서울공대 웹진(133호)

1-3. 고온 초전도 기술과 무절연 권선법

기존 '저온 초전도체'는 대부분 합금 소재에서 발견되고 있으며 실제 초전도 시스템에 적용하는 경우 고가의 액체 헬륨(liquid helium, 1리터당 5만 원 수준)을 기반으로 하는 4K 극저온 냉각이 요구된다. 이에 반하여 고온 초전도체는 임계온도가 30K을 넘는 소재들이 일반적이어서 냉각 비용 측면에서 장점을 가지게 된다. 특히 최근 다양한 응용 분야에서 활용되고 있는 (RE)BCO 계열(RE: Rare Earth, 희토류)의 고온 초전도체는 임계온도가 액화 질소의 기화점인 77K를 초과함에 따라, 초전도 상태 구현을 위한 냉각제로 기존의 저온 초전도에서 사용하던 액체 헬륨 대신 약 1/50 비용의 액체 질소를 사용할 수 있게 되었다. 하지만, 고온 초전도체는 순간적으로 초전도 현상이 사라지는 '퀜치(Quench)' 사고가 발생하는 경우 수초 이내에 전기적으로 타버리는 중대한 문제점을 안고 있었다. 퀜치 사고의 원인으로는 소재 불균일성이나 설계 결함 등 기술적인 원인도 있으나, 때에 따라서는 초전도 시스템 운영자의 실수로도 발생하는 경우가 자주 보고되고 있어서 실제 고온 초전도 기술의 상용화에서 반드시 해결해야 할 선결 조건임에도 고온 초전도체의 물리적 한계로 인해 소재 자체에서 해결책을 찾는 것이 사실상 불가능하였다. 이에 따라 고온 초전도 자석에서 발생하는 퀜치는 급격한 발열로 인해 자석이 파손되는 경우가 빈번했으며, 코일 보호가 사실상 불가능에 가까울 정도여서 퀜치는 '통제 불가능한 사고'로 여겨졌고 고온 초전도 자석의 응용 분야를 최근까지도 크게 제한하는 기술적 난제로 인식되어 왔다.

2011년 무절연 고온 초전도 기술의 등장 및 고온 초전도 자석 보호 기술 패러다임의 변화

2009년 필자가 MIT Francis Bitter Magnet Laboratory에서 처음 발표한 무절연 고온 초전도 권선법(No-insulation High Temperature Superconductor Winding Technique)은 기존 초전도 코일의 권선에서 턴 간 절연을 의도적으로 제거하여, 퀜치가 발생하여도 사고 전류가 퀜치 발생 지점을 이웃 선재를 통해 '자동 우회 (automatic bypass)'하게 되어 퀜치에 의한 과열 현상을 방지하고 고온 초전도 자석의 운전 안정성을 비약적으로 향상할 가능성이 제시되었다.(그림2)1) 이에 따라 고온 초전도 분야에서 '퀜치는 곧 사고'라는 통념을 뛰어넘어 고온 초전도 자석을 보호하는 새로운 패러다임을 제시한 것으로 평가받고 있으며, 사실상 '전기적으로 타지 않는' 고온 초전도 자석을 목표로 전 세계적으로 다양한 연구가 진행되고 있다.

2012-2018년 무절연 고온 초전도 기술의 잠재력 입증

무절연 고온 초전도 자석과 관련하여 전 세계적으로 다양한 초기 연구가 진행되던 2010년대 초반, 국내 연구진(서남)은 26T 무절연 고온 초전도 자석을 개발하여 MIT 팀이 보유했던 7T의 세계 최고 자기장 기록을 4배 가까이 향상했다. 이 성과는 영국 물리학회 산하 Superconductor Science and Technology 학술지의 2016년 최다 인용 논문으로도 선정되었고, 이후 한국기초과학지원연구원의 무절연 고온 초전도 400M㎐ NMR 시스템 개발 성공, 서남의 18T Axion Detection 자석의 최초 상업적 판매, MIT Commonwealth Fusion Systems 스타트업의 20T 핵융합 자석 개발 성공으로 이어졌다. 2017년에는 무절연 고온 초전도 코일 기술이 IEEE(전기전자공학자협회)에 정식 기술 항목으로 등재되었고, 유럽 핵물리연구소(CERN)는 2013년 힉스 입자 발견으로 노벨상을 받은 후 현재 대형 강입자 충돌기(LHC)의 업그레이드를 추진 중이며 그 과정에서 2019년 CERN이 주관하는 국제 가속기 워크샵(WAMHTS)의 부제를 "No-insulation"으로 지정하는 등 무절연 고온 초전도 자석 관련 연구를 본격적으로 추진하고 있다.

