초전도를 흔히들 '꿈의 기술'이라 부른다. 그도 그럴 것이 전기 저항이 전혀 없어 초전도체로 만든 회로 안에 전류가 흐르기 시작하면 전력 손실이 일절 없다. 이로 말미암은 전력 산업 패러다임의 변화는 가히 상상을 초월한다. 초전도 현상은 1911년 네덜란드의 헤이커 카메를링 오너스가 액체 헬륨으로 극저온 실험을 하던 도중 처음 발견했다. 획기적인 발견이었음에도 아주 낮은 임계 온도가 걸림돌이었다. 그러다 1986년 고온 초전도체를 발견하면서 초전도 전력 기기는 현실에 한층 가까워졌다. 초전도 케이블을 비롯해 지금 여러 나라에서 초전도 전력 기기를 개발 연구 중이다. 그중 일본에서 진행 중인 'Y계 프로젝트'를 중심으로 초전도 전력 기기의 기술 동향을 살펴본다.

초전도는 전기 저항이 '제로(0)'이기에, 전류가 흐를 때 발생하는 에너지 손실을 억제하고 기기를 소형화할 수 있다. 또한, 큰 전류를 흘림으로써 코일에 의한 강한 자계도 만들 수 있다. 이러한 장점을 가진 초전도 선재와 전력 기기의 개발상황을 소개한다.

초전도 선재의 개발 상황
초전도 물질을 코일이나 케이블 등 기기로 이용하려면, 구리선과 같이 가늘고 긴 선으로 만들어야 한다. NbTi 등 금속계 초전도 재료는 가늘고 길게 만드는 것은 쉬운 반면, 초전도로써 이용하려면 고가의 액체 헬륨으로 온도(약 -270℃)로까지 냉각해야 한다는 단점이 있다.
저가의 액체 질소로 온도(77K=-196℃)에서 초전도 상태가 되는 고온 초전도 물질을 1986년에 발견한 이후 20년 이상이 흘렀다. Bi(비스무스)를 주재료로 하는 Bi 선재는 연구 개발 결과 1500m가 넘는 선재를 개발해 전력 케이블뿐 아니라 전기자동차용 모터, 선박용 모터 등으로 최근 시험 제작 개발을 확대하고 있다.
한편, 고온 초전도 물질로 Y(이트륨)을 이용한 초전도가 있다. Y, Ba, Cu, O 원소로 구성되며, Y 대신 Ho, Sm, Gd 등 희토류 원소로 치환하면 성능이 달라진다. 이 모두를 아울러 Y계 초전도 물질이라 하고, 이를 선재화한 것을 Y계 선재라고 한다. Y계 선재는 선재 강도가 강하고, 사용하는 재료의 전체 비용이 저렴하며, 자계 중 전기적 성능이 우수함에도 불구하고 그동안 선재화가 어려웠다. Y계 초전도 물질은 금속 기판 위에 초전도 물질을 나열해 선재로 만든다. 이때 결정 방향이 일치하지 않으면 초전도 선재로써 성능이 향상되지 않는다. 이온빔이나 레이저를 구사한 증착법 등 고도의 기술 개발로 금속 기판 위에 결정 방향을 일치시킨 Y계 선재의 제작이 가능해졌으며, 성능도 향상됐다. <그림 1>은 현 단계에서 완성한 선재다. 이 선재는 1㎝ 폭으로 300A 이상 되는 전류(임계 전류)를 흘릴 수 있다.
길이는 500m다. Y계 선재의 성능은 현재도 착실히 향상되고 있으며, 이 선재를 이용한 전력 기기 개발도 진척 중이다.

<Energy News>