초전도체 기술의 역사, 응용 분야, 향후 전망

23년 7월 LK-99 논문이 발표 되면서 초전도체에 대한 관심이 뜨겁습니다. 초전도체 현상은 이미 100년 전에 발견되었습니다. 이후 초전도체 기술은 현재 및 미래의 전력 시스템과 다양한 응용 분야에 중요한 영향을 미치고 있습니다. 오늘은 초전도체 기술의 역사, 응용 분야, 전망에 대하여 알아 보겠습니다.

초전도체 기술의 역사

지난 100년간에 걸쳐진 초전도체 기술의 역사에 대하여 알아보겠습니다.

• 1991년, 네덜란드의 오네스(K. Onnes)가 수은에서 초전도 현상을 발견했습니다.
• 1950년대에 제2종 초전도체를 사용한 초전도 자석이 개발되었습니다.
• 1961년에는 Nb3Sn 초전도 자석을 이용한 6.8T의 자계 발생이 보고되었습니다.
• 1962년에는 NbTi 초전도 합금이 발견되어 안정화 이론이 발전했습니다.
• 1982년에는 의료용 MRI 장치가 병원에 도입되었습니다.
• 1997년에는 초전도 발전기가 7만kW를 출력하는 Super-GM 프로젝트가 성공했고, 초전도 자기부상열차도 주행 속도 550km/h를 기록했습니다.
• 고온 초전도체의 발견으로 초전도 기술에 대한 기대가 상승했습니다.

1. 초전도 현상의 발견 (1911년) : 초전도 현상은 1911년에 네덜란드의 과학자 하인리히 카메라링 오네스(Kamerlingh Onnes)에 의해 발견되었습니다. 오네스는 수은을 냉각하여 특정 온도(임계온도) 아래에서 수은이 전기 전도성을 갖지 않고 완전히 저항이 없게 되는 현상을 관찰했습니다.
   
2. 저온 초전도의 탐구 (1930년대 – 1950년대) : 초기에는 초전도 현상을 이해하고 활용하기 어려웠지만, 1930년대와 1950년대에 이르러서야 초전도 현상의 이론적 이해와 저온 초전도 물질의 발견이 이루어졌습니다. 이러한 발견과 이해는 초전도 기술의 기반을 마련하는 데 결정적인 역할을 하였습니다.
   
3. 고온 초전도의 부상 (1980년대) : 1986년, 츠쿠바로코 오테라(K. Alex Müller)와 조르주 베댄(J. Georg Bednorz)는 고온에서 동작하는 초전도 물질인 LBCO(La-Ba-Cu-O)를 발견하고, 이로써 고온 초전도의 시대가 열렸습니다. 고온 초전도 물질은 냉각에 드는 에너지가 상대적으로 낮아 냉각 과정이 효율적이며, 높은 임계온도에서도 초전도 현상을 나타내므로 다양한 응용 분야에 활용할 수 있게 되었습니다.
   
4. 응용 분야로의 확대 (1990년대 – 현재) : 고온 초전도 물질의 발견 이후, 초전도 기술은 다양한 응용 분야로 확대되었습니다. 의료 분야에서는 MRI(자기 공명 영상) 장치와 중입자선 치료에 사용되고, 전력 전달과 저장 분야에서는 초전도 케이블 및 초전도 변압기를 개발하여 전력 네트워크에 혁신을 가져왔습니다. 또한 철도 및 교통 운송 분야에서는 초전도 리니어(자기부상열차)가 개발되어 고속 철도 기술의 미래를 열어놓았습니다.

위와 같이 초전도체 기술의 역사에 대하여 간략히 설명해 보았습니다.

