류 강식 (21세기 프론티어연구개발사업 차세대초전도응용기술개발사업단 단장)
제11회 기초과학문화포럼 발표자료
서 론
초전도체는 1911년 초전도현상이 처음 발견되고 1957년 그 현상을 설명할 수 있는 이론적 모델이 발표된 이후 거의 반세기가 지난 지금까지도 MRI, NMR, 소형 SMES, SQUID 등의 몇몇 응용분야를 제외하고는 그다지 상업적으로 상용화에 성공하지 못하고 있는 가장 큰 이유 중에 하나는 현재 발견된 초전도재료를 이용하여 초전도현상을 유지하기 위한 극저온시스템의 낮은 효율로 인한 경제성 문제에 있다고 할 수 있는데 극저온효율은 당연히 온도가 올라가면 향상되기 때문에 이 문제의 적극적인 해결방법은 초전도현상이 나타나는 온도(임계온도)를 높일 수 있는 초전도체의 개발이라 할 수 있고 이를 위해 과거부터 현재에 이르기까지 수많은 과학자가 연구에 전념하고 있다. 이러한 세계 각 국의 노력으로 고온초전도체가 처음 발견된 1986년 이후 15년이 지난 현 시점에서 볼 때 재료적으로는 액체질소온도에서 안정적으로 사용 가능한 고온초전도선을 개발한 상태로 이미 선진 2~3개 나라에서는 대량 생산 판매하고 있는 정도까지 이르고 있다. 응용면에서도 이들 고온초전도선을 이용하여 저온초전도에 비해 고온초전도화에 따른 이점을 가지고 있는 케이블, 변압기 등과 같은 전력기기분야, Fly wheel과 같은 에너지 분야, 자기분리와 같은 환경분야 등의 일부 응용분야에서는 실험실적 모델기 개발에 이은 실용기 개발을 위한 현장 실증시험단계에 이르고 있는 등 가까운 장래에 상용화될 전망이다. 미국의 DOE나 일본의 NEDO 등에서 분석한 예측자료와 지금까지의 세계적인 연구개발 상황과 그 추세로 비추어 볼 때 향후 10~15년 이내에 전력, 정보전자, 에너지, 환경, 의료, 계측 등의 산업분야에 본격적인 상업화가 이루어 질 것으로 전망됨에 따라 우리나라도 향후 10년 후 선진기술국 진입을 목표로 한 새로운 형태의 기술개발지원정책을 수립하여 선택적 집중투자를 하지 않으면 안될 때라 여겨진다. 본 포럼에서는 초전도기술분야에 있어서 10년 후 선진국 수준의 기술개발과산업화를 촉진시키기 위한 보다 실효성 있고 강력한 정책이 무엇인가에 대해서 현재 진행되고 있는 기술개발현황을 바탕으로 그 방향을 조명해 보고자 한다.
