□ 전기에너지를 회전 운동에너지로 저장하는 초전도 에너지 저장 장치와, 자력을 이용해 자성물질을 분리하는 자기분리기의 핵심 소재인 초전도 단결정 덩어리를 세계 최고의 효율로 대량생산할 수 있는 일괄공정이 국내에서 개발됐다.

□ 한국원자력연구원(원장 정연호) 중성자과학연구부 김찬중 박사 팀은 교육과학기술부 원자력연구개발사업 등의 지원으로 수행한 연구개발을 통해 초전도 단결정 덩어리 제조 시간과 생산 비용을 각각 4분의 1로 획기적으로 줄일 수 있는 대량생산 일괄공정을 개발했다.

○ 초전도 단결정 덩어리는 종자 성장 공정에 의해 제조되는데 김찬중 박사 팀은 한 개의 종자를 사용하던 기존 공정 대신 여러 개의 종자를 사용해서 초전도 단결정의 성장이 분말 성형체 표면과 내부에서 동시다발적으로 일어나게 하는 다층 종자 성장 공정을 적용, 단위 크기(5㎝ x 5㎝)의 초전도체 제조 시간을 400시간에서 100시간으로 단축시켰다.

○ 김 박사 팀은 또 초전도체의 전자기적 성능 향상을 위해 첨가하는 고가의 백금 산화물을 값이 싼 희토류 물질인 세륨 산화물로 대체함으로써 단위 크기의 초전도체 생산 비용을 이전 대비 4분의 1 수준으로 줄이는데 성공했다.

※ 초전도 단결정 덩어리란 한 개의 결정으로 이뤄진 초전도체 덩어리로, 이트륨(Y) 또는 가돌리늄(Gd) 등 희토류 원소를 주성분으로 하는 분말 성형체 위에 사마륨(Sm)과 같은 희토류계 다른 물질을 종자로 심고 가열 후 냉각해서 결정을 성장시키는 종자 성장 공정(Seed Growth Process)에 의해 제조된다.

□ 현재 초전도 단결정 덩어리는 일본(신일본제철), 독일(Theva 社) 등에서 제조 판매하고 있는데, 이번에 개발된 기술은 이들 국가의 기존 생산 방식보다 생산성이 3배 이상 높아 상용화될 경우 초전도체 생산 분야에서 세계적으로 최고 수준의 경쟁력을 갖출 것으로 기대된다.

○ 김 박사 팀이 개발한 기술로 제조한 초전도 단결정 덩어리는 단위 크기(5㎝ x 5㎝) 당 생산 비용을 일본과 독일 대비 4분의 1인 50만원까지 줄이면서도, 영구자석에 대한 자기부상력 30㎏에 105A(암페어)/㎠의 전류를 통과시키는 등 품질 면에서 전혀 차이가 없는 것으로 평가받고 있다.

○ 또한 초전도 단결정 덩어리와 같은 세라믹 계열 제품은 대량생산시 품질이 불균일한 것이 문제로 지적돼 왔는데, 이번에 개발된 기술을 통해 만들어진 초전도 단결정 덩어리는 대량생산 시에도 각각의 제품이 균일한 품질을 보여 성능 재현성이 매우 높은 것도 특징이다.

※ 재현성 : 동일한 제품을 생산방법, 수량 등 다른 조건에서 생산했을 때 개개의 성능이 일치하는 정도

□ 이번에 개발된 기술은 국내외 특허 획득 과정을 거쳐 2015년 경 상용화될 예정이며, 대량생산을 통해 초전도 에너지 저장장치와 초전도 자기분리기 핵심부품 생산에 활용될 것으로 전망된다.

※ 초전도 에너지 저장 장치(SFES; Superconducting Flywheel Energy Storage) : 일정 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라져 전류가 흘러도 손실이 발생하지 않는 무저항 현상과 완전 반자성 자기부상을 이용해서 중량물을 공중에서 회전시켜 전기에너지를 운동에너지로 저장하는 장치.

※ 초전도 자기분리기(SMS; Superconductor Magnetic separator) : 초전도체 내부에 강한 자장을 주입시킨 초전도 영구자석을 사용하는 기기로 일반 영구자석에 비해 10배 이상의 자력이 발생한다. 초전도 자기분리기의 강한 자력은 산업용 폐수나 방사성 오염수에 포함된 자성물질 분리에 사용된다.

○ 김찬중 한국원자력연구원 중성자과학연구부 책임연구원은 “일차적으로는 초전도 단결정 덩어리 대량생산 기술 상용화에 역점을 두고 초전도체를 초전도 에너지 저장 장치, 자기분리기 등에 공급할 예정”이라며, “향후에는 관련 기술을 다른 산업에 확대 적용해 나갈 계획”이라고 밝혔다.