추가적으로 낮출 수 있는 보조 냉동기를 더 포함하여, 안정적인 테스트 환경을 제공하고 이를 장시간 동안 유지할 수 있다.In particular, according to an embodiment of the present invention, an auxiliary refrigerator capable of additionally lowering the internal temperature of the cooling module using the Joule-Thomson Effect is further included, providing a stable test environment and maintaining it for a long time. there is.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치의 구조를 나타낸 도면;
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치에 있어서, 냉각용 모듈의 구조를 나타낸 도면;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치에 있어서, 냉각용 모듈에 구비되는 제4단위부재의 다양한 형태를 나타낸 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치에 있어서, 제4단위부재의 형태에 따른 냉각용 모듈의 온도 변화 경향을 나타낸 그래프;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치에 있어서, 유한요소해석법을 이용한 냉각용 모듈의 열전달 모델 해석 결과를 나타낸 도면;
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치에 있어서, 유한요소해석법을 이용한 냉각용 모듈의 특성 분석 결과를 나타낸 그래프;
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치에 있어서, 대류 열전달 계수에 따른 냉각용 모듈의 열전달 특성 변화를 나타낸 그래프;
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치에 있어서, 초전도 자석의 다양한 형태를 나타낸 도면;
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치에 있어서, 초전도 자석의 형태에 따른 자기장 변화 특성을 나타낸 도면;
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치에 있어서, 제4단위부재의 구조를 나타낸 도면; 및
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치에 있어서, 제4단위부재의 내부에 구비되는 보조 파이프부재의 코팅 재료에 따른 자기장 분포 특성을 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing the structure of a cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to an embodiment of the present invention;
2 and 3 are diagrams showing the structure of a cooling module in a cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to an embodiment of the present invention;
Figure 4 is a view showing various forms of the fourth unit member provided in the cooling module in the cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to an embodiment of the present invention;
Figure 5 is a graph showing the temperature change trend of the cooling module according to the shape of the fourth unit member in the cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to an embodiment of the present invention;
Figure 6 is a diagram showing the results of heat transfer model analysis of the cooling module using finite element analysis in the cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to an embodiment of the present invention;
Figure 7 is a graph showing the results of analysis of the characteristics of the cooling module using finite element analysis in the cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to an embodiment of the present invention;
Figure 8 is a graph showing the change in heat transfer characteristics of the cooling module according to the convective heat transfer coefficient in the cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to an embodiment of the present invention;
Figure 9 is a diagram showing various forms of superconducting magnets in the cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to an embodiment of the present invention;
10 and 11 are diagrams showing magnetic field change characteristics according to the shape of a superconducting magnet in a cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to an embodiment of the present invention;
Figure 12 is a diagram showing the structure of a fourth unit member in a cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to another embodiment of the present invention; and
Figure 13 is a diagram showing magnetic field distribution characteristics according to the coating material of the auxiliary pipe member provided inside the fourth unit member in the cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to another embodiment of the present invention.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention, in which the object of the present invention can be realized in detail, will be described with reference to the attached drawings. In describing this embodiment, the same names and the same symbols are used for the same components, and additional description accordingly will be omitted.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치의 구조를 나타낸 도면이다.Figure 1 is a diagram showing the structure of a cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치는 챔버(5), 냉각용 모듈(100), 열전도체(30), 극저온 냉동기(10), 보조 냉동기(20) 및 초전도 자석(200)을 포함한다.As shown in FIG. 1, the cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to an embodiment of the present invention includes a chamber 5, a cooling module 100, a heat conductor 30, a cryogenic refrigerator 10, and an auxiliary refrigerator. (20) and a superconducting magnet (200).
챔버(5)는 의 내부에 수용공간(6)이 형성되며, 수용공간(6) 내의 공기를 외부로 배출시킬 수 있도록 구비되어 수용공간(6)을 진공 분위기로 형성할 수 있다.The chamber 5 has an accommodating space 6 formed inside it, and is equipped to discharge the air within the accommodating space 6 to the outside, so that the accommodating space 6 can be formed into a vacuum atmosphere.
