현재 대한민국은 선진국으로 발돋움하고 있지만 저온초전도 응용기기 분야에서는 극심한 수입의존 국가로 관련 연구개발 인프라도 매우 미흡한 실정이다. 그러나 고온초전도 응용기기 연구는 전 세계적으로 이제 시작단계이기 때문에 우리나라도 관련 기술을 우선적으로 선점하기 위한 연구에 박차를 가하고 있다. 고려대 이해근 교수가 이끄는 ‘초전도 재료 및 응용연구실’에서는 현재 고온초전도 마그넷 응용기기 핵심기술들의 확보를 위해 불철주야 연구에 전념하고 있다. 설립된 지 불과 5여년밖에 되지 않은 이 연구실은 그러나 ‘세계 최초’ 의 많은 연구성과들을 발표해 주목받고 있다. 이 연구실을 찾아 중점 연구과제와 연구성과 등을 알아봤다. 

11명의 석·박사급 연구원,고온초전도 마그넷응용기기 개발에 사활

현재 전세계적으로 에너지 보존과 환경 보호 차원에서 대체 에너지원 및 친환경적인 응용시스템 개발이 한창이다. 특히‘초전도 마그넷’응용기술은 현재 에너지 고갈과 환경오염 문제를 해결할 수 있는 최적의 친환경 기술로 각광받고 있다.

‘초전도 마그넷’이란 극저온에서 전기저항이 0인 초전도체를 이용해 만든 마그넷으로, 상전도 마그넷에 비해 강한 자기장을 생성할 수 있고 에너지 밀도가 매우 높아 경제성과 효율성이 매우 뛰어나다. 게다가 CO2 및 각종 유해기체의 발생을 원천봉쇄할 수 있어 매우 친환경적이다.

또한‘초전도 마그넷’만이 가지고 있는 영구전류모드 운전을 이용하면 에너지를 손실없이 영구보존할 수 있으며, 초고자기장을 구현하면서도 균일한 자장 분포도를 갖는 NMR/MRI 마그넷에 적용, 정밀한 의료분석이 가능해진다. 저온초전도체를 사용하는 마그넷은 NMR나 MRI 등 고정밀 의료분석 기기로 상용화되고 있으나 냉매로서 고가의 액체헬륨이나 고성능·고효율 냉동기를 사용하기 때문에 시스템 설계·제작 및 운용비용이 매우 고가라는 단점이 있다.

또한 시스템의 안정성도 매우 취약해 일반적으로 사용되기에는 한계가 있어 이를 극복하기 위한 고온초전도 연구는 어쩌면 당연한 일인지도 모른다. 따라서 이해근 교수는“임계자기장이 100T 이상이며 냉각비용도 생수보다 저렴한 액체질소를 냉매로 사용할 수 있는 고온초전도 응용기술이 전세계적으로 절실하게 필요한 실정”이라고 말했다.

고려대‘초전도 재료 및 응용 연구실’은 이러한 세계적인 동향에 발맞춰 연구책임자인 이해근 교수를 중심으로 11명의 석·박사급 연구원(연구교수 1명, 박사과정 4명, 석사과정 4명, 연구원 2명)이 고온초전도 마그넷 응용기기 기술 개발에 사활을 걸고 있다. 

현재 이 연구팀은 고온초전도 마그넷의 영구전류모드 운전을 가능하게 하는 고온초전도 접합 기술의 연구, 이동형 고온초전도 마그넷 응용기기를 제작하기 위한 고체냉매를 이용한 냉각시스템 연구, 고온초전도 응용기기를 위한 전류인입선 설계 및 제작 연구, 음향반출(AE) 센서를 이용한 고온초전도 마그넷 응용기기의 조기 안정성 진단 기술 연구, 각종 공장에서 흘러나오는 산업폐수들을 정제시키기 위한 고구배 고온초전도 자기분리장치(HGMS) 개발 연구, 1GHz 이상의 초고자장 NMR용 고온초전도 인서트 코일 설계 및 제작 연구들을 진행하고 있다.

이미 개발된 연구 성과를 전세계 어느 국가보다 우선적으로 선점하기 위해 이 연구실은 지난 2006년 설립 이래 국·내외 특허 출원 및 등록 18건(국내특허 출원 8건, 등록 4건, PCT 출원 2건, 해외특허출원 4건)을 완료했다. 또한 이를 사업화하기 위한 ‘산소분압 조절을 통한 초전도 선재의 융용확산 접합방법’을 포함한 3건의 기술이전(총 2억 6,000만 원, 경상기술료 매출액의 3%)을 완료했다.

