한국기계연구원 분말재료연구센터 초전도재료연구실

저렴한 초전도 선재 개발로 실용화에 앞장

MOD 공정법 YBCO 고온초전도 선재 및 코팅 용액, MgB2 분말 및 선재 제조 연구
세계적으로도 연구력 인정받아, 선재 가격을 저렴하게 하기 위한 연구 계속 진행

초전도 선재는 전력 응용분야에서 중요한 위치를 차지하고 있어, 초전도 선재화에 대한 연구는 꾸준히 진행되고 있다. 이러한 연구의 가장 큰 목표는 일단 특성이 좋은 선재를 만들어내는 것이지만, 이제는 좀더 저렴한 가격으로 선재화 시키는 방법을 강구하고 있다. 실제 생활에 초전도 선재가 쓰이려면 현재보다 초전도 선재의 가격이 많이 내려가야 하기 때문이다. 이러한 연구를 하는 곳 중 하나가 창원에 위치한 기계연구원이다. 대전에 있는 기계연구원에서는 주로 기계와 관련된 연구를 하는 반면, 창원에서는 재료에 대한 연구를 하고 있어 창원 기계연구원의 명칭도 ‘재료기술연구소’이다.
현재 기계연구원 신기능재료연구본부/분말재료연구센터 초전도재료연구팀에서는 MOD(Metal Organic Deposition) 공정법으로 YBCO 고온초전도 선재를 개발하고 있다. 이러한 연구는 프론티어사업단인 차세대초전도응용기술개발사업단의 DAPAS사업 일환으로 진행되고 있다. 이 사업에는 기계연구원 외에도 전기연구원이 EDDC 공정 방법으로 고온초전도 선재를 만들고 있으며, 서울대에서는 완충층을 입히는 방법을 연구하고 있다.
기계연구원에서 하고 있는 MOD 공정은 화학증착공정으로 세라믹 완충층이 증착된 금속 위에 YBCO MOD 용액을 코팅하는 방식이다. 기존에 쓰이던 PLD 공정과 MOCVD 공정보다는 가격이 저렴하다는 것이 장점이다. 또한 MOD 공정에 쓰이는 용액까지 직접 만들고 있으며, 이는 현재 국외 특허화를 진행 중이다. 초전도재료연구팀 팀장 유재무 박사는 “저렴한 가격으로 고온초전도선재를 제조하기 위해 단순히 공정법 만을 바꾸는 것 뿐만 아니라 공정에 필요한 용액까지 자체적으로 개발하는 연구를 진행 중이다”라며 “이는 MOD 용액 관련 원천기술을 확보하기 위함이다”라고 말했다.
선재의 가격 대비 성능도를 측정하는 기준은 선재 1m에 1000A를 낼 수 있게 하는 비용이다. 이것이 $10/kAm 수준까지 내려져야 산업화가 된다는 것이 유재무 박사의 의견이다. “현재는 1m에 1000A를 내기 위해서 약 100달러에서 200달러 정도 들고 있다”며 “일반적으로 가격이 내려가면 성능도 떨어지기 마련이나, 이점을 극복할 수 있는 방법 중에 하나가 코팅할 수 있는 YBCO MOD 용액을 직접 개발하는 것이다”라고 코팅 용액의 중요성을 강조했다.
이외에도 기계연구원의 초전도재료연구팀에서는 MgB2 분말 제조 및 선재 개발 연구를 수행하고 있다. MgB2가 2001년 일본에서 발견된 이후 그 이듬해인 2002년부터 분말 제조에 관한 연구를 시작했다. 또한 같은 시기에 전기연구원에서도 MgB2 선재화에 대한 연구를 시작했다. MgB2는 새로운 화합물이 아닌 기존에 존재했던 물질로, 일본 연구팀이 특성측정 중 39k에서 초전도 현상이 일어나는 것을 발견하면서 초전도 연구의 새로운 연구 분야로 떠올랐다.
유재무 박사는 “기계연구원에는 분말을 만드는 인프라가 굉장히 잘 구축돼 있다”며 “이점이 MgB2 분말을 자체적으로도 만들 수 있게 한 중요한 이유였다”고 설명했다. 또한 “지난해 호주로부터 방문 연구비를 받으면서 호주 ISEM 센터에서 MgB2분말 제조 및 선재화에 관한 공동연구를 진행했으며, 일본재료연구소와도 MgB2 분말 제조 및 선재화에 대한 대등한 공동연구를 진행했다”고 밝혀 세계적으로 기계연구원의 연구력을 인정받고 있음을 내비쳤다.

비스무스 선재 1km까지 선재화 시켜
또한 이전에는 1999년 국가지정연구실로 지정되어 비스무스 선재에 관한 연구를 2004년까지 실시했다. 그 결과 임계전류밀도값이 20000A/cm2 이상인 1km급 선재를 개발했다. 그러나 유재무 박사는 “문제는 가격이 비싸다는 것”이라며 “비스무스에는 은피복제를 사용하기 때문에 비싼 가격으로 인해 실용화에 한계를 느끼고 있는 실정이다”고 밝혔다. 이러한 가격 문제에 대한 해결은 기업의 참여도를 높여 실용화를 앞당길 수 있다는 점에서 매우 중요하다. 유재무 박사는 “초전도 선재의 실용화에 있어서 재료적인 문제가 아직도 남아 있지만 점차 그 답을 찾아가고 있는 상태”라며 “이제는 실용화를 위해서 저렴한 가격으로 좋은 성능의 선재를 만들 수 있다는 것을 기업에게 비전으로 제시할 수 있어야 한다”고 말했다. 이어 “기업이 단순히 과제에 참여하기 위해서가 아니라 투자를 할 수 있게 하는 분위기를 만드는 연구자의 노력이 더욱 필요하다”고 덧붙였다. 문의 055-280-3523
류호성 기자

Slot die coating&calcination 장비
MOD 전구용액 제조 장비
R2R 장선재 열처리 장비
MOD공정으로 제조된 YBCO 초전도 선재

유재무 박사
기계연구원 분말재료연구센터 초전도재료연구팀 팀장 
“고특성화와 저가격화가 중요”
유재무 박사는 “초전도 선재의 실용화를 위해서는 가격을 낮출 수 있는 방법들이 많이 개발되어야 한다”는 것을 강조한다. 아직 초전도 선재의 재료적인 문제가 많이 남아 있지만 실질적으로 실용화의 걸림돌은 비싼 가격 때문이란 것이 유 박사의 의견이다. 가격절감은 곧 기업의 참여를 유도할 수 있고, 기업의 참여는 실용화를 앞당길 수 있기 때문이다.
또한 유 박사는 “단순히 막연하게 기업의 참여를 바라면 어느 기업이 과연 선뜻 나서겠는가”라며 “연구자들이 고특성화와 저가격화란 비전을 기업에게 제시해 자연스럽게 투자 분위기를 만들어야 한다”고 밝혔다. 이어 “실제 미국과 일본에서는 많은 기업이 초전도 분야에 뛰어들고 있다”며 “본인을 포함한 국내 연구진들이 많은 노력을 기울이고 있지만 아직까지 실용화시킬만한 수준을 제시 못한 점도 문제이다”라고 소견을 밝혔다.
또한 유 박사는 “고온초전도체가 발견된 지 20년이 됐지만, 미국과 일본에서는 아직까지도 예외적으로 이 분야에 많은 지원을 하고 있다”라며 “미래의 각종 산업에 중요한 부분을 차지하게 되고 높은 부가가치를 창출할 수 있는 초전도 분야에 많은 관심과 지원이 필요하다”고 의견을 피력했다.