냉각용 모듈(100)은 이와 같은 수용공간(6) 내에 노출되도록 상하 방향으로 길게 구비되며, 내부에 양자 소자 평가용 극저온 환경 테스트를 위한 테스트 대상(S, 도 3 참조)이 거치되는 닫힌 중공(105, 도 3 참조)이 형성된다. 그리고 중공(105) 내에는 헬륨 가스가 채워질 수 있으며, 이에 대해서는 후술하도록 한다.The cooling module 100 is provided long in the vertical direction so as to be exposed within the accommodation space 6, and has a closed hollow space (S, see FIG. 3) inside which a test object (S, see FIG. 3) for cryogenic environmental testing for quantum device evaluation is mounted. 105, see FIG. 3) is formed. Additionally, the hollow 105 may be filled with helium gas, which will be described later.
열전도체(30)는 한 쌍이 구비되어 냉각용 모듈(100)의 서로 제1냉각지점 및 제2냉각지점에 각각 연결될 수 있으며, 특히 제2냉각지점과 연결되는 열전도체(30)는 소정 지점에서 분지되는 형태로 형성되어 초전도 자석(200) 측으로도 연결될 수 있다. 다만, 초전도 자석(200) 측으로 연결되는 열전도체(30) 역시 독립적으로 구비되어 제2냉각지점과 연결되는 형태일 수도 있음은 물론이다.A pair of heat conductors 30 may be provided and connected to the first cooling point and the second cooling point of the cooling module 100, respectively. In particular, the heat conductor 30 connected to the second cooling point may be connected to the cooling module 100 at a predetermined point. It is formed in a branched form and can also be connected to the superconducting magnet 200. However, of course, the heat conductor 30 connected to the superconducting magnet 200 may also be independently provided and connected to the second cooling point.
열전도체(30)는 열전도성이 높은 금속, 예컨대 구리 등과 같은 재질로 형성될 수 있다.The heat conductor 30 may be formed of a material with high thermal conductivity, such as copper.
극저온 냉동기(10)는 수용공간(6) 적어도 일부가 노출되도록 구비되며, 냉각용 모듈(100)을 극저온으로 냉각시키도록 열전도체(30)와 열교환을 수행한다.The cryogenic refrigerator 10 is provided so that at least a portion of the receiving space 6 is exposed, and performs heat exchange with the heat conductor 30 to cool the cooling module 100 to a cryogenic temperature.
이때 극저온 냉동기(10)는 제1냉동부와 제2냉동부가 길이 방향을 따라 상하로 배치되어 2단 구조를 가질 수 있으며, 제1냉동부와 제2냉동부가 각각 열전도체(30)와 연결될 수 있다.At this time, the cryogenic freezer 10 may have a two-stage structure in which the first freezer and the second freezer are arranged up and down along the longitudinal direction, and the first freezer and the second freezer may each be connected to the heat conductor 30. there is.
특히 상부에 위치된 제1냉동부의 경우 약 65K의 온도 이하로 냉각용 모듈(100)을 냉각시킬 수 있으며, 제2냉동부는 제1냉동부에 비해 높은 온도인 4.2K의 온도 이하로 냉각용 모듈(100)을 냉각시킬 수 있다. 특히 초전도 자석(200)의 경우 6K 미만의 온도에서 저항이 매우 낮아지는 특성을 가지며, 6K 이상의 온도일 경우 저항이 높아 높은 자기장 형성이 어렵기 때문에, 제2냉동부와 열전도체(30)를 매개로 연결되도록 하여 4.2K의 온도 이하로 냉각되도록 할 수 있다.In particular, in the case of the first freezer located at the top, the cooling module 100 can be cooled to a temperature below about 65K, and the second freezer can cool the cooling module 100 to a temperature below 4.2K, which is a higher temperature than the first freezer. (100) can be cooled. In particular, in the case of the superconducting magnet 200, the resistance is very low at a temperature below 6K, and at temperatures above 6K, the resistance is high and it is difficult to form a high magnetic field, so the second freezer and the heat conductor 30 are used. It can be connected to so that it can be cooled down to a temperature of 4.2K or lower.