초전도기술의 중요성
초전도는 20세기 구리시대를 Break Through할 수 있는 신기술로서 기술적 한계로 인해 성장이 포화될 것으로 예상되는 기존산업에 초전도기술을 접목하면 케이블, 변압기, 발전기, 모터 등과 같은 기존산업과의 접목산업과 에너지저장, 초전도 자기부상, 초고속 슈퍼컴퓨터 등과 같은 신산업이 창출되어 21세기 경제패러다임의 변화에 부응하는 새로운 성장견인산업이 발굴되게 될 것이다. 세계은행의 예측을 보면 초전도 관련 세계시장은2000년부터 서서히 증가하여 2010년 이후에는 본격적인 시장이 형성될 것으로 보고 있으며, 국제초전도 산업연맹(ISIS: International Superconductivity Industrial Summit) 또한 세계초전도시장이 2010년경 600～900억불, 2020년경 1,500～2,000억불에 달할 것으로 전망함으로서 가까운 장래에 환경, 효율, 속도의 3대 성장요소를 축으로 하는 거대 초전도시장의 출현이 임박했음을 알 수 있다. 초전도기술의 가장 큰 특징인 전기저항 제로는 기존의 아날로그식 효율개선을 뛰어넘는 효율혁신을 도모하게 될 것이다. 만약 우리나라의 전력분야에 초전도기술이 도입되는 것을 상정하면 국내전력공급시스템의 효율을 3.72% 정도 향상시킬 수 있어 2010년경에는 63빌딩 232개의 1년치 정도에 해당하는 에너지의 사용량을 절감할 수 있을 것으로 보인다. 이것은 단지 에너지 절감만을 의미하는 것이 아니고 에너지 절감량에 해당하는 화석연료를 사용하지 않는다고 할 때 지구온난화에 기여하는 CO2가스 배출도 감축시킬 수 있음을 의미하기 때문에 초전도기술의 도입은 에너지위기뿐만 아니라 기후변화협약에도 적극 대응할 수 새로운 성장산업으로 발전할 수 있게 된다. 또한 21세기는 20세기 보다 더욱 고도화된 정보통신사회로 디지털 경제하에서 유통되는 막대한 양의 정보처리를 위한 새로운 기반이 조성되어야 하는데 그것은 거대 정보통신 네트웤 경제사회구조의 유지를 위한 고도의 안정성 및 초정밀성을 갖춘 전력공급시스템의 구축과 수백 GHz의 신호처리속도가 가능한 초전도기술을 이용한 정보통신산업의 초고속 대용량 저전력화기술 개발이라고 할 수 있다. 이와 같이 초전도기술은 새로운 경제성장엔진 발굴, 미래의 막대한 초전도시장 선점, 기후변화협약 대응,고도 정보통신사회 구현 등을 통해 국민의 삶의 질의 향상은 물론 국가경제 발전에 직접적으로 기여할 수 있는 대단히 중요한 기술임을 알 수 있다.
선진국의 기술개발 전략
고온초전도체가 발견된 1987년을 기점으로 미국은 초전도기술의 국가 경쟁력향상법으로, 일본은 의회차원에서 중.참의원으로 구성된 초전도산업의원연맹에 의한 초전도기술개발종합대책 수립으로, EU는 EU의 국제경쟁력 강화차원에서 EU공동기금을 활용한 육성프로그램 수립으로 각 나라별로 상황에 맞게 초전도분야를 집중 육성하는 프로그램을 마련하고 있으며, 이들 선진국 모두 연간 약 1억불 규모의 기술개발자금을 지원하고 있다. 구체적인 추진체계를 보면 미국은 레이건 정부에 의해 National Superconductivity & Competitiveness Act('88)제정 하고 이 법에 따라 DOE는 전력기기 중심의 초전도 R&D 프로그램 선도를, DOC는 초전도 재료 및 응용기기의 조기 상업화를, DOD는 위성간 전자통신응용소자 개발을, NSF는 초전도 기초연구 및 R&D자금 조달을, NIST는 초전도 재료연구 및 기기 표준화를, NASA는 항공우주기술 및 우주기술 상업화 프로그램을 담당하는 부처별 역할분담에 의한 세부 프로그램을 수립하여 향후 10년이내에 초전도기술을 완전 상용화한다는 계획하에 산.학.연 공동 연구개발 프로그램을 운영 하고 있다. 일본은 "고온초전도개발 10개년 계획('88)"하에 New Sunshine(통산성), Multi Core Project(과학기술청), Maglev Project(운수성)등의 부처별 프로그램을 수립하여 기술개발을 지원하고 있고, EU는 "초전도 공동개발 Framework('84)"을 결성하여 BRITE/EURAM 및 SCENT 프로그램을 수립하고 "유럽초전도산업공동체(CONECTUS: Consortium of European companies Determaine to Use Superconductivity('93)"를 주축으로 EU기업 간 초전도기술협력 강화 및 산업화를 촉진하고 있다.
