한국원자력연구원 중성자과학연구부 김찬중 박사 팀은 초전도 에너지 저장 장치의 핵심 소재인 '희토류(Rrare-Earth)계 초전도 물질'의 전기 효율을 10배 향상시키는 방법을 찾아냈다. 희토류계 초전도 물질은 초전도 온도가 90K(-183℃) 이상인 고온 산화물 초전도 물질로, 플라이휠 에너지 저장 장치(SFES : Superconducting Flywheel Energy Storage), 고속 원심 분리기, 자기 분리기, 초전도 벌크 모터 등의 핵심 소재로 사용할 수 있어 상용화 가능성이 가장 높은 초전도체로 꼽힌다. 초전도 에너지 저장 장치는 일정 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라져 전류가 흘러도 손실이 발생하지 않는 저항 '제로'현상과 완전 반자성 자기 부상을 이용해 전기를 저장하는 것이다. 현재 초전도 베어링을 이용해 원통을 무저항 상태로 회전시켜 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하는 '초전도 플라이휠 에너지 저장 장치'와 초전도 코일에 전류를 흘려 자기 에너지 형태로 저장하는 '초전도 자기 에너지 저장 장치(SMES : Superconducting Magnetic Energy Storage)'로 나눠 개발하는 중이다.
김찬중 박사 팀은 교육과학기술부 원자력연구 개발사업 등의 지원으로 수행한 연구 개발을 통해 희토류 초전도체의 전기 특성을 저하시키는 원인인 미세 구멍이 초전도체 제조 과정에서 발생하는 산소 때문임을 규명하고, 원료 물질의 화학 조성을 조절하고 성형체의 밀도를 높여 산소 발생 원인을 제거함으로써 초전도체의 단위 면적당 전류량을 10배 높이는 데 성공했다. 희토류 초전도체는 이트륨(Y) 또는 가돌리늄(Gd) 등 희토류 원소를 주성분으로 하는 분말 성형체 위에 종자를 심고 가열 후 냉각해 결정을 성장시키는 종자 성장 공정으로 최대 10㎝ 크기까지 제조할 수 있다. 그러나 종전까지 초전도체 내부에 수 마이크로미터에서 수 밀리미터 크기의 미세 구멍(기공)이 생겨 전류 흐름을 방해하는 문제점을 해결하지 못했다. 김 박사 팀은 초전도체 제조 과정의 반응 공정을 분석한 결과 기공이 발생하는 원인이 산소때문임을 밝혀냈다. 그리고 원료 물질 중 산소와 관련된 화학 조성을 조절하고 성형체의 밀도를 높여 기공 발생 원인을 제거한 뒤 초전도체 내부에 자장을 제어할 수 있는 나노 크기의 비초전도 물질을 균질均質하게 분산시킴으로써 기공이 없고 전류 특성이 크게 향상된 초전도체 제조에 성공했다. 김 박사 팀이 새로운 방법으로 제조한 희토류 초전도체는 105A/㎠의 전류를 통과시켜 기존 104A/㎠보다 10배 향상된 전류 특성을 띠는 것으로 확인됐다. 이 같은 연구 결과는 초전도 전문 국제 학술지인 에 '2010년 주목할 만한 연구 결과 20(Highlights 20)'으로 선정됐다. 김찬중 한국원자력연구원 중성자과학연구부 책임연구원은 "이 기술을 토대로 2015년 상용화를 목표로 개발 중인 초전도 플라이휠 에너지 저장 장치 제작을 위한 초전도 단결정 벌크 대량 생산 공정을 개발할 계획이다"라고 밝혔다.
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