초전도체 기술의 응용 분야

1. 전력 응용

초전도 기술은 전력 분야에서 많은 주목을 받고 있으며 다양한 프로젝트와 실험이 진행되고 있습니다. 몇 가지 주요한 응용 분야와 프로젝트에 대한 설명은 다음과 같습니다:

• 초전도 케이블: 초전도 케이블은 전력 손실을 최소화하고 전기를 효율적으로 전달하는 데 사용됩니다. 예를 들어, 일본에서는 도쿄전력·아사히변전소에 66kV, 200MVA급 초전도 케이블을 설치하여 운전성과 신뢰성을 검증하는데 성공했습니다. 이러한 케이블은 미래에 전력 네트워크에서 사용될 것으로 예상되며 전력 송전 및 분배의 효율을 향상시킬 것입니다.
  
• 초전도 변압기: 초전도 변압기는 도심 지역에서 전력 수요가 증가하고 빌딩 내 변전소나 지하 변전소의 설치가 늘어날 것으로 예상되는 상황에서 사용될 것으로 보입니다. 이러한 변압기는 고효율, 콤팩트한 디자인, 안전성 등의 이점을 제공하여 전력 시스템의 효율성을 향상시킬 것입니다.
  
• 분산형 전원 시스템: 영국과 같은 국가에서는 초전도 한류기를 도입하여 배전계통에서 기간 송전계까지 폭넓은 전압 계급을 대상으로 분산형 전원의 도입을 촉진하고 있습니다. 이를 통해 전력 네트워크의 안정성을 향상시키고 전력 손실을 최소화할 수 있습니다.
  
• 재생 가능 에너지와 연계: 초전도 기술은 해상 풍력 발전 및 태양광 발전과 같은 재생 가능 에너지 시스템과 연계하여 에너지 저장 및 전달에 사용될 수 있습니다. 이를 통해 재생 가능 에너지의 효율적인 이용과 확대가 가능해집니다.

2. 철도 및 교통 운송 응용

초전도 기술은 철도 및 교통 분야에서도 혁신적으로 사용됩니다. 아래는 그 응용 사례에 대한 설명입니다:

• 초전도 자기부상열차 (초전도 리니어): 초전도 자기부상열차는 고속 철도 시스템으로 사용됩니다. 일본에서는 1997년부터 주행 시험을 진행하고, 고속 연속주행 시험과 경제성 향상을 통해 해당 기술을 발전시켰습니다. 이러한 기술은 도심 간 빠른 이동을 가능하게 하고 환경 친화적인 교통 수단으로 사용될 것으로 기대됩니다.
  
• 추오 신칸센 (Chuo Shinkansen): 이 프로젝트는 도쿄와 나고야를 연결하는 초전도 자기부상열차의 운전을 목표로 합니다. 2027년에는 도쿄와 나고야 간의 운행이 예정되어 있으며 오사카까지 확장될 가능성이 있습니다. 초전도 기술을 적용한 고속 철도는 미래 교통 시스템의 중요한 부분이 될 것입니다.

3. 의료 응용

초전도 기술은 의료 분야에서도 혁신적으로 사용되고 있으며, 특히 중입자선 치료와 의료 장비 개발에 큰 잠재력을 제공하고 있습니다.

• 중입자선 치료: 중입자선 치료는 방사선을 사용하여 암을 치료하는 고급 방법 중 하나로, 외과적 치료와 비교하여 높은 효과와 QQL(Quality of Life) 향상을 제공합니다. 일본을 비롯한 여러 국가에서 중입자선 치료장치를 개발하고 건설하고 있습니다. (독일)방사선의학종합연구소의 중입자선 암 치료장치(HIMAC)는 이 분야의 선두주자로서 이미 많은 치료 사례를 보유하고 있습니다.
  
• 회전 갠트리 개발: 중입자선 치료장치의 한 제한 사항은 조사(초입자선 조사) 포트가 고정되어 있어 환자의 위치를 조정하는 데 시간이 걸리고 환자에게 부담을 줄 수 있다는 것입니다. 이를 극복하기 위해 회전 갠트리를 개발하고 있습니다. 이 회전 갠트리는 NbTi 초전도 자석을 사용하여 소형화와 경량화를 실현하였으며, 환자의 위치를 빠르게 조정하여 치료 계획을 향상시키는 데 도움을 줄 것입니다. 이 시스템은 방사선의학종합연구소의 치료 동에 설치될 예정입니다.
  
