한국표준과학연구원은 과기처 국책과제로 KIST, 기계연, 전자통신연, 원자력연, 전기연, 과기원, 서울대, LG전자기술원, 삼성종합기술원 등과 공동 연구 중인 「고온초전도 기술개발」의 연구결과 공동발표회를 지난 21일 동연구원 대강당에사 개최했다. 이날 발표된 주요 내용을 요약한다.
<편집자>
세계 각국의 연구진은 정보통신, 에너지, 의료, 교통분야 등 전기를 사용하는 모든 분야에 혁신을 가져올 수 있는 고온초전도체에 대한 연구를 활발히 진행하고 있다.
국내에서도 표준연을 비롯한 산학연 공동으로 지난 87년부터 어떤 임계온도 이하에서 전기저항이 완전히 없어지는 물질인 고온초전도체 개발에 대한 연구를 진행 중에 있다.
임계온도가 액체질소의 비등점(섭씨 -1백96도)보다 높은 고온초전도체에 대한 연구는 주로 구리산화물로 Y-계, Bi-계, Ti-계, Hg-계 등 1백여종에 대해 중점적으로 이뤄지고 있으며 연구가 진행됨에 따라 21세기의 인류생활을 바꿀 중요한 핵심요소로 점차 부각되고 있다.
선진국들은 고온초전도체를 응용한 상품에 대한 세계시장 규모가 2000년에는 1백억달러, 2010년에는 4백억달러, 2020년에는 2천억달러대로 성장할 것으로 전망, 현재 매년 10억달러의 연구개발비를 투입해 활발한 연구활동을 벌이고 있다.
한편 고온초전도체를 이용한 제품으로는 금년 내로 휴대형전화기의 지상중계국과 개인휴대통신(PCS) 분야에 사용될 마이크로파 필터시스템이 상용화할 예정이다.
<> SQUID를 이용한 생체자기 계측기술표준과학연구원
현존하는 자기센서 중 가장 감도가 높은 센서인 SQUID는 두개의 조셉슨 접합을 연결하여 만든 것으로 지구 자기장의 1백억분의 1 정도의 미세한 작은 자기장을 측정할 수 있다. 표준연은 이를 이용한 생체자기 계측기술을 개발, 심장신호, 태아의 박동, 인체 내부에 대한 3차원의 영상정보를 얻을 수 있는 차세대 첨단 의료장치 개발에 박차를 가하고 있다.
이 기술은 특히 생체자기 뿐만 아니라 극미세한 자기 및 전기장의 정밀측정, 구조물 및 재료의 비파괴 평가, 지하자원 탐사, 잠수함 탐지 등 의료, 산업, 환경, 군사분야에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.
또한 SQUID 제작의 기초기술인 박막제조, 조셉슨 접합기술은 초전도 전자공학의 가장 핵심이 되는 기술로서 초전도 트랜지스터, 디지털 소자 등 전자부품 제작에 활용될 수 있다.
국내에서는 표준연, LG전자기술원, 삼성종합기술원 등이 초전도 전자공학 기술 컨소시엄을 구성, 1-7 채널을 이용한 심자도계측에 성공했으며 대규모 자기차폐실을 완공해 본격적인 응용기술개발에 나서고 있다.
<> 고온초전도 전자소자 개발한국과학기술연구원
전문가들은 고온초전도체가 실용화할 경우 현재의 반도체 버금가는 커다란 파급효과가 미칠 것으로 기대하고 있다.
고온초전도체 소자 중 가장 먼저 실용화하고 있는 소자는 고온초전도 박막을 이용한 고주파 소자로서 지난해 현장실험을 끝내고 올해부터 휴대전화용 기지국 필터뱅크에 적용, 운용될 전망이다.
이처럼 초전도체의 저손실, 고품질 특성은 우수한 필터제작이나 결합 및 분배기를 제작할 수 있으며 기존의 시스템보다 훨씬 많은 채널 사용이 가능하고 통화성능이 우수하기 때문에 주로 이동통신이나 개인휴대통신서비스 기지국 등에 사용될 전망이다.
외국에서는 또한 초전도 조셉슨 접합을 이용하는 디지털 소자가 초전도체만이 가지는 특이한 양자현상을 이용, 반도체로서는 불가능한 빠른 전환속도를 가지는 전자소자라고 판단, 이 분야에 대해 집중적인 연구를 진행하고 있다.
국내에서도 과기원을 비롯한 관련 연구단체에서 고온초전도 박막을 이용한 필터, 공진기, 오실레이터 등의 고주파 소자와 조셉슨 접합을 이용한 디지털 소자에 대한 연구개발에 나서고 있으며 적외선 센서, 팀투거리 측정장치제작, 고온초전도 단결정과 박막에 대한 물성연구를 진행 중이다.
<> 고온초전도 마이크로 웨이브 소자개발삼성종합기술원
고온초전도 박막을 이용한 소자개발은 기존의 소자에 비해 전력소모가 적고 스위칭 속도가 빨라 향후 매우 유망한 분야로 예상된다.
특히 전문가들은 고온초전도 박막을 이용한 수동소자연구는 초전도체의 저전력, 저손실 등의 특성을 응용한 것으로 가장 먼저 실용화할 것으로 전망하고 있다.
일본의 경우는 그동안 고온초전도 연구개발이 벌크를 이용한 자기부상열차 및 에너지 저장장치에 대한 대규모 응용개발이 주종을 이뤘으나 최근에는 미국과 같이 고온초전도 마이크로파 소재개발에 박차를 가하고 있다.
이처럼 선진국이 고온초전도 마이크로파 소재개발에 적극 나서고 있는 것은 통신분야에서 고온초전도체를 응용할 경우 고온초전도 공진기, 필터, 믹서, 안테나 등 개발은 물론 현재 사용되고 있는 위성통신에서의 채널 수를 크게 증가시킬 수 있으며 특히 통신용 필터 및 필터 뱅크 등이 개발될 경우 위성통신 시스템 중량의 70%를 줄일 수 있기 때문으로 풀이된다.
삼성종합기술원도 고온초전도 YBCO 박막을 이용한 필터 및 필터 뱅크를 포함한 개별소자 개발, 이들로 구성된 고온초전도 시스템 등 통신용 기지국 제작을 목표로 연구 중에 있다.
<> 고온 초전도 장선제조기술한국기계연구원
세계 각국 연구진은 고온초전도 기술을 전력분야에 응용하기 위한 고온초전도 송전선, 모터, 발전기, 변압기, 전류인입선 등에 대한 연구를 진행, 시제품들을 개발하고 있다.
선진국들은 산화물 초전도체에서 극복이 어려운 초전도 선재의 장선화 및 기계적 변형특성과 같은 문제점을 극복하기 위해 금속봉 속에 초전도 분말을 삽입하고 기계적인 열처리 과정을 거치는 등 다양한 노력을 경주하고 있다.
현재 문제점을 지적되고 있는 고온초전도체 선재의 길이를 늘리는 일과 임계전류 밀도향상기술이 완성될 경우 발전 및 송전, 에너지 저장, 자기부상열차 등 다양한 분야의 응용이 가능해져 관련 분야에 새로운 초전도 혁명이 일어날 것으로 전망된다.
<대전=김상룡기자>