지금까지의 우리나라의 기술개발 전략
선진국에 비해 뒤늦게 초전도 기술개발 경쟁에 뛰어 든 우리나라는 이제 막 MRI, 저온 금속계 초전도선, SQUID소자 등에서 일부산업이 태동할 움직임을 보일 정도로 선진국에 비해 산업기반이 극히 미미한 초기 수준이다. 연구개발 주체 또한 기업과의 협동연구보다는 전문 연구기관 차원의 개발형태가 대부분이며 초전도 기술의 산업화를 위한 기본 인프라도 절대 부족 상태인데 이것은 초전도에 대한 산.학.관의 총체적인 인식이 부족한 상태에서 기인된 듯 하다. 지금까지 우리나라 정부차원의 지원은 과학기술기부의 초전도핵융합장치개발(G-7사업), 재료 및 전자소자개발 (국가중점기술개발사업), 산업자원부의 초전도기반조성사업 (산기반조성사업), 보건복지부의 MRI 개발 (선도기술개발사업) 정도가 전부로 핵융합장치개발을 위한 연구비(순수 연구개발보다는 주로 핵융합장치건설사업 측면이 강함)를 제외하면 선진국 1억불의 10%도 안 되는 수준이며, 기술개발 인적 자원 또한 초전도 관련 전문인력은 석사이상의 대학원생을 포함하여도 선진국 대비 3~5%수준의 불과 약 250여명 정도로 절대연구인력이 부족한 실정이다. 그러나 다행인 것은 선진국과 비교하여 적은 규모의 인력과 기술개발비 그리고 짧은 연구경험에도 불구하고 이들 소수 초전도 연구인력의 강한 집념에 의한 노력으로 초전도재료기술은 선진국 대비 70~80% 수준(핵심가공기술확보), 에너지응용기술은 선진국 대비 50～60% 수준(시제품 개발), 전자통신응용기술은 선진국 대비 50～60% 수준(기반핵심기술확보)에 이를 정도로 비교적 폭넓은 분야에 걸쳐 기초 및 응용기술을 확보하고 있다는 점이고 이들 축적된 기술을 바탕으로 향후 10년 후인 2012년경에는 우리나라도 초전도기술의 선진국진입을 목표로 한 강력한 연구개발프로그램으로 21세기 프론티어연구개발사업의 일환으로 차세대 초전도응용기술개발사업을 작년에 출범시켰다는 점이다..
차세대 초전도응용기술개발사업 현황
초전도기술은 "차세대초전도응용기술개발사업"명으로 2001년도에 선정된 사업으로 초전도기술개발로 인해 국민생활의 질적 향상과 에너지저소비형 경제사회를 구현한다는 의미에서 "Dream of Advanced Power system by Applied Superconductivity technology Program"의 약자로DAPAS Program이라 칭하고 있다. DAPAS Program에서는 한정된 자원으로 인해 초전도 관련기술 모든 분야를 개발대상으로 삼을 수가 없어 수많은 응용분야 중에서도 국내외 상황을 고려하여 우리나라가 강점을 가지고 있으며, 향후 기술개발 노력여하에 따라 세계적 수준에 도달이 가능한 분야를 선택, 집중 개발하여야 할 필요성에 따라 기술개발 가능한 모든 초전도응용기술에 대하여 세계적인 연구개발 상황, 국내의 기술개발 수준, 기존 산업의 위치, 기술개발 가능성 등을 면밀히 분석하여 기술개발 완료 시 국가적 차원에서의 경제적, 산업적 파급효과가 가장 클 것으로 예상되는 전기에너지기기(전력기기)분야와 차세대 초고속 정보통신 사회를 구현하기 위해 필요한 초전도디지털 소자 분야를 기술 개발의 대상으로 설정하였다. 이렇게 선정된 분야에 대해 DAPAS 사업에서는 연구 개발된 초전도기기의 초기 실용화 투입시점을2008년경으로 보고 사업이 마무리되는 2011년 이후부터 4～5년 내에 기존 전력기기의 15% 정도를 초전도전력기기로 교체한다는 계획 하에 구리선에 비해 수백 배 이상의 전류를 흘릴 수 있는 고온초전도선과 이를 사용하여 동일 정격의 전기기기의 크기와 중량 및 손실을 50% 이상 절감할 수 있는 초전도전력기기를 개발하고 반도체에 비해 수십 배 이상의 처리속도가 가능한 초전도디지털소자의 개발을 사업내용으로 하고 있다. 그렇게 되면 적어도 이 사업이 마무리되는 시점에서는 우리나라도 미국, 일본과 어께를 나란히 하면서 세계를 주도할 수 있을 것으로 생각한다.
