한국원자력연구원 중성자과학연구부 김찬중 박사 팀은 '초전도 단결정 덩어리'의 제조 시간과 생산 비용을 각각 1/4로 획기적으로 줄일 수 있는 대량생산 일괄공정을 개발했다. 초전도 단결정덩어리는 전기에너지를 회전운동에너지로 저장하는 '초전도 에너지 저장 장치'와 자력을 이용해 자성물질을 분리하는 '자기 분리기'의 핵심소재다.
초전도 단결정덩어리와초전도 플라이휠에너지저장 장치.
한국원자력연구원 중성자과학연구부 김찬중박사 팀은 교육과학기술부 원자력 연구 개발사업 등의 지원으로 수행한 연구 개발을 통해 '초전도 단결정 덩어리'의 제조 시간과 생산 비용을 각각1/4로 획기적으로 줄일 수 있는 대량 생산 일괄 공정을 개발했다. 초전도 단결정 덩어리란 한 개의 결정으로 이뤄진 초전도체 덩어리다. 이트륨(Y), 가돌리늄(Gd) 등 희토류 원소를 주성분으로 하는 분말성형체 위에 사마륨(Sm)과 같은 희토류계 다른 물질을 종자로 심고 가열한 후 냉각해 결정을 성장시키는 종자 성장 공정(Seed Growth Process)으로 제조한다. 김찬중 박사 팀은 종자 한 개를 사용하던 기존 공정 대신 종자 여러 개를 사용해 초전도 단결정의 성장이 분말 성형체 표면과 내부에서 동시다발적으로 일어나게 하는 다층 종자 성장 공정을 적용해 단위크기(5㎝ × 5㎝)의 초전도체 제조 시간을 400시간에서 100시간으로 단축했다. 또한, 초전도체의 전자기적 성능 향상을 위해 첨가하는 값비싼 백금 산화물을 값싼 희토류 물질인 세륨 산화물로 대체함으로써 단위 크기 초전도체 생산 비용을 이전 대비1/4 수준으로 줄이는 데 성공했다. 현재 초전도 단결정 덩어리는 일본 신일본제철, 독일 Theva사 등에서 제조 판매하는데, 김 박사 팀이 개발한 기술은 이들 국가의 기존 생산 방식보다 생산성이 3배 이상 높기에 상용화하면 초전도체 생산 분야에서 세계 최고 수준의 경쟁력을 갖출 것으로 기대한다.
[1][2] 초전도 단결정 덩어리와 강자장체 초전도 영구 자석에 달라붙은 쇠구슬. [3] 김찬중 박사<원자력硏 중성자 과학연구부 책임연구원>.
가격은 낮추고 품질은 높여 김찬중 박사 팀이 개발한 기술로 제조한 초전도 단결정 덩어리는 단위 크기(5㎝ × 5㎝)당 생산 비용을 일본과 독일 업체보다 1/4 정도인 50만 원을 줄였음에도 영구 자석에 대한 자기 부상력 30㎏에 105A/㎠의 전류를 통과하는 등 품질 면에서 전혀 차이가 없다. 또한, 초전도 단결정 덩어리와 같은 세라믹 계열 제품은 대량 생산 시 품질이 균일하지 못한 것이 문제였는데, 이 기술로 만든 초전도 단결정 덩어리는 대량 생산 시에도 각각의 제품이 균일한 품질을 유지한다. 즉, 같은 제품을 생산 방법, 수량 등 다른 조건에서 생산할 때 개개의 성능이 일치하는 정도를 나타내는 성능 재현성이 매우 높다. 국내외 특허 획득 과정을 거쳐 2015년경 이 기술을 상용화할 예정이며, 대량 생산을 통해 '초전도 에너지 저장 장치(SFES : Superconducting Flywheel Energy Storage)'와 '초전도 자기 분리기(SMS : Superconductor Magnetic Separator)'의 핵심 부품 생산에 활용할 것으로 보인다. 초전도 에너지 저장 장치란, 일정 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라져 전류가 흘러도 손실이 발생하지 않는 무저항 현상과 완전 반자성 자기 부상을 이용해 중량물을 공중에서 회전시켜 전기 에너지를 운동 에너지로 저장하는 장치다. 초전도 자기 분리기란, 초전도체 내부에 강한 자장을 주입한 초전도 영구 자석을 사용하는 기기로, 일반 영구 자석보다 자력이 10배 이상 세다. 초전도 자기 분리기의 강한자력은 산업용 폐수나 방사성 오염수에 포함된 자성 물질 분리에 사용한다. 김찬중 박사는 "일차적으로는 초전도 단결정 덩어리 대량 생산 기술 상용화에 역점을 두고 초전도체를 초전도 에너지 저장 장치, 자기 분리기 등에 공급할 예정이다"면서, "향후 관련 기술을 다른 산업에 확대 적용해 나갈 계획이다"고 밝혔다.
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