다만, 이는 하나의 예시로서 제시된 것이며 제1냉동부와 제2냉동부의 냉각 온도는 본 실시예만으로 제한되는 것이 아니다.However, this is presented as an example, and the cooling temperatures of the first freezer and the second freezer are not limited to this embodiment.
보조 냉동기(20)는 극저온 냉동기(10)와 함께 냉각용 모듈(100)을 냉각시키기 위해 추가적으로 구비된다. 이를 위해 냉각용 모듈(100)의 중공(105)에는 헬륨이 채워지며, 보조 냉동기(20)는 챔버(5) 외부에서 냉각용 모듈(100)의 중공(105) 내에 채워진 헬륨의 밀도를 조절하여 줄-톰슨 효과Joule-Thomson Effect)를 통해 중공(105) 내의 온도를 하강시킬 수 있다.The auxiliary refrigerator 20 is additionally provided to cool the cooling module 100 together with the cryogenic refrigerator 10. To this end, the hollow 105 of the cooling module 100 is filled with helium, and the auxiliary refrigerator 20 adjusts the density of the helium filled in the hollow 105 of the cooling module 100 from outside the chamber 5. The temperature within the hollow 105 can be lowered through the Joule-Thomson Effect.
초전도 자석(200)은 테스트 대상(S)이 위치된 영역의 둘레를 감싸도록 권취되어 자기장을 형성함에 따라, 테스트 대상(S)이 위치된 영역이 초전도 특성을 가지도록 한다. 초전도 자석(200)의 다양한 형태에 대해서는 후술하도록 한다.The superconducting magnet 200 is wound to surround the area where the test object (S) is located and forms a magnetic field, thereby causing the area where the test object (S) is located to have superconducting characteristics. Various forms of the superconducting magnet 200 will be described later.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치에 있어서, 냉각용 모듈(100)의 구조를 나타낸 도면이다.Figures 2 and 3 are diagrams showing the structure of the cooling module 100 in the cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to an embodiment of the present invention.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 냉각용 모듈(100)은 상하 방향으로 길게 구비되며, 한 쌍의 열전도체(30)가 연결되는 제1냉각지점 및 제2냉각지점이 각각 설정된다.As shown in Figures 2 and 3, the cooling module 100 is provided long in the vertical direction, and a first cooling point and a second cooling point where a pair of heat conductors 30 are connected are respectively set.
그리고 이와 같은 제1냉각지점 및 제2냉각지점에는, 열전도체(30)를 연결하고 열전도체(30)로부터 전달되는 냉기를 냉각용 모듈(100)에 전달하기 위한 링 부재(160)가 각각 구비될 수 있다. 이와 같은 링 부재(160)는 스테인레스 재질로 형성될 수 있으며, 이는 링 부재(160)를 열전도성이 높은 재질로 형성함에 따라 전달되는 열을 빠르게 빼앗기는 것을 방지하기 위한 것이다.In addition, the first cooling point and the second cooling point are each provided with a ring member 160 for connecting the heat conductor 30 and transmitting cold air transmitted from the heat conductor 30 to the cooling module 100. It can be. This ring member 160 may be made of stainless steel, and this is to prevent the heat being transferred from being quickly lost as the ring member 160 is made of a material with high thermal conductivity.
이때 양자 소자를 구동하기 위한 반도체 메모리 등과 같은 테스트 대상(S)은 제1냉각지점 및 제2냉각지점보다 낮은 위치에 구비될 수 있다.At this time, a test object (S), such as a semiconductor memory for driving a quantum device, may be provided at a position lower than the first cooling point and the second cooling point.
특히 본 실시예예서 냉각용 모듈(100)은 서로 복수 개의 단위부재(110~140)로 분할되고, 이들이 서로 상하 방향으로 접합된 형태를 가진다.In particular, in this embodiment, the cooling module 100 is divided into a plurality of unit members 110 to 140, and these are joined to each other in the vertical direction.
