초전도 자석 응용

초전도 재료의 벌크 응용과 기술개발 전망

경성대학교 공과대학 재료공학과 李世鍾 교수

1. 서론
현재 각국은 초전도 기술의 확립을 통해 에너지 효율을 높여 산업 경쟁력을 높이고자 초전도재료 응용과 기술개발을 국가적인 과제로 추진하고 있다. 벌크 초전도체 응용분야는 초전도체의 우수한 전기전도성과 낮은 열전도도를 이용하는 전류 인입선, 전력계통 안정화를 위한 초전도 한류기, 자석과 초전도체간의 자기부상을 이용하는 자력부상, 외부자장을 차폐하는 특성을 이용한 자기차폐, 초전도 영구자석 등이 있다. 초전도자석은 초전도체를 이용하여 자장을 발생시켜서 기존의 전자석이나 영구자석보다 훨씬 높은 정자장을 안정하게 발생시킬 수 있다. 초전도자석은 저항손실 없이 코일에 대전류를 흐르게 하여 대공간의 공심 구조에서도 높은 자장을 발생시킬 수 있으며 전류 감쇠가 없는 영구전류 상태에서 정밀 자장을 발생시키거나 이를 이용하여 자기에너지를 저장할 수도 있다.

1950년대 이후 미국에서 Nb-Ti, Nb₃Sn 등의 합금계 및 화합물 저온 초전도 재료가 발견과 함께 초전도자석 응용연구가 활기를 띠게 된다. 1972년에 영국에서 초전도자석을 이용한 NMR spectrometer의 개발에 성공하였으며 1982년에는 MRI용 초전도자석 상용화기를 개발하면서 연구분석 및 의료분야에서 세계시장을 형성하는 계기를 마련하였다. 한편 1986년 이후 액체질소의 비등점인 77K 이상에서 초전도현상을 나타내는 산화물계의 고온 초전도재료의 발견은 초전도 현상의 산업응용에 대한 기대를 더욱 고조시키고 있다. 고온초전도 자석에 대한 연구 개발도 아직은 실용화 초기 단계이지만 세계적으로 활발히 이루어지고 있다. 본 글에서는 초전도자석의 응용과 최근의 연구 동향에 대해서는 간단히 언급하고자 한다.

2. 초전도 벌크의 응용
초전도체는 에너지, 전력사업, 의료산업, 환경산업, 반도체산업, 교통수송분야 등의 다양한 분야에 응용이 가능하며 일상생활의 여러 분야에서 이미 상당히 상용화가 이루어 졌다. 전류밀도가 아주 높은 도체를 이용하기 때문에 기기를 소형화할 수 있고 초전도의 완전도전성에 의한 효율 향상으로 소비 전력을 대폭 절약할 수 있으며, 전기에너지의 절약은 지구 온난화의 주범인 이산화탄소 배출량을 절감하는 등의 효과가 있으므로 친환경적인 기술이라고 할 수 있다.