2019년 직류 자기장 세계 기록 달성

2019년 6월 서울대학교 초전도 응용 연구실은 미국 국립 고자기장 연구소와의 공동 연구를 통해 무절연 고온 초전도 자석 기술로 45.5T의 직류 자기장 세계 기록을 달성했다고 Nature 본지에 발표하였다.(그림3) 나아가 해당 결과는 영국 물리학회 산하 Physics World의 'Top 10 Breakthrough for 2019'에 선정되었다. 특히 '그림4'에서 보듯이 기존 세계 기록을 보유하고 있는 미국 국립 고자기장 연구소의 'Hybrid 45T 자석'과 비교하여 무절연 고온 초전도 방식의 초고자기장 자석이 성능, 활용도 및 비용 측면에서 획기적인 개선이 가능한 것으로 예측되어 현재 국내에서도 무절연 고온 초전도 기술 기반 초고자기장 자석의 상용화에 대한 관심이 높아지고 있다.

2020년 이후 글로벌 경쟁 시대

무절연 고온 초전도 기술의 등장으로 고온 초전도 자석의 활용 가능성이 확대되면서, 상용화 단계의 자석 개발 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 대부분의 초전도 응용 국제 학술대회에서 No-insulation 세션이 운영되고 있으며, 의료, 신물질 개발, 에너지, 환경, 첨단 과학, 전기 추진 등 광범위한 산업 분야에서 고온 초전도 자석 개발 경쟁이 심화하고 있다. 우리나라에서도 최근 무절연 고온 초전도 자석 기술의 중요성을 인지하고 과학기술정통부의 주관하에 '고온 초전도 마그넷 원천기술 연구단(단장: 서울대 이상진 전기정보공학부 객원교수)'이 2022년 설립되었고, 27개 기관, 220여 명의 연구자들이 모여서 고온 초전도 자석 원천 기술 연구를 활발히 수행하고 있다.

군함 전기 추진용 고출력 밀도 모터

현재 해군 함정의 추진 시스템은 고온 초전도체 기술을 접목하여 획기적인 발전을 이루고 있다. 고온 초전도 자석을 활용하여 적은 발열로 높은 전류를 통전할 수 있어 모터의 출력을 극대화할 수 있다. 이러한 장점을 활용하여 AMSC(American SuperConductor)는 36.5MW, 120rpm 규모의 고온 초전도 회전기를 개발하여 '그림11'과 같이 크기를 저감하면서도 2010년 1월 정격 부하 시험에서 기존 해군 기록의 2배에 달하는 성능을 달성하였다. 이후에도 선진국을 중심으로 고온 초전도 선박용 회전기 연구가 지속되고 있으며, 특히 SIEMENS는 2010년 4MW급 선박 추진용 고온 초전도 회전기 개발을 완료하였으며, 최근 16MW급 시스템을 개발 중이다. 이처럼 대형 선박에 접목되는 고온 초전도 기술은 저속 고토크 선박 추진이라는 새로운 패러다임을 제시하고 있다.

자기유체역학 추진

자기유체역학(Magnetohydrodynamics, MHD) 추진 기술은 기존의 기계식 추진 방식과는 차별화된 혁신적인 기술이다. 본 기술은 전기장과 자기장만을 활용하여 해수와 같은 '이온 유체' 속에서 추진력을 발생시킨다. 이는 기계적으로 움직이는 부품이 없다는 점에서 해군의 스텔스 잠수함 기술로 활용이 검토되고 있다. 자기유체역학 추진선의 추진 성능 향상을 위해서는 높은 자기장이 필요하다. 서울대학교 초전도 응용 연구실은 최근 무절연 고온 초전도 자석을 이용하여 '그림12'과 같이 자기유체역학 추진 실험에 성공하여 그 가능성을 입증하였고, 실제 실험 수치를 바탕으로 대형 자기유체역학 추진 시스템의 가능성을 제시하였다.7)

전자기 펄스(EMP) 폭탄

전자기 펄스(EMP) 폭탄은 강력한 전자기파를 이용하여 전자 기기의 회로를 무력화하는 시스템이다. 이는 외부 전원의 강한 전류를 통해 고자기장을 형성하는 방식으로 작동한다. '그림13'은 폭발형 EMP 시스템의 구조도로 금속 실린더, 폭약, 계자 코일(자석)으로 구성되어 있으며, 폭약 점화 및 폭발에 의한 금속 실린더 이동, 실린더 이동에 따른 코일 내부 자기장 증가, 고자기장의 순간적인 방출 및 전자기 펄스 생성의 순서로 작동한다. 특히 고온 초전도 기술을 활용한 초고자기장 초소형 자석과의 연계를 통해 EMP 폭탄의 성능을 극대화할 수 있을 것으로 예상된다.

