[신기술]국내 최초 1㎞급 MgB2 초전도선 제조 성공

강창대 기자
입력 2018.07.01 00:00

국내 최초 1㎞급 MgB2 초전도선 제조 성공

원자력연·㈜삼동 공동연구…차세대 의료·전력기기 발전 기대

출연연구기관과 국내 중견기업이 공동 연구의 노력으로 국내 최초로 1㎞급 ‘이붕화 마그네슘’(MgB2) 초전도선 제조에 성공했다. 이붕화 마크네슘(MgB2)은 마그네슘과 붕소가 1:2로 배합된 화합물로 초전도 임계온도 39K의 초전도체이며 이미 2001년에 처음으로 발견된 초전도 원료다.

자료: 한국원자력연구원

초전도 임계온도 높은 ‘MgB2’

‘Powder-in-tube’ 가공기술 사용

한국원자력연구원(이하 연구원)은 ㈜삼동은 5월 31일에 공동으로 길이 1㎞, 전기량 200A 이상의 ‘이붕화 마그네슘’ 초전도선 개발에 성공을 자축하는 행사를 가졌다. 1㎞급 ‘이붕화 마그네슘’ 초전도선 제조에 성공한 사례는 이번이 처음이다. 이를 개발하는 과정에 초전도 원료 분말을 금속관에 넣어 기계적 공정으로 가공하는 ‘파우더인튜브법(Powder-in-tube)’이 사용됐다고 한다.

‘이붕화 마그네슘’ 초전도체는 초전도 임계온도(절대온도: 39K, -234℃)가 높아 고가의 냉매인 액체 헬륨을 사용하지 않고 냉동기만으로도 초전도 상태를 만들 수있어 차세대 전력 및 의료기기의 핵심소재로 각광받고 있다.

의료용 자기공명영상기기(MRI)나 초전도 전력기기에는 적정 수준 이상의 전류를 흘려보낼 수 있는 최소 1㎞ 이상의 초전도선이 필요하지만, 그 동안 국내에서는 생산하지 못했다. 그런데 마침 연구원과 ㈜삼동이 200A(액체헬륨 온도 4.2K 기준) 이상의 전류를 흘려보낼 수 있는 초전도선이 1㎞ 길이로 제조돼 산업화 수준에 도달한 것으로 평가된다.

한국원자력연구원과 ㈜삼동이 국내 최초 1km급 이붕화 마크네슘(MgB2) 초전도선 제조 성공 기념식을 가졌다.

㈜삼동 관계자가 이붕화 마크네슘(MgB2) 초전도선 제조 설비를 확인하고 있다.

11㎞ 초전도선 국산화,

의료 및 응용기기 발전에 기여 기대

초전도선은 극저온인 초전도 임계온도 이하로 냉각시켜 전기저항이 없어지는 초전도 현상을 이용하는 소재다. 손실 없이 전류를 흘려줄 수 있어 차세대 첨단 소재로 관심을 모으고 있다. 직경 1㎜의 가느다란 초전도선을 이용하면 초전도 자석 등과 같은 응용기기를 만들수 있다.

원자력연구원 방사선과학연구소는 2014년 2월 ‘이붕화마그네슘’ 초전도선 공정특허와 노하우를 전기소재 중견기업인 ㈜삼동에 이전한 바 있다. 이후, 같은 해 10월에 체결한 ‘이붕화 마그네슘 초전도선 제조기술 개발을 위한 공동연구 기술협력합의각서(MOA)’에 따라 연구원 내에 공동연구센터를 개설하여 ㈜삼동의 초전도선 제조연구를 다방면으로 지원해왔다.

연구원 임인철 방사선과학연구소장은 31일 축하행사에서 “이번 성과는 원자력연구원이 지속적으로 추진해 온 출연연·기업 협력연구의 결실”이라며, “향후 5년 후 상용화할 수 있도록 지속적으로 협력해 나가겠다”고 밝혔다.

1911년에 초전도 현상 최조 발견

100년 지났지만 여전히 꿈의 기술

초전도 현상이 발견된 것은 지금으로부터 100여 년 전의 일이다. 1908년, 네덜란드의 물리학자인 오너스(Heike Kamerlingh Onnes)가 기체 헬륨을 압축하여 액체 헬륨으로 만드는 실험에 성공하며 학계의 이목이 집중됐다. 이 실험이 성공하기 위해서는 온도를 절대 영도(0K)에 가깝게 낮출 수 있어야 했다. 하지만 당시만 해도 절대 영도, 즉 섭씨 -273.15℃은 이론상으로만 가능하다고 여겨졌기 때문에 오너스의 실험은 획기적인 성과가 아닐 수 없었다. 이후, 그의 실험은 액체 헬륨을 이용해 수은을 냉각시켜 전기 저항을 측정하는 것으로 옮겨갔다. 그런데 온도가 4.2K에 도달해 액체 헬륨이 기체로 변화하는 지점에서 수은의 전기 저항이 사라지는 것이 관찰됐다. 최초로 초전도 현상이 발견된 것이다. 이때가 1911년 4월이었고, 이 공로를 인정받아 오너스는 1913년에 노벨 물리학상을 받았다.

초천도 현상이란 물질이 특정 온도에서 저항을 잃고 전류를 무제한으로 흘려보내는 현상을 말한다. 이 현상이 발견된 지 100년이 지났지만 초전도체는 여전히 꿈의 기술로 불린다. 전기회로에서 ‘저항’은 풀 수 없는 난제와도 같다. 전기저항은 에너지의 손실을 높인다. 손실과정에서 전기에너지는 열로 전환됨으로써 기기의 오작동이나 화재 등과 같은 또 다른 문제를 일으키게 된다. 초전도체가 상용화된다면 전기 송배전과 전기기의 에너지 효율을 혁신적으로 높일 수 있을 것이고, 이는 현재 진행 중인 4차 산업혁명을 크게 앞당기게 될 것이다.

초전도체는 전기저항이 없다는 특징 이외에도 강한 자기장을 발생시킨다는 특징도 있다. 이를 마이스너 효과(Meissonier Effect)라고 한다. 마이스너 효과는 최초의 발견자인 독일의 물리학자 발터 마이스너(Walther Meissner)의 이름에서 따온 것이다. 1933년 발터 마이너스는 로베르트 오센펠트(Robert Ochsenfeld)와 함께 초전도체의 내부로 들어오는 자기장을 밀쳐냄으로써 내부 자기장이 ‘0’이 되는 현상을 발견했다. 이러한 특성은 주변에서 작용하는 자기장에 반발하며 강한 압력을 발생시킨다. 따라서 자성을 가진 물체는 초전도체 위에서 ‘공중부양’을 할 수 있다.

현재 상용화된 초전도 기술 가운데 대표적인 것이 몸을 해부하지 않고 그 내부를 관찰할 수 있도록 해주는 의료기기인 자기공명영상(磁氣共鳴映像, Magnetic Resonance Imaging, MRI)이다. MRI는 매우 강한 자기장을 이용한 기술이다. 이러한 자기장을 발생시키는 가장 강력한 전자석이 초전도 자석이다. 이외에도 저손실 고밀도 송전이 가능한 전력 케이블이나 자기부상열차, 풍력발전기 코일 등에도 적용되고 있다. 특히, 기존에 큰 전력을 사용하기 때문에 부피가 클 수밖에 없었던 전기기기를 소형화하는 기술에도 초전도 기술이 응용되고 있다.