구체적으로 본 실시예의 냉각용 모듈(100)은, 제1냉각지점에서 상부로 연장되며, 스테인레스로 이루어지는 제1단위부재(110), 제1냉각지점에서 하부로 연장되도록 제1단위부재(110)의 하단에 접합되며, 구리로 이루어지는 제2단위부재(120), 제2단위부재(120)의 하단에 접합되며, 제2냉각지점이 형성되고, 스테인레스로 이루어지는 제3단위부재(130) 및 제3단위부재(130)의 하단에 접합되며, 내측에 테스트 대상(S)이 거치되고, 구리로 이루어지는 제4단위부재(140)를 포함한다.Specifically, the cooling module 100 of this embodiment includes a first unit member 110 that extends upward from the first cooling point and is made of stainless steel, and a first unit member 110 that extends downward from the first cooling point. A second unit member 120 made of copper, joined to the bottom of the second unit member 120, a second cooling point is formed, a third unit member 130 made of stainless steel, and a third unit member 130 made of stainless steel. It is joined to the lower end of the third unit member 130, the test object S is mounted on the inside, and includes a fourth unit member 140 made of copper.
이와 같이 냉각용 모듈(100)이 이종의 재료가 번갈아 접합되는 형태를 가지는 이유는, 단일 재료 사용시 냉각용 모듈(100)에서의 열손실률이 높기 때문에, 이종소재 접합을 통해 열손실을 최소화하기 위한 것이다.The reason why the cooling module 100 has a form in which different materials are alternately bonded in this way is because the heat loss rate in the cooling module 100 is high when a single material is used, so as to minimize heat loss through bonding of different materials. will be.
그리고 제4단위부재(140)의 하단에는 냉각용 모듈(100)의 중공을 차폐하기 위한 밀봉캡(141)이 구비될 수 있다.Additionally, a sealing cap 141 may be provided at the bottom of the fourth unit member 140 to shield the hollow portion of the cooling module 100.
또한 본 실시예의 경우, 제4단위부재(140)의 둘레를 감싸도록 형성되고, 스테인레스로 이루어지는 커버부재(150)를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 커버부재(150)는 제4단위부재(140)의 외측을 감싸 보호하는 역할을 수행한다.Additionally, in the case of this embodiment, a cover member 150 formed to surround the fourth unit member 140 and made of stainless steel may be further included. This cover member 150 serves to surround and protect the outside of the fourth unit member 140.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치에 있어서, 냉각용 모듈(100)에 구비되는 제4단위부재(140)의 다양한 형태를 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 것처럼, 제4단위부재(140)는 다양한 형태로 구현될 수 있다.Figure 4 is a diagram showing various forms of the fourth unit member 140 provided in the cooling module 100 in the cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the fourth unit member 140 may be implemented in various forms.
먼저 도 4의 좌측에 도시된 바와 같이, 제4단위부재(140A)는, 상단에서 하단에 걸쳐 일정한 지름을 가지는 내부가 빈 원기둥 형태로 형성될 수 있다.First, as shown on the left side of FIG. 4, the fourth unit member 140A may be formed in the shape of an empty cylinder with a constant diameter from top to bottom.
그리고 도 4의 중앙부에 도시된 바와 같이 제4단위부재(140B)는, 상단 및 하단에서 중간 지점으로 갈수록 지름이 점차 감소하는 모래시계 형태로 형성될 수 있으며, 또한 도 4의 우측에 도시된 바와 같이 제4단위부재(140C)는 상단에서 하단으로 갈수록 지름이 점차 감소하는 콘(Cone) 형태로 형성될 수 있다.And, as shown in the center of FIG. 4, the fourth unit member 140B may be formed in an hourglass shape whose diameter gradually decreases from the top and bottom to the middle point, and as shown on the right side of FIG. 4. Likewise, the fourth unit member 140C may be formed in a cone shape whose diameter gradually decreases from the top to the bottom.
이와 같이 제4단위부재(140)는 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 그 형태에 따라 열전달 특성에 차이를 가지게 된다.As such, the fourth unit member 140 can be implemented in various forms, and has different heat transfer characteristics depending on the form.
도 5에는, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치에 있어서, 제4단위부재(140)의 형태에 따른 냉각용 모듈의 온도 변화 경향을 나타낸 그래프가 도시된다.FIG. 5 shows a graph showing a temperature change trend of the cooling module according to the shape of the fourth unit member 140 in the cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to an embodiment of the present invention.
