초전도자석
초전도자석(超傳導磁石, superconducting magnet)은 초전도 선으로 감은 코일을 사용하여 만들어진 전자석이다. 초전도 전자석이라고도 한다.
개요[편집]
초전도자석은 구리선 등을 사용한 일반 전자석에 비해 여러가지 이점을 지닌다. 영구전류모드를 사용하면 더 안정적인 자기장을 얻을 수 있다. 초전도 선은 구리선에 비해 같은 단면적에 백배 정도의 전류를 흘릴 수 있기 때문에 초전도 자석은 일반 전자석에 비해 더 작아질 수 있다. 또한 저항손실이 없기 때문에 적은 전력을 소모한다. 큰 자기장을 얻기 위해서는 일반 전자석 안에 초전도 자석을 삽입한 형태의 복합 자석 형태로 만들기도 한다.
무절연 고온 초전도자석은 차세대 핵융합을 비롯해 자기공명영상장치(MRI) 등 미래 산업을 이끌 기반 기술이다. 현재 의료·바이오, 신소재, 에너지, 전력, 수송, 군사 등 여러 분야로 빠르게 파급되고 있다. 이 기술은 빌 게이츠가 꼽은 2019년 10대 혁신 기술이기도 하다.
초전도자석은 코일용 선재(線材)에 초전도체인 Nb 합금 등을 사용하여 액체 헬륨 온도로 냉각하여 초강자계를 발생시킬 수 있다. 전력 저장이라든가, 핵융합로용 플라스마의 수장, 자기부상 등 대전력용의 초전도 마그넷과 핵물리 실험, 반도체의 물성측정 등 소형의 실험용 등으로 나누어진다. 대전력용은 경제성이 문제가 되기 때문에 현재도 연구개발 중이지만, 물성실험용의 초전도 마그넷은 실용되고 있고, 유효내경이 수 10㎜인 시료실에서 10T 이상의 초강자계를 얻는 시판품을 이용할 수 있다.
특징[편집]
◎ 강한 자기장을 발생할 수 있다.
◎ 넓은 공간에 자기장을 발생할 수 있다.
◎ 각종 형태의 자기장 분포를 비교적 쉽게 만들 수 있다.
◎ 경량이다.
◎ 소비 전력이 적다.
◎ 영구전류를 이용할 수 있다.
실온에서 자기장을 발생하기 위해서는 구리선으로 감은 코일이 사용되고 있다. 구리선에 대전류를 흘리면 어지간히 잘 냉각하지 않는 한 줄열 때문에 타서 끊어진다. 현재, 효과적으로 수냉할 수 있는 특별한 구조를 가진 구리코일에 대전류를 흘림으로써 20테슬라 이상의 강자기장이 발생되고 있다. 이것에 대해 초전도 자석에서 기록되고 있는 최고 자기장은 약 18테슬라이다. 이 자석은 일본 쓰구바(班波)의 금속재료기술연구소에 설치되어 있으며 NbSn과 같은 연구소의 다치카와(太刀川) 박사가 개발한 고자기장에 강한 V3Ga 선재가 사용되고 있다.
이와 같이 최고 자기장에서는 지금까지는 초전도 자석은 구리 자석에 미치지 못하나, 저항을 갖는 동재(銅材)에 대전류를 흘리기 위해서는 매우 큰 전력을 필요로 한다. 예를 들어 구경이 4cm에서 15테슬라를 발생하는 자석을 비교하면, 구리자석은 약 5000㎾나 되는 대전력을 필요로 하는 데 반해 초전도 자석은 4.2K로 보냉하는 냉동에 필요한 전력을 포함하여 약 1㎾가 된다. 이와 같은 이점을 갖는 초전도 자석의 안쪽에 구리자석을 삽입하면 더욱 높은 자기장을 얻는다.[1]
연구 현황[편집]
무절연 고온초전도자석 적용 사례를 보면 최근 미국 MIT와 커먼웰스퓨전시스템사가 공동 개발 중인 차세대 초소형 핵융합 장치(SPARC)를 들 수 있다. 후발 주자인 영국의 토카막에너지사도 이와 비슷한 초소형 핵융합 장치를 무절연 고온초전도자석 기술로 개발하고 있다. 미국 국립고자기장연구소, 프랑스 그르노블 국립고자기장연구소, 중국 과학원 등에서 개발 중인 40T급 초고자기장 연구용 자석이나 일본 도시바의 9.4T급 의료 진단용 초고자기장 MRI, MIT와 일본 이화학연구소의 신약 개발용 단백질 분석 장비도 이 기술로 개발이 이뤄지고 있다. 유럽 핵물리연구소와 일본 스미토모중공업 등에서 개발하고 있는 암 치료용 초소형 가속기, 미국 나사(NASA)의 1.4㎿ 항공기용 전기 추진기, 러시아 고등기술연구소의 500㎾급 항공기용 전기 추진, 일본 중부전력의 초전도 자기에너지 저장 장치도 마찬가지다.
국내에서도 지난 2015년 ㈜서남이 MIT와 고온초전도자석을 공동 개발해 2017년 기초과학연구원(IBS) 액시온·극한상호작용연구단에 18T 70㎜급을 납품했다. ㈜수퍼제닉스와 전기연구원도 고온초전도다극자석을 개발해 IBS의 중이온가속기(RAON)에 투입할 예정이다. 기초과학지원연구원은 2015년부터 기계연구원·㈜서남·군산대·서울대와 함께 400㎒ 무냉매 무절연 고온초전도 NMR 자석을 개발하고 있다.
비교적 높은 온도에서 전기저항이 0이 돼 많은 전류 손실 없이 전송하는 고온초전도 현상은 1986년 처음 밝혀진 후 항공기·선박 등의 대형 전기 추진 시스템, MRI와 신약 개발 분석 장비, 신재생에너지 저장 장치 등 파급 효과를 불러왔다. 하지만 순간적으로 초전도 특성이 사라지는 퀜치(Quench) 현상으로 고온초전도자석이 타버리는 문제를 해결하기 위해 기존에는 테이프 형태의 초전도선 사이에 절연체를 넣었다.
한승용 서울대 교수는 이런 관행을 깨고 절연체를 없앤 '무절연 고온초전도자석'을 세계 최초로 제안했다. 그 결과 기존 세계 최고 성능의 초전도자석에 비해 크기와 무게를 100분의 1로 줄인 초소형·초경량 초전도자석을 개발했다. 지난 20여 년간 깨지지 않았던 직류 자기장 최고 기록인 44.6T의 벽을 넘어 45.5T의 신기록도 썼다.
한 교수 연구팀이 개발한 무절연 고온초전도자석은 직경 34㎜, 길이 53㎜에 불과하지만 기존보다 50배 이상의 에너지밀도로 설계돼 초고자기장을 효율적으로 발생시킬 수 있다.[2]
각주[편집]
- ↑ 전파과학사, 〈초전도 자석의 응용〉, 《네이버 블로그》, 2020-04-03
- ↑ 고광본 기자, 〈크기·무게 100분의1 줄인 초전도자석 개발〉, 《서울경제》, 2021-03-31
참고자료[편집]
- 〈초전도 전자석〉, 《위키백과》
- 〈초전도 자석〉, 《첨단산업기술사전》
- 〈초전도자석〉, 《센서용어사전》
- 고광본 기자, 〈크기·무게 100분의1 줄인 초전도자석 개발〉, 《서울경제》, 2021-03-31
같이 보기[편집]
