Special 디지털 뉴딜과 광전자 세라믹 소재(2)

초전도 세라믹 최신 기술동향 및 산업전망

오상수_한국전기연구원/초전도연구센터 위촉 책임연구원

1. 서론

전기적인 응용의 관점에서 보면 초전도체(superconductor)란 임계온도 이하의 저온에서 전기저항이 제로가 되는 현상을 이용하는 신소재라고 할 수 있다. 1911년 Heike Kamerlingh-Onnes에 의해 고체 수은에서 처음 초전도현상이 발견된 이후 1986년까지는 주로 금속계 초전도체가 발견되었고 초전도선으로 개발되어 왔다. 지금까지도 가장 많이 쓰이는 초전도재료는 Nb-Ti합금이다. 대부분의 상용화된 MRI용 초전도마그넷에는 Nb-Ti초전도선이 사용되고 있으며 기계적 소성가공이 쉽기 때문에 1970년대에 이미 양산 제조기술이 확립되었다.
 1986년에 베드노르츠와 뮬러에 의해 란탄계(LaBaCuO) 세라믹에서 초전도현상1)이 확인되었다. 그것도 절연체로 사용되던 세라믹에서 초전도현상이 확인된 것 자체가 아주 놀라운 현상이었다. 표 1에 지금까지 발견된 주요한 초전도체의 임계온도와 특징을 나타냈다. 세라믹 초전도체에서 92 K, 110 K로 임계온도가 높은 BSCCO와 YBCO 물질이 발견되면서 값싸게 구할 수 있는 냉매인 액체질소에서도 초전도 응용이 가능한 시대가 열리게 되었다. 이 세라믹 초전도체의 특징은 성분 원소로 구리와 산소를 포함하고 있어서 구리산화물계(cuprate) 초전도체라고 부른다. 구리산화물계 초전도체보다 임계온도가 높은 초전도체가 발견되었지만 아주 고압에서 생성시킨 상에서만 초전도현상이 확인되었기 때문에 실용적으로 사용할 가능성은 현재로선 아주 작다고 할 수 있다.
 구리산화물계 초전도체는 초전도선재로 제조하는 기술이 개발되어 시판되는 단계에 이르렀기 때문에 실용 초전도선의 범주에 속한다고 말할 수 있으며 통상적으로 고온초전도(High Temperature Superconductor, HTS)선재라고 부른다. HTS선재에서 BSCCO를 1세대, YBCO를 2세대 초전도선으로 부르며 YBCO의 Y을 Sm, Nd, Gd, Ho등의 다른 희토류 원소(RE)로 치환시킨 REBCO초전도선을 2세대 초전도선으로 표기하는 경우가 많다. 또한 REBCO초전도선은 코팅기술을 이용하여 만든 도체이기 때문에 coated conductor(CC)라고 부르는 경우도 많다. 본고에서는 간략하게 REBCO-CC라는 명칭을 사용하기로 한다. 1세대 초전도선인 BSCCO는 전구체 분말을 은(Ag) 튜브속에 채우고 인발-신선-압연 등의 기계가공과 열처리를 통하여 제조2,3)한다. 그러나 REBCO는 화학적 혹은 물리적인 증착기술을 이용하여 제조한다. 본고에서는 주로 REBCO-CC에 포커스를 맞추어 개발동향과 산업전망에 대해서 기술하고자 한다.

그림 6. 초전도층 제조공정 EDDC와 RCE-DR 개략도

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