한국전기연구원, 유지비용 10% 수준 ‘전도냉각형 초전도 자석’ 개발
전도냉각형 초전도 자석 장점 살리고, 단점 극복
의료용 MRI, 자기분리기, 전자가속기 등 산업전반 활용 기대
의료용 MRI(자기공명영상장치), 자기분리기, 전자가속기, 핵융합발전, 모터, 발전기 등에 널리 이용되고 있는 초전도 자석을 열적 안정성을 높이면서 훨씬 저렴하게 제작할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
한국전기연구원(KERI·원장 박경엽) 초전도연구센터 배준한 책임연구원팀은 자체 정부출연금사업을 통해 기존 초전도 자석 대비 원가를 획기적으로 절감하고 열적 안정성은 대폭 높인 ‘전도냉각형 초전도 자석’의 개발에 성공했다.
특정 온도에서 전기 저항이 0이 되는 초전도체는 손실없이 큰 전류를 전송할 수 있다. 이런 장점을 이용한 초전도 자석은 MRI, 초전도 자기분리기, 전자가속기, 핵융합발전, 초전도 발전기 및 모터 등 초전도 전기기기에 활용되고 있다. 하지만 기존의 초전도 자석은 초전도 상태를 유지하기 위해 비싼 액체헬륨이나 액체질소 등의 냉매가 필요하고, 주기적으로 냉매를 충전해야 하는 번거로움이 있다. 또한 극저온 용기의 구조가 복잡하고, 유지비용이 많이 든다. 사고 발생 시 많은 양의 액체헬륨이 기화될 경우, 내부압력이 급속히 상승하여 극저온 용기가 폭발할 위험성도 갖고 있었다.
따라서 최근에는 전 세계적으로 극저온 냉동기를 이용한 ‘전도냉각형 초전도 자석’의 개발이 활발히 진행되고 있다. ‘전도냉각형 초전도 자석’의 최대 장점은 조작이 쉽고, 안전하며, 운전비용이 적고, 크기가 작다는 것이다. 기존 초전도 자석과 달리 값비싼 액체헬륨을 사용하지 않고, 구조가 단순하다. 무게는 20% 가량 더 가볍고, 유지비용도 1/10 수준으로 적게 든다. 또한 폭발의 위험성이 없으며, 무엇보다 콘센트에 전기코드만 연결하면 운전이 가능한 플러그 인(Plug-in) 형태로 구성되어 있어 사용이 편리하다.
하지만 전도냉각형 초전도 자석의 핵심부품인 극저온 냉동기의 경우, 국내 시장을 그동안 일본의 한 기업이 독점하고 있었다. 냉각성능도 기존 액체헬륨에 비해 다소 떨어지기 때문에 초전도 자석 충전 시 발생되는 과도한 교류손실을 신속하게 제거할 수 없다는 단점을 가지고 있다. 이로 인해 충전 속도가 느리고, 사고 시 국소적인 과열로 인해 초전도자석이 타버리는 위험성도 있다.
KERI 연구팀은 극저온 단열 최적화와 저손실 금속계 초전도선 적용을 통해 이러한 문제점을 해결했다. 우선, 원가절감에 필요한 저가의 극저온 냉동기(알박크라이오) 사용을 위해 진공 단열의 최적화 설계를 적용, 극저온용기로 들어오는 복사열 침입량을 최소화했다. 또한 금속 전류도입선과 초전도코일 사이에 고온초전도 전류도입선을 삽입해 전류가 흐를 때 상온의 금속 전류도입선에서 발생되는 저항열이 초전도코일으로 유입되는 것이 차단되도록 했다. 유연성이 우수한 테이프 형상의 고온초전도선을 적용해 냉각 시 고온초전도 전류도입선이 단선되는 사고도 방지하는 한편, 약간의 기계적 오차가 발생하여도 조립이 가능하도록 했다.
이를 통해 초전도 자석의 충전 속도를 7배 가량 높일 수 있게 됐고, 내부 열 경로의 최소화 및 단순화를 통해 전도냉각형 초전도 자석 크기의 소형화 및 원가절감을 달성할 수 있었다.
개발 책임자인 KERI 초전도연구센터 배준한 책임연구원은 “원가절감 전도냉각형 초전도자석 개발로 기존의 초전도자석은 고가이고, 유지비용이 많이 들며, 위험하다는 인식을 획기적으로 바꿀 수 있는 계기가 될 것”이라고 전하며 “향후 빠른 시일 내 전도냉각형 초전도 MRI와 초전도 자기분리기 등의 상품화를 가능하게 하여 의료, 환경, 에너지 분야 등 미래의 먹거리로 각광받고 있는 초전도 산업의 활성화에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.
현재 전도냉각형 MRI용 초전도 자석은 MRI 분야의 획기적인 전환점이 될 것으로 기대되어 선진국에서 관련 연구가 비밀리에 진행되고 있다. 연구팀은 전도냉각형 MRI용 초전도 자석과 폐수 정화 및 재활용 분야에서 지속적으로 요구하는 전도냉각형 초전도 자기분리기의 제조 기술 등을 관련 국내 업체로의 기술이전 및 공동연구를 진행할 예정이다.
한편, 일정 온도 이하에서 물질의 전기저항이 제로(0)가 되는 초전도현상을 나타내는 초전도체를 전기기기에 적용하면 전기 손실이 감소되어 전기기기의 효율성과 신뢰성, 친환경성을 증가시킬 수 있다는 점에서 세계 각국에서는 초전도기기를 상용화하기 위한 연구를 활발히 진행하고 있다.
☞용어설명
*초전도현상 및 초전도체: 초전도체를 임계온도 이하로 냉각하면 전기저항이 갑자기 사라지는 현상을 초전도 현상이라하고, 이러한 초전도현상이 나타나는 도체를 초전도체라 부름.
*초전도 자석 [superconductive magnet]: 초전도체를 코일형태로 권선한 전자석의 일종이다. 극저온에서 운전되며, 가는 코일에 대전류를 흘릴 수 있어서 설치 공간이 작은 곳에서 강력한 자장을 요구하는 분야에 적합하다. MRI, NMR, 자기분리기, 전자가속기, 핵융합 발전이나 자기부상철도 등을 포함해 오늘날에는 여러 분야에서 실용화되고 있다.