MRI 기기
의료용으로 사용되고 있는 MRI(Magnet Resonance Imaging)장비는 인체에 유해한 방사선을 발생하지 않으면서 환자의 해부학적 구조 및 생리학적 정보를 얻을 수 있으며 뇌, 뼈, 관절, 복부 및 각종 질환 등에 탁월한 진단의 정확도를 보이는 최첨단의 영상 진단 장치이다. 현재 미국, 일본 및 유럽을 중심으로 전 세계적으로 보급되어 첨단 의료진단용으로 우수한 기능을 발휘하고 있다.
초기에는 금속초전도 재료를 사용하는 MRI의 성능 향상을 위한 기술 개발이 주로 진행되어 왔으나, 기술의 진보와 더불어 최근에는 환자와 사용자 모두에게 편리한 기능을 제공하는 다양한 형상의 MRI가 출시되고 있다. MRI 보급 확산의 큰 장애가 되어온 고가의 운전비용 문제는 효율적인 냉각시스템의 개발에 함께 의료기관에의 보급이 급속하게 증가하고 있는 추세이다. 대부분의 초전도 MRI는 환자가 자석 홀 안으로 들어가야 하기 때문에 진단 시 두려움을 유발하기도 하였으나 최근에는 개방형 MRI가 개발되었고, 액체 질소의 온도에서 작동하는 고온초전도 재료를 이용한 MRI 시제품이 개발되어 헬륨 공급이 어려운 지역에서도 첨단의 MRI 의료 혜택을 누릴 수 있을 것이다. 국내에서는 1992년부터 한국전기연구원을 중심으로 국내 최초로 초전도 MRI 시제품을 개발하여 전신 촬영 시험에 성공하였으며 업체와 공동으로 초전도 MRI 시스템을 국산화하기 위한 연구를 계속 수행하고 있다.
NMR spectrometer
NMR은 공명 현상을 이용하는 점에서는 MRI와 유사하나 NMR은 영상을 얻는 것이 아니고 일정 크기의 스펙트럼을 얻는다. NMR은 유기물이나 무기물의 구조를 밝히는데 있어서 가장 좋은 분석장치로 특히 생명공학 연구의 핵심인 인체내의 다양한 물질의 분자구조의 연구에 있어서 매우 중요한 도구로 쓰이고 있다.
최근 단백질 구조 분석을 위하여 일본, 미국. 독일에서 산화물 고온초전도재료를 이용한 고성능의 NMR 시스템을 개발하고 있다.
자기부상운송 시스템
초전도자석의 강력한 자기력을 이용하면 무거운 차량을 부상시킴으로서 차륜과 레일사이의 마찰이 없기 때문에 승차감이 좋고 시속 500km 이상의 고속주행이 가능하다. 초전도자기부상열차는 일본에서 Nb-Ti 초전도 재료를 이용한 시험선로를 만들어서 주행시험을 하고 있으며 현재 사람을 태운 주행시험에서 552km/h를 달성하였다.
또한 통상적으로 물체의 운송에는 벨트식의 운송장치를 사용하기 때문에 부품 운송 시 벨트의 마찰에 의해 분진이 생길 가능성이 높으나, 초전도체의 자기 부상 특성을 이용하여 영구자석으로 만든 레일 위에 초전도체를 부착한 운반체를 놓으면 마찰 없이 물체를 운송할 수 있다. 일본의 도시바에서 반도체 공정을 위한 청정실에서 사용되는 운송장비를 초전도체의 자기부상 원리를 이용하여 제작하였다.
자기분리 시스템
자기분리란 물, 해수 및 각종 유기용매 등에 분산되어 있는 미립자를 강력한 자기력을 이용하여 선별 또는 여과시키는 기술을 말한다. 높은 자기력을 발생하기 위하여 초전도자석을 이용하며 자석 보아 내부에 미세한 매트릭스로 구성된 자기 필터를 배치여 자성체 불순물 입자가 필터를 통과할 때 포획한다. 현탁액 중의 강자성체 미립자뿐만 아니고 약자성체, 상자성체의 미립자와 미생물의 경우도 일정의 전처리를 통하면 고속으로 분리할 수 있다. 이 기술은 자성입자를 공업적 규모로 처리할 수 있기 때문에 당초 점토의 철분 제거에 실용화된 이후 각종 오폐수 처리, 자원회수, 가스처리 등의 분야에서 응용 연구가 행하여지고 있다. 일본 금속재료기술연구소는 고온초전도 재료를 이용하여 초전도자기분리장치 시제품을 제작하여 미세한 입자의 분리 실험에 성공하였다.
베어링
일반적으로 사용되는 베어링은 베어링과 회전축이 접촉하여 축을 지지하므로 접촉에 따른 마찰로 인하여 에너지 손실이 있게 된다. 영구자석의 자력을 속박하는 능력이 있는 초전도체와 함께 영구자석을 부착한 물체를 부상시키면 무접점 방식으로 마찰에너지 손실을 최소화 할 수 있고 특별한 위치 제어장치 없이 물체 위치를 고정할 수 있다.
초전도체를 베어링으로 사용하여 천체 관측용 망원경을 만들면 망원경의 회전부분 등의 구성이 간단해지고 작은 크기로의 제작이 가능하여지며, 총 작동비용을 절감할 수 있다. 베어링 재료로는 산화물 고온초전도 재료가 가장 널리 사용되고 있으며 국내에서는 한국 원자력 연구소에서 초전도체 베어링 시스템을 개발하였다.

3. 맺음말
지금까지 초전도벌크재료의 다양한 응용기술에 대하여 살펴보았다. MRI 기기, NMR spectrometer는 이미 상업적으로 성공하였고 이 시스템들에 있어서 초전도자석의 필요성은 충분히 인식되고 있다. 자기분리 시스템은 기존의 상전도 전자석을 사용하는 것보다 초전도자석을 사용하는 것이 처리속도나 효율을 크게 높일 수 있으나 기존의 오폐수 처리기술과 비교하여 초기 투자비용이 많이 들기 때문에 대용량 시스템이 필요한 분야에 우선적으로 실용화의 가능성이 높다고 볼 수 있다. 특히 상대적으로 저가의 비용으로 작동이 가능할 것으로 예상되는 고온초전도도체의 응용개발이 완성되면 다양한 산업 분야에서 폭넓게 활용될 것이다.

국내에서 초전도응용기술에 대한 연구는 1980년대 중반부터 시작되었으며 1990년대에 들면서 한국전기연구원을 중심으로 초전도 NMR자석, 고자장의 금속계 초전도자석 등이 개발되었다. 국산 초전도 응용제품을 상업적으로 생산하여 판매한 적은 없으나 많은 연구 사업을 통하여 초전도자석 개발에 필요한 다양한 요소기술을 개발하고 있다. 2001년도에는 초전도 기술응용개발(DARPAS) 프로젝트가 과기부 주관의 10년 기간의 차세대 프론티어사업 과제로 선정되어 국내외의 산.학.연의 협동 연구로서 진행되고 있다. 끝으로 여기서 미처 기술하지 못한 많은 분야에서도 초전도체의 실용화 연구는 국내외에서 꾸준히 이루어지고 있다.

월간 세라믹스 2002년 4월호 게재