이를 참조하면, 원기둥 형태의 제4단위부재(140)가 가장 냉각 효율이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.Referring to this, it can be confirmed that the cylindrical fourth unit member 140 has the best cooling efficiency.
다음으로, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치에 있어서, 유한요소해석법을 이용한 냉각용 모듈(100)의 열전달 모델 해석 결과를 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치에 있어서, 유한요소해석법을 이용한 냉각용 모듈(100)의 특성 분석 결과를 나타낸 그래프이다.Next, Figure 6 is a diagram showing the results of heat transfer model analysis of the cooling module 100 using the finite element analysis method in the cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to an embodiment of the present invention, and Figure 7 is a diagram showing the results of the analysis of the heat transfer model of the cooling module 100 using the finite element analysis method. This is a graph showing the results of analyzing the characteristics of the cooling module 100 using finite element analysis in a cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to an embodiment of .
도 6에 도시된 바와 같이 시간의 경과에 따라 냉각용 모듈(100)은 제3단위부재(130)에서 제4단위부재(140)에 걸쳐 냉각이 이루어지는 것을 확인할 수 있으며, 이와 같은 특성은 도 7의 선형 스케일(Linear Scale) 및 로그 스케일(Log Scale)의 그래프로 해석할 수 있다.As shown in FIG. 6, it can be confirmed that the cooling module 100 is cooled from the third unit member 130 to the fourth unit member 140 over time, and this characteristic is shown in FIG. 7 It can be interpreted as a graph of linear scale and log scale.
그리고 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치에 있어서, 대류 열전달 계수에 따른 냉각용 모듈(100)의 열전달 특성 변화를 나타낸 그래프이다.And Figure 8 is a graph showing the change in heat transfer characteristics of the cooling module 100 according to the convective heat transfer coefficient in the cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to an embodiment of the present invention.
도 8에 도시된 바와 같이, 대류 열전달 계수가 0W/(㎡K), 1W/(㎡K), 5W/(㎡K), 10W/(㎡K)일 경우 각각에 따른 분석을 시도하였으며, 대류 열전달 계수가 0W/(㎡K)일 경우 냉각 효율이 가장 우수한 것으로 확인되었다.As shown in Figure 8, analysis was attempted when the convection heat transfer coefficient was 0W/(㎡K), 1W/(㎡K), 5W/(㎡K), and 10W/(㎡K), and the convection It was confirmed that the cooling efficiency was the best when the heat transfer coefficient was 0W/(㎡K).
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치에 있어서, 초전도 자석의 다양한 형태를 나타낸 도면이다.Figure 9 is a diagram showing various forms of superconducting magnets in a cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to an embodiment of the present invention.
전술한 바와 같이 초전도 자석(200)은 테스트 대상(S)이 위치된 영역의 둘레를 감싸도록 권취되어 자기장을 형성함에 따라, 테스트 대상(S)이 위치된 영역이 초전도 특성을 가지도록 하는 것으로, 다양한 형태로 구현될 수 있다.As described above, the superconducting magnet 200 is wound to surround the area where the test object (S) is located to form a magnetic field, so that the area where the test object (S) is located has superconducting characteristics, It can be implemented in various forms.
먼저 도 9의 좌측에 도시된 바와 같이, 초전도 자석(200A)은, 상단에서 하단으로 갈수록 지름이 점차 감소하는 콘(Cone) 형태로 형성될 수 있다.First, as shown on the left side of FIG. 9, the superconducting magnet 200A may be formed in a cone shape whose diameter gradually decreases from the top to the bottom.
그리고 도 9의 중앙부에 도시된 바와 같이 초전도 자석(200B)은, 상단에서 하단에 걸쳐 일정한 지름을 가지는 원기둥 형태로 형성될 수 있으며, 또한 도 9의 우측에 도시된 바와 같이 초전도 자석(200C)은 상단 및 하단에서 중간 지점으로 갈수록 지름이 점차 감소하는 모래시계 형태로 형성될 수 있다.And, as shown in the center of FIG. 9, the superconducting magnet 200B can be formed in the shape of a cylinder with a constant diameter from top to bottom, and as shown on the right side of FIG. 9, the superconducting magnet 200C has It can be formed in an hourglass shape with the diameter gradually decreasing from the top and bottom to the middle point.
