이 원고는 일본《電氣評論》誌에서 번역 전재한 것입니다.초전도재료스미토모(住友)전기공업㈜_사토 켄이치(佐藤謙一)개요초전도선은 전기저항이 ‘0’인 데다 동선에 비해 200배에서 1,000배의 전류밀도로 전기를 보낼 수 있는 전선으로, 효율 향상·에너지 절감에 의한 지구환경 개선 효과와 더불어 종합 경제성 향상·고성능화·경량화·콤팩트화를 목표로 한 새로운 전력기기·이동체·산업·의료기기·고도 분석기기를 실현할 수 있다.1911년 네덜란드 카메를링 오네스(Kamerlingh Onnes)가 수은의 전기저항은 액체헬륨 온도(4.2K)가 극저온이 되면 측정할 수 없을 정도로 작아진다는 사실에서 초전도 현상을 발견하였다. 그 후 연구를 통해 다양한 금속, 합금, 화합물이 초전도 성질을 가지고 있음이 명확해졌다. 니오브(Niobium) 합금 및 화합물을 주체로 하는 많은 초전도선이 개발되었지만, 그 가운데서도 니오브와 티탄의 합금인 NbTi를 구리(동) 매트릭스 속에 다심화(多芯化)한 NbTi 초전도선은 가공성 및 자석으로의 성형성이 우수하기 때문에, 현재 의료기기 및 분석기기 용도로 사용된다.1986년 독일 IBM 취리히 연구소의 베드노르츠와 뮐러에 의해 BCS 이론(기존 초전도현상을 해명한 이론)의 틀을 깨는 동산화물(銅酸化物) 고온 초전도체의 가능성이 알려졌다. 이 동산화물 고온 초전도체는 절대온도 40K 이상의 임계온도를 가진 LaBaCuO로 구성된 초전도체로, 이는 다시 일본의 다나카(田中)·기타자와(北澤)에 의해 고온 초전도체라는 사실이 확인되었다. 그 후 한 무리의 동산화물 고온 초전도체가 발견되었으며 1987년에는 액체질소 온도(77.3K)도 넘게 되어 고온 초전도(HTS : High Temperature Superconductivity)라고 이름 붙여졌다. 기존 초전도선에서는 냉각을 위한 냉매로 액체헬륨(4.2K)이 필요했지만, 고온 초전도선은 액체질소로도 대체할 수 있으며 냉각 코스트 저감, 냉각의 용이함, 높은 운전온도 등 기술적 이점이 있기 때문에 개발에 더욱 힘써 현재 실용화를 앞두고 있다. 여기에서는 초전도선과 그 응용 현황에 대해 소개한다. 금속계 초전도선금속계 초전도선은 초전도현상이 BCS 이론에 기술되어 있으며, 니오브 합금(NbTi) 또는 화합물(Nb3Sn, Nb3Al)을 구리 매트릭스로 다심화하여 구성한 대표적인 초전도선이다. <표 1>은 금속계 초전도재료의 특성을 나타낸 것이다. 초전도재료는 임계국면(임계온도, 임계자장, 임계전류) 내 범위에서 초전도성을 보인다. 임계자장의 특성상 NbTi 초전도선은 10이 안 되는 테슬라(Tesla)의 자장발생용으로 이용되고, Nb3Sn 및 Nb3Al 초전도선은 고(高)자장 NMR, 핵융합용 자석 등 10테슬라 이상의 자장이 필요한 장소에 이용된다. 의료용 장치로 많이 사용되는 MRI(자기공명진단장치), 분석기기로 NMR(핵자기공명분석장치)에 이용되는 것 외에도 개발기기로 일본 야마나시(山梨) 실험선에서 실험이 이루어진 리니어 모터 카(Linear Motor Car : 자기부상열차), 소립자 실험용 가속기, 핵융합 실험 장치 등에 금속계 초전도선이 채용된다.최근에는 기존 금속계 초전도선의 임계온도를 훨씬 웃도는 MgB2가 일본에서 발견되어 그 선재화 기술을 개발 중이다.고온 초전도선 개발 현황<표 2>는 대표적인 고온 초전도 재료를 나타낸 것이다. 모든 재료는 초전도전류가 흐르는 부분이 결정 a-b면이어서 이차원성을 가진다는 결점이 있다. 그 때문에 선재화 고려 시 1㎞가 넘는 긴 선재 끝에서 끝까지를 결정 배향(配向)시킬 필요가 있다. 수 ㎚ 결정을 ㎞에서 배향하기 때문에 ‘㎚ 레벨’ 구조를 ‘㎞ 레벨’로 실현시킨다. 고온 초전도재료 중에도 비스무트(Bismuth)계 고온 초전도재료는 1988년 1월 일본 과학기술청 금속재료기술연구소(현 물질·재료연구기구) 마에다 히로시(前田弘) 박사에 의해 발견된 신소재이며 고온 초전도선으로 상용화가 시작되었다.