• 고온 초전도 코일 개발: 현재 진행 중인 ‘고온 초전도 코일 기반 기술개발 프로젝트’에서는 의료용 MRI 및 입자선 가속기 시스템에 적용 가능한 고온 초전도 코일 기술을 개발하고 있습니다. 이 기술은 MRI의 성능 향상, 헬륨 없는 운전, 가속기 시스템의 손실 감소, 소형화 및 경량화 등을 가능하게 하여 의료 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대됩니다.

의료 분야에서 초전도 기술의 적용은 환자 치료의 효율성을 향상시키고 치료 과정을 개선하는 데 큰 도움이 될 것으로 예상됩니다. 이러한 혁신적인 기술은 환자의 QQL(Quality of Life) 향상과 치료 효과 증대에 기여하며 의료 분야에서 중요한 역할을 할 것입니다.

4. 기타 응용 분야

고온 초전도 기술은 다양한 응용 분야에서 발전하고 있으며, 특히 다음과 같은 측면에서 주목받고 있습니다.

• 제2세대 고온 초전도 선재: 초기에는 고온 초전도 선재의 성능 향상에 중점을 두었습니다. 그러나 현재는 안정한 생산, 긴 선재 길이, 저비용화에 대한 요구가 높아지고 있습니다. 또한 교류손실을 줄이는 것도 중요한 과제로 간주되며, 액체 질소 온도에서의 고자계 응용이 가능한 선재의 개발에도 관심이 집중되고 있습니다.
  
• MgB2 선재 응용: 최근에는 전 세계적으로 MgB2 선재를 사용한 응용기기 개발이 확대되고 있습니다. 이 선재의 임계온도는 39K로, 산화물계 초전도 선재와 비교하여 낮은 편에 속하지만, 저비용 선재로서의 잠재력과 특이한 둥근 모양의 선재 구조로 주목을 받고 있습니다. MgB2 선재의 특성은 연구가 진행될수록 향상되고 있으며, 이 선재는 특히 산화물계 초전도 선재와는 다른 잠재력을 제공하고 있습니다.
  
• 전력기기와 대량 교통수송 시스템: 초전도 기술은 전력기기와 대량 교통수송 시스템에서도 활용 가능한 잠재력을 가지고 있습니다. 이러한 분야에서는 경제성, 신뢰성, 안전성이 매우 중요합니다. 더불어, 만일의 사고 시에도 안전하게 정지하고 신속하게 복귀할 수 있는 기능이 필요합니다. 초전도 기술은 이러한 과제들을 해결하기 위한 연구 및 개발이 진행 중이며, 향후 이러한 분야에서의 활용이 더욱 확대될 것으로 예상됩니다.

초전도 기술은 다양한 분야에서 혁신적인 응용 가능성을 제공하고 있으며, 이러한 응용 분야에서의 연구와 개발은 미래 기술의 발전을 주도할 것으로 기대됩니다.

향후 전망

• 임계온도를 높이는 돌파구가 필요하겠지만, 100년 후에는 실온 초전도 또는 드라이아이스 냉각을 사용한 초전도 현상이 가능할 것으로 기대됩니다.
• 초전도 기기의 냉각 시스템 개선은 초전도 기기의 보급과 발전을 촉진하는 열쇠 역할을 할 것입니다.
• 전력 네트워크 구성에서도 커다란 변혁이 예상되며, 초전도 기술은 더 넓은 응용 분야로 확장될 것입니다.

초전도 기술은 미래에도 더 많은 분야에서 혁신을 이끌 것으로 예상되며, 높은 효율과 안전성을 제공하는 기술로서 계속 발전할 것입니다.