그리고 도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치에 있어서, 초전도 자석의 형태에 따른 자기장 변화 특성을 나타낸 도면이다.10 and 11 are diagrams showing magnetic field change characteristics depending on the shape of the superconducting magnet in the cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to an embodiment of the present invention.
도 10 및 도 11에 나타난 바와 같이, 원기둥 형태의 초전도 자석(200B)의 경우 전체적으로 균일한 필드 영역을 가지나, 콘 형태의 초전도 자석(200A) 또는 모래시계 형태의 초전도 자석(200C)은 보다 우수한 플럭스 밀도를 가지는 것으로 확인된다.As shown in Figures 10 and 11, the cylindrical superconducting magnet 200B has an overall uniform field area, but the cone-shaped superconducting magnet 200A or the hourglass-shaped superconducting magnet 200C has better flux. It is confirmed to have density.
이를 종합적으로 고려했을 때, 콘 형태의 초전도 자석(200A)을 적용하는 것이 바람직하다.Considering this comprehensively, it is desirable to apply a cone-shaped superconducting magnet (200A).
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치에 있어서, 제4단위부재(140)의 구조를 나타낸 도면이다.Figure 12 is a diagram showing the structure of the fourth unit member 140 in a cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to another embodiment of the present invention.
도 12에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예는, 제4단위부재(140)의 내측에 제4단위부재(140)의 직경보다 작은 직경을 가지며, 코팅용 금속이 코팅된 구리 재질의 보조 파이프부재(142)가 추가적으로 구비된다는 특징을 가진다.As shown in FIG. 12, another embodiment of the present invention has a diameter smaller than the diameter of the fourth unit member 140 on the inside of the fourth unit member 140 and is made of copper coated with a coating metal. It has the characteristic of being additionally provided with a pipe member 142.
이와 같이 보조 파이프부재(142)를 구비하는 것은, 투과성이 우수한 금속을 코팅한 구리 재질의 부재를 추가적으로 구비할 경우 제4단위부재(140)의 하면 자기장 밀도가 크게 증가하기 때문이다.The reason why the auxiliary pipe member 142 is provided in this way is because the magnetic field density on the lower surface of the fourth unit member 140 increases significantly when a member made of copper coated with a metal with excellent permeability is additionally provided.
즉 본 실시예는 제4단위부재(140)의 내부에 위치된 테스트 대상(S)에 인접하도록 임의의 코팅용 금속이 코팅된 보조 파이프부재(142)를 구비함에 따라, 테스트 영역에서의 높은 자기장 형성을 유도할 수 있다.That is, in this embodiment, the auxiliary pipe member 142 coated with an arbitrary coating metal is provided adjacent to the test object S located inside the fourth unit member 140, so that the high magnetic field in the test area is provided. formation can be induced.
그리고 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 양자 소자 평가용 극저온 냉각장치에 있어서, 제4단위부재(140)의 내부에 구비되는 보조 파이프부재(142)의 코팅 유무에 따른 자기장 분포 특성을 나타낸 도면이다.And Figure 13 shows the magnetic field distribution characteristics according to the presence or absence of coating of the auxiliary pipe member 142 provided inside the fourth unit member 140 in the cryogenic cooling device for evaluating quantum devices according to another embodiment of the present invention. It is a drawing.
도 13에 나타난 바와 같이, 보조 파이프부재(142)에 철(Fe) 박막을 코팅할 경우, 코팅이 형성되지 않은 보조 파이프부재(142)에 비해 우수한 자기장 분포 특성을 나타낸다는 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 13, it can be seen that when the auxiliary pipe member 142 is coated with an iron (Fe) thin film, it exhibits superior magnetic field distribution characteristics compared to the auxiliary pipe member 142 on which no coating is formed.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.As described above, the preferred embodiments according to the present invention have been examined, and the fact that the present invention can be embodied in other specific forms in addition to the embodiments described above without departing from the spirit or scope thereof is recognized by those skilled in the art. It is self-evident to them. Therefore, the above-described embodiments are to be regarded as illustrative and not restrictive, and thus the present invention is not limited to the above description but may be modified within the scope of the appended claims and their equivalents.