레일건 펄스 전자기 발사기

레일건 펄스 전자기 발사기는 저장된 에너지를 순간 펄스 전류로 변환 주입하여 전자기 발사체를 발사하는 시스템이다.(그림14) 최근 미 해군이 발표한 시스템의 경우 시속 7,200㎞(마하 6)의 총구 속도와 200㎞의 목표 사거리를 달성할 수 있는 것으로 보고되고 있다. 시스템 운용을 위해서는 25MW(33MJ 샷) 이상의 순간 고속 출력이 필요하며, 고온 초전도 기술은 반영구적 자기 에너지 저장 장치 및 대전류 저손실 케이블 등 레일건의 핵심 기술로 활용될 것으로 기대되고 있다.

대드론용 초고출력 모터

현대전의 주요 특징으로 '그림15'와 같은 드론의 사용을 꼽을 수 있다. 이러한 군사용 드론 공격에 대응하기 위해 충돌하거나 폭발력을 이용해서 드론을 타격하는 '하드 킬' 방법이 대표적으로, 미사일과 같은 요격 방식이 아닌 재사용이 가능한 방법이다. 이에 대부분 하드 킬을 하는 수단은 운동에너지를 사용한 충돌로 수행된다. 즉 드론이 직접 드론과 부딪히는 안티 드론 솔루션으로 현재 미국의 방위사업체인 '안두릴'을 포함해 다양한 군수 업체에서 드론에 대응하기 위한 연구가 진행되고 있다. 공격용 드론을 따라잡기 위해서는 순간적으로 고출력을 내는 드론 추진 모터 기술이 요구된다. 현재 공기를 통해 냉각하는 드론 구조에는 구동 시 발열을 억제하는 데 한계가 존재한다. 이를 해결하기 위하여 극저온 추진 모터를 고온 초전도 기술과 연계하여 진행되고 있다. 특히 극저온 냉각 능력을 효과적으로 최적화하면 대드론 대응 상황에서 일시적으로 고출력 운전을 가능하게 하여 하드 킬 드론의 성능을 극대화할 수 있을 것으로 기대된다.

초전도 케이블을 이용한 자기 기뢰 소해 기술

초전도 케이블을 이용한 자기 기뢰 소해 기술은 해저 부설 기뢰를 소해 장치로 유도 폭파하여 제거하는 기술이다. '그림16'과 같이 이 기술은 200~300m의 전선을 해수면으로 연장하여 소해함 또는 헬리콥터로 예인하고, 주전선의 전류를 통전하여 모의 자계를 형성함으로써 기뢰를 유도 폭파하는 방식으로 작동한다. 고온 초전도 케이블 기술을 적용할 경우, 전선의 경량화가 가능하며 특히 저전압 대전류의 경우 그 효과가 더욱 증대된다. 또한 높은 케이블 유연성으로 인해 해수면 연장 설치 및 회수가 용이한 장점이 있다.

초전도 케이블을 이용한 함정 탈자 기술

초전도 케이블을 이용한 함정 탈자 기술은 지구 자기장 및 함정의 다양한 전자기기 등에 의해 선박에 잔류되는 영구 자기장을 저감히는 기술이다. 수중에 설치되어 있는 기뢰 등은 함정의 자기장을 인식하기 때문에 스텔스 추진을 위해서도 필수적인 기술이다. '그림17'과 같이 주로 부두에 탈자 시설이 설치되어 있으며 주기적으로 정박하여 탈자 처리를 통해 선박의 자기장을 저감한다. 현재 탈자 시설은 구리 케이블을 사용하여 교번 전류를 인가하는 방식을 사용한다. 고온 초전도 기술 적용 시 구리 케이블 대비 대전류를 인가할 수 있는 장점이 있어 부피 감소 효과와 더불어 전원 설비 및 운전 비용의 절감 효과가 기대되고 있다. 이러한 기술은 현재 일본 함선 자기 수중 전계 연구회에서도 심도 있게 검토되고 있다.

초전도 케이블을 이용한 함정 소자 기술

소자 기술은 탈자 기술과 유사하게 선박의 자기장을 제거하는 기술이다. 탈자와 달리 소자는 '그림18'과 같이 선박 내부에 케이블이 설치되어 있어 선박의 자기장을 실시간으로 저감한다. 초전도 케이블을 이용한 함정 소자 기술에서는 고온 초전도 소자 시스템의 적용을 통해 기존 소자 장비 대비 중량, 설치 공간, 전력 공급 및 소모량을 획기적으로 감소시킬 수 있다. 미 해군은 2000년대 초반부터 이 초전도 소자 기술의 장기 개발을 진행해 왔으며, 2021년 고온 초전도 선재 제조사인 American Superconductor Corporation에 고온 초전도 소자 기술을 구매하는 계약을 발표하였다. 국내에서도 최근 PRISM 연구단에서 영국원자력청과 협력하여 개발 중인 100kA급 대전류 케이블 기술을 활용하여 소해, 탈자, 소자에 활용 가능한 대전류 고온 초전도 케이블 개발이 진행되고 있다.