초전도기술의 세계화 전략
앞에서 언급한 과학기술부의 21세기 프론티어사업은 허용된 예산범위로 인해 수 많은 응용분야 중에서 전력기기와 정보통신소자분야에 국한되어 연구개발하고 있지만 이들 응용외에도 우리나라가 강점을 가지고 세계화할 수 있는 기술은 많다고 본다. 따라서 과기부외에도 관련된 타 부처에서 그 부처의 성격에 따른 연구개발프로그램을 수립하여 궁극적으로는 초전도기술 전반에 걸쳐 산업화에 대비할 필요가 있다. 아울러 기술개발결과를 산업화에 까지 이르게 하는 데에는 연구개발외에 여러 가지 인프라가 수반되어야만 가능하다고 보고 그 방안을 찿아 보아야 할 것이다.
가. R&D 자립기반 구축
오늘날의 지식기반사회에서는 과거 어느 때보다도 기술개발의 중요성이 강조되고 있으며 이와 같은 상황을 인식한 정부에서는 생명공학(BT), 정보통신기술(IT), 나노기술(NT), 우주항공기술(ST), 에너지.환경기술(ET)등 5대 기술을 국가 전략기술로 선정하여 범 국가차원에서 이들 5대 신산업을 육성하기 위한 종합프로그램을 수립하여 지원하고 있다. 초전도기술은 이들 5개 기술분야를 모두 지원할 수 있으면서도 기술의 독립성이 크고 그 기술의 성격과 규모 또한 방대하기 때문에 선진국의 경우에서와 같이 개별 정부부처 보다는 범 국가적 차원에서의 종합기술개발전략 수립을 통해 초전도 산업의 Industrial Road Map 및Technical Road Map등 장기비전 제시하고 시장 따라잡기(Catch up Market)에서 탈피하여 시장선도(Leading Market)형 기술개발 전략을 수립하는 것이 무엇보다 중요하다고 본다. 그 다음으로는 정부 부처간 유기적인 역할분담체제를 구축하여 기술개발수행에 따른 효율성과 기술개발결과의 활용성을 극대화하면서 초전도 기술개발 재원의 추가적인 안정적 조달기반을 갖추어야 한다고 본다.
나. 초전도기술의 산업화 환경 조성
초전도기술은 기술개발과정에서 다른 어떤 기술분야보다도 고가의 연구시험설비가 필요할 뿐만 아니라 다 학제간의 협력에 의한 기술의 융합이 필요한 기술이며 기술개발 후에도 산업화에 이르는 데에는 많은 시행착오를 겪을 수 있기 때문에 기술개발에서 산업화에 이르는 기간을 단축하고 설비투자비비 효율성 증대하고 기술을 융합시킬 수 있는 구심점 있는 전문기관을 설립이 필요하다. 이미 산자부에서는 2000년 초에 21세기를 돌파할 돌파산업으로 초전도기술을 지정한 바가 있으며 그 일환으로 연구시험설비를 종합적으로 구축하여 산.학.연이 공동으로 활용하고 기술개발 결과를 신속히 해당 기업에 이전시키는 것을 목적으로 초전도기술산업화지원센터(SINTEC)를 설립한 바가 있으나 이것은 어디까지나 초전도선재를 사용한 대규모 응용을 위한 기반 시설이고 초전도박막을 이용한 전자.정보.통신분야에서도 이와 비슷한 공동연구시험시설 구축이 필요하다고 본다. 또한 이상에서와 같이 직접적인 투자외에도 국가 "장기전력수급계획"에 초전도 전력기기의 도입시기를 반영하여 기업참여를 유도하고 시장에 대한 예측가능성을 부여하거나 에너지부문의 중장기계획과 초전도산업육성계획을 연계 운영시키는 방안 즉 "기후변화협약종합대책", "국가에너지절약종합대책"등에 초전도 Solutions을 반영하여 초전도기기의 수요를 창출하는 방법도 초전도기술의 산업화 환경조성을 위해 필요한 과제라고 생각한다.