S: 테스트 대상
5: 챔버
6: 수용공간
10: 극저온 냉동기
20: 보조 냉동기
30: 열전도체
100: 냉각용 모듈
105: 중공
110: 제1단위부재
120: 제2단위부재
130: 제3단위부재
140: 제4단위부재
141: 밀봉캡
142: 보조 파이프부재
150: 커버부재
160: 링 부재
200 초전도 자석S: test subject
5: Chamber
6: Accommodation space
10: Cryogenic freezer
20: Auxiliary freezer
30: heat conductor
100: Cooling module
105: hollow
110: First unit member
120: Second unit member
130: Third unit member
140: Fourth unit member
141: Sealing cap
142: Auxiliary pipe member
150: Cover member
160: Ring member
200 superconducting magnet
Claims (12)
상기 수용공간 내에 노출되도록 상하 방향으로 길게 구비되며, 내부에 양자 소자 평가용 극저온 환경 테스트를 위한 테스트 대상이 거치되는 닫힌 중공이 형성된 냉각용 모듈;
상기 냉각용 모듈의 제1냉각지점 및 제2냉각지점에 연결되는 열전도체;
상기 수용공간 내에 구비되며, 상기 냉각용 모듈을 극저온으로 냉각시키도록 상기 열전도체와 열교환을 수행하는 극저온 냉동기; 및
상기 테스트 대상이 위치된 영역의 둘레를 감싸도록 권취되어 자기장을 형성하는 초전도 자석;
를 포함하는,
양자 소자 평가용 극저온 냉각장치.A chamber having an accommodating space in a vacuum atmosphere formed therein;
A cooling module is provided to be elongated in the vertical direction so as to be exposed within the accommodation space, and has a closed hollow inside in which a test object for cryogenic environmental testing for quantum device evaluation is placed;
A heat conductor connected to a first cooling point and a second cooling point of the cooling module;
a cryogenic refrigerator provided in the accommodation space and performing heat exchange with the heat conductor to cool the cooling module to a cryogenic temperature; and
a superconducting magnet that is wound around the perimeter of the area where the test object is located to form a magnetic field;
Including,
Cryogenic cooling device for quantum device evaluation.
상기 초전도 자석은 상단에서 하단에 걸쳐 일정한 지름을 가지는 형태로 형성되는,
양자 소자 평가용 극저온 냉각장치.According to paragraph 1,
The superconducting magnet is formed in a shape with a constant diameter from top to bottom,
Cryogenic cooling device for quantum device evaluation.
상기 초전도 자석은 상단에서 하단으로 갈수록 지름이 점차 감소하는 형태로 형성되는,
양자 소자 평가용 극저온 냉각장치.According to paragraph 1,
The superconducting magnet is formed in a shape whose diameter gradually decreases from top to bottom,
Cryogenic cooling device for quantum device evaluation.
상기 초전도 자석은 상단 및 하단에서 중간 지점으로 갈수록 지름이 점차 감소하는 형태로 형성되는,
양자 소자 평가용 극저온 냉각장치.According to paragraph 1,
The superconducting magnet is formed in a shape where the diameter gradually decreases from the top and bottom to the middle point,
Cryogenic cooling device for quantum device evaluation.
상기 테스트 대상은 상기 제1냉각지점 및 상기 제2냉각지점보다 낮은 위치에 구비되는,
양자 소자 평가용 극저온 냉각장치.According to paragraph 1,
The test object is provided at a position lower than the first cooling point and the second cooling point,
Cryogenic cooling device for quantum device evaluation.