이 재료의 특징은 다음과 같다. ① 전기저항이 ‘0’인 초전도상태로 변하는 온도가 액화천연가스(LNG)의 증발 온도인 110K 즉, -163℃ 정도로 높아서 기존 금속계 초전도선 냉각에 필요한 값비싼 액체헬륨이 필요 없으므로 냉각 코스트를 대폭으로 절감할 수 있다.② 비싸고 자원적인 제약이 있는 희토류원소 및 독성 원소를 포함하지 않는다.③ 소성가공법(塑性加工法)으로 결정을 배향시킬 수 있다.또한 1987년 미국 츄 박사에 의해 발견된 이트륨(Yttrium)계 초전도재료는 임계온도 90K 전후로 조금 낮지만 임계특성이 우수하다는 특징이 있다. 비스무트계 고온 초전도선 작성 프로세스가 소성가공과 열처리를 조합한 대량생산형 프로세스라는 것과 비교하면 이트륨계 재료는 소성가공에서 배향되지 않기 때문에 반도체 프로세스를 이용한 박막 형태로 선재화를 시도 중이다. 또한 현재 상용화된 비스무트계 고온 초전도선의 차세대 초전도선으로 기대되고 있다. 하지만 여전히 장척(長尺) 양산화 및 성능 향상에 있어 해결해야 할 과제가 많이 있다.비스무트계 고온 초전도선1. 가압소성법 개발과 그 성과고온 초전도선은 원래 세라믹인 산화물 초전도재료를 장척 선재로 해야 하는 어려움이 있었다. 일본은 신(新)프로세스인 ‘가압소성법’을 개발함으로써 장척·고성능으로 양산할 수 있는 선재 구조를 결정하고, 여기에 적합한 제조기술을 확립할 수 있었다. 기존과 비교해 다음과 같은 면에서 대폭 개선이 이루어졌다.① 임계전류(77K)가 210A로 1.5~2배 개선되었다.② 기계적 특성이 1.5~2배 이상으로 연동선(軟銅線) 정도의 강도를 가진다.③ 생산득률(生産得率)이 공업제품으로 확인할 수 있을 정도로 향상되었다.④ 단 길이가 1,800m 이상으로 대폭 개선되었다. 일본의 신재료와 신프로세스 조합에 의해 고온 초전도선이 공업 제품화되기 시작했다.새로 개발된 가압소성법은 정밀도가 높은 산소 안에서 열처리를 해야 하기 때문에, 화로 몸체를 구성하는 특수강을 꼼꼼히 살피는 것부터 시작하여 미소(微小)한 산소 농도의 고정도제어 방법을 개발해야 했다. 새로운 방법 발상 후 5년이 지나자 대형 가압소성로가 완성되었으며 이는 2004년 3월부터 순조롭게 가동되고 있다. 가압열처리 조건은 압력 300기압, 온도는 900℃까지 적용 가능하다. 단순한 가압장치나 가압방법이 아닌, 산소농도 및 그 외 고도의 조건제어가 필요하기 때문에 이것을 CT-OP(ConTrolled Over Pressure)법으로 이름 붙였다.기존 선재의 미세조직에는 불가피하게 공극(空隙)이 15% 정도 존재하므로 고온 초전도재료 밀도는 85% 정도였다. 가압소성법으로 만든 것은 수 %의 비(非)초전도상(CaSrCuO 등)이 존재하지만, 밀도를 100%로 올릴 수 있다. 이런 점에서 CT-OP법에서 제조된 비스무트계 고온 초전도선은 지금까지의 대기압소결 비스무트계 고온 초전도선과는 완전히 틀린 혁신적인 비스무트계 고온 초전도선으로, 그 의미에서 DIBSCCO(Dynamically Innovative BSCCO)로 불리게 되었다. CT-OP법으로 소결하면 결함이 발생하는 것을 막을 수 있게 되므로 장척선의 균일 특성화, 생산득률 향상을 달성하게 되어 공업제품화가 가능해졌다. 이 방법으로 양산된 혁신적인 비스무트계 고온 초전도선의 사양은 폭 4.2㎜, 두께 0.22㎜의 약 0.9㎟ 단면적을 가지고 있으며 액체질소 온도(77K)에서 임계전류(전기저항 0으로 흐를 수 있는 전류값)는 200A로, 구리와 비교하면 동일 단면적으로 200배 전류를 저항 없이 흘릴 수 있다. 이것은 밀도가 100%가 되었기 때문에 결정의 연결이 개선되어 결정립 접합이 강화되었기 때문이다. 이 임계전류는 박막고온 초전도선의 임계전류 정의에서 ‘500A/㎝ 폭’에 해당한다.