다. 산업화촉진을 위한 지원인프라 구축
우리나라의 초전도관련 전문인력은 대략 250여명 내외로 기술개발과 산업화를 적극 촉진하기 위해서는 절대 부족하다. 그 원인으로는 산.학.관의 총체적인 초전도기술에 대한 인식부족과 관련 지원제도에도 그 원인이 있다고 할 수 있으나 그것보다는 지금까지는 대학에서의 초전도기술 관련 인력의 배출이 미흡하였고 설사 인력을 배출하여도 졸업 후 그 인력을 흡수할 산업체의 수요가 부족하였기 때문에 수요와 공급의 불균형으로 인한 악순환 문제가 더 크다고 볼 수 있다. 이와 같은 악순환 문제의 개선을 위해서는 인력의 수요창출이 시급한 문제이나 앞에서 언급하였던 R&D 자립기반구축과 산업화 환경조성 등을 통해 이 문제는 어느 정도 해소할 수 있을 것으로 보인다. 그렇다면 이제부터는 더욱 안정된 R&D 기반구축과 산업화 환경조성을 위한 노력과 함께 인력의 공급문제에 관심을 가져야 하며 이를 위해서는 대학에서의 초전도 관련 인력양성이 원활히 이루어 질 때라 여겨진다.
맺음말
전력 및 에너지, 전자, 정보통신, 교통, 생명, 의료, 거대과학, 환경 등 산업 전 분야 걸쳐 응용되어 반도체 이후 제 3의 산업혁명을 이끌 것으로 예상되는 초전도기술은 그 막대한 시장규모만큼이나 인류의 생활에 많은 영향을 미칠 것으로 보이며 실용화 시기도 향후 10년 내외로 바로 목전에 와 있다. 이제 우리도 미국이나 일본과 같이 세계를 선도하려면 과거 막연한 미래기술로만 여겨 왔던 초전도기술을 국가경제규모에 걸맞게 정부나 산업체로부터 보다 적극적이고 집중적인 투자하는 지혜를 발휘할 때라 여겨진다. 본 포럼에서는 이와 같은 관점에서 지금까지의 연구경험과 평소 나름대로 느껴 왔던 초전도기술개발정책에 대한 생각을 바탕으로 초전도기술의 개요와 국내외 기술개발정책을 간략하게 소개하고 우리가 나가야 할 몇 가지 방향을 제안하였으나 선진국에 비해 벌어진 기술격차를 해소하고 세계적인 추세에 발 맞추어 초전도기술의 산업화를 구축하고 앞당기는 데에는 이들 대안 외에도 해결하여야 할 수 많은 과제가 있다. 그러나 어떠한 정책적인 배려보다도 중요한 것은 직접적으로 초전도와 관련된 연구자 외에도 산.학.연.관.민 모두의 관심과 적극적인 참여의식이 중요하다고 볼 수 있다. 끝으로 지면과 시간 관계상 충분한 논의는 못하였지만 본 포럼을 통해 초전도기술개발이 더욱 활성화되어 국가발전에 기여하는 계기가 되기를 희망한다.