상기 냉각용 모듈은,
상기 제1냉각지점에서 상부로 연장되며, 스테인레스로 이루어지는 제1단위부재;
상기 제1냉각지점에서 하부로 연장되도록 상기 제1단위부재의 하단에 접합되며, 구리로 이루어지는 제2단위부재;
상기 제2단위부재의 하단에 접합되며, 상기 제2냉각지점이 형성되고, 스테인레스로 이루어지는 제3단위부재; 및
상기 제3단위부재의 하단에 접합되며, 내측에 상기 테스트 대상이 거치되고, 구리로 이루어지는 제4단위부재;
를 포함하는,
양자 소자 평가용 극저온 냉각장치.According to clause 5,
The cooling module is,
a first unit member extending upward from the first cooling point and made of stainless steel;
a second unit member made of copper and joined to the lower end of the first unit member to extend downward from the first cooling point;
a third unit member joined to the lower end of the second unit member, forming the second cooling point, and made of stainless steel; and
a fourth unit member joined to the lower end of the third unit member, inside which the test object is mounted, and made of copper;
Including,
Cryogenic cooling device for quantum device evaluation.
상기 제4단위부재는 상단에서 하단에 걸쳐 일정한 지름을 가지는 형태로 형성되는,
양자 소자 평가용 극저온 냉각장치.According to clause 6,
The fourth unit member is formed in a shape with a constant diameter from top to bottom,
Cryogenic cooling device for quantum device evaluation.
상기 제4단위부재는 상단에서 하단으로 갈수록 지름이 점차 감소하는 형태로 형성되는,
양자 소자 평가용 극저온 냉각장치.According to clause 6,
The fourth unit member is formed in a shape where the diameter gradually decreases from the top to the bottom,
Cryogenic cooling device for quantum device evaluation.
상기 제4단위부재는 상단 및 하단에서 중간 지점으로 갈수록 지름이 점차 감소하는 형태로 형성되는,
양자 소자 평가용 극저온 냉각장치.According to clause 6,
The fourth unit member is formed in a shape where the diameter gradually decreases from the top and bottom to the middle point,
Cryogenic cooling device for quantum device evaluation.
상기 제4단위부재의 둘레를 감싸도록 형성되고, 스테인레스로 이루어지는 커버부재를 더 포함하는,
양자 소자 평가용 극저온 냉각장치.According to clause 6,
It is formed to surround the fourth unit member and further includes a cover member made of stainless steel,
Cryogenic cooling device for quantum device evaluation.
상기 제4단위부재의 내측에는 상기 제4단위부재의 직경보다 작은 직경을 가지며, 코팅용 금속이 코팅된 구리 재질의 보조 파이프부재가 구비되는,
양자 소자 평가용 극저온 냉각장치.According to clause 6,
Inside the fourth unit member, an auxiliary pipe member having a diameter smaller than the diameter of the fourth unit member and made of copper coated with a coating metal is provided,
Cryogenic cooling device for quantum device evaluation.
상기 냉각용 모듈의 중공에는 헬륨이 채워지며,
상기 챔버 외부에서 상기 냉각용 모듈의 중공 내에 채워진 헬륨의 밀도를 조절하여 상기 중공 내의 온도를 하강시키는 보조 냉동기를 더 포함하는,
양자 소자 평가용 극저온 냉각장치.According to paragraph 1,
The cavity of the cooling module is filled with helium,
Further comprising an auxiliary refrigerator that lowers the temperature in the cavity by adjusting the density of helium filled in the cavity of the cooling module outside the chamber,
Cryogenic cooling device for quantum device evaluation.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020220047546A KR102722768B1 (en) | 2022-04-18 | Cryogenic Chillers for Evaluation of Quantum Devices |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020220047546A KR102722768B1 (en) | 2022-04-18 | Cryogenic Chillers for Evaluation of Quantum Devices |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20230148592A true KR20230148592A (en) | 2023-10-25 |
KR102722768B1 KR102722768B1 (en) | 2024-10-28 |
Family
ID=
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20030077639A (en) | 2001-02-23 | 2003-10-01 | 아이지씨 폴리콜드 시스템스 인코포레이티드 | Ultra-low temperature closed-loop recirculating gas chilling system |
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR20030077639A (en) | 2001-02-23 | 2003-10-01 | 아이지씨 폴리콜드 시스템스 인코포레이티드 | Ultra-low temperature closed-loop recirculating gas chilling system |
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