‘세계 최초’2세대 고온초전도 접합 원천기술 개발

현재 이 연구팀이 중점적으로 진행하고 있는 연구분야는 크게 3가지.

첫째는 고온초전도 선재의 초전도 접합 기술 개발, 두번째는 이동형 고온초전도 마그넷 응용기기 제작을 위한 고체냉매를 이용한 냉각시스템 기술 개발, 세 번째는 고온초전도를 이용한 고자장 MRI 및 1 GHz 이상의 NMR 제작을 위한 기반 기술 개발이다.

 이 연구실은 이와 관련, 최근 5년간 70여 편의 과학기술논문인용색인(SCI) 논문과 140여 편의 국제학술 발표를 하는 등 눈부신 연구성과를 거뒀다.

특히 이 연구팀은 중견연구자사업(교육과학기술부)의 지원에 힘입어 세계 최초로 2세대 고온초전도 사이에 용가재(solder)와 같은 매개물의 삽입 없이 초전도층의 용융확산 결합을 시도해 접합저항에 의한 손실이 발생하지 않는 명실상부한 2세대 고온초전도 선재의 초전도 접합 연구로 주목을 받고 있다.

연구팀에 따르면“연구 결과 산소분압을 조절해 2세대 고온초전도 선재의 초전도 층과 은 안정화재 층의 용융점이 역전되는 조건 및 초전도체 층의 용융시‘산소 외부 확산’현상으로 인한 잃어버린 초전도성을 회복하는 조건 확립에 성공했다”고 밝혔다.

연구팀은 또 이 원천기술의 상용화를 위해 (주)케이조인스라는 회사에 기술 이전을 실시하고 중소기업연구소지원사업(중소기업청)을 바탕으로 산-학 공동연구를 진행하고 있다.

이 교수에 따르면 “만약 이 기술개발이 성공하면 2세대 고온초전도 선재의 장선화 및 영구전류모드 운전이 가능하게 되어 전반적인 초전도 마그넷 응용기기에 2세대 고온초전도 선재를 적용할 수 있기 때문에 향후 엄청난 경제적 부가가치를 창출할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이러한 2세대 고온초전도 선재의 초전도 접합 원천 기술 확보의 우수성을 인정받아 연구팀의 연구책임자 이해근 교수는 지난해와 올해 잇따라 고려대학교 석탑기술상과 올 7월에는 한국과학기술단체총연합회에서 제21회 과학기술 우수논문상을 수상하는 쾌거도 맛봤다.

“새로운 녹색산업의 선도적 역할하겠다”
초전도재료 및 응용연구실은 연구책임자 뿐만 아니라 모든 연구원들이 본인의 연구주제가 아니더라도 항상 실험결과를 공유하고 있으며 문제 발생 시에는 이를 해결하기 위한 다양한 접근 방식을 시도하고 있다.

이 교수는 향후 연구목표에 대해“현재 연구책임자를 포함한 12명의 연구원 목표는 고온초전도 접합 기술, 고체냉매를 이용한 차세대 냉각시스템 제작 기술, 고자장 MRI 및 GHz급 NMR 제작 핵심 기술들을 꼭 상용화에 성공시켜 전 세계 어느 국가보다 우선적으로 고온초전도 마그넷 응용분야를 선점함으로써 기술 수출 및 새로운 녹색산업의 선도국가로서의 역할을 가능하게 하는 것”이라고 강조했다.

한편, 이해근 교수는 고려대 재료공학과를 졸업한 뒤 미국 일리노이스대학에서 재료공학 석·박사학위를 취득했다. 이후 MIT와 FBML에서 박사후 과정과 연구교수를 거쳐 고려대 신소재공학과 교수로 재직하고 있다.

교육에서도 두곽을 나타내어 고려대학교 석탑강의상을 4번이나 수상한 경력이 있는 이해근 교수는 현재 국가 BK21사업 참여교수, Journal of KIASC 편집위원, 한국초전도-저온공학회 편집이사, 한국초전도산업협회 홍보이사, 핵융합기술자문위원회 자문위원, 국가핵융합 실무위원회 위원으로 활동하고 있다.