원자력연, 2015년 상용화 목표·초전도 에너지 저장 장치 활용

한국원자력연구원(원장 정연호) 중성자과학연구부 김찬중 박사 팀이 초전도 에너지 저장 장치의 핵심 소재인 '희토류계 초전도 물질'의 전기 효율을 10배 향상시킬 수 있는 방법을 찾아냈다고 12일 밝혔다.
 
▲김찬중 박사. ⓒ2011 HelloDD.com
김찬중 박사 팀은 희토류 초전도체의 전기 특성을 저하시키는 원인인 미세 구멍이 초전도체 제조 과정에서 발생하는 산소 때문임을 규명했다. 이에 따라 원료 물질의 화학 조성을 조절하고 성형체의 밀도를 높여 산소 발생 원인을 제거함으로써 초전도체의 단위 면적당 전류량을 10배 높이는데 성공했다.

희토류 초전도체는 이트륨(Y) 또는 가돌리늄(Gd) 등 희토류 원소를 주성분으로 하는 분말 성형체 위에 종자를 심고 가열한 후 냉각해서 결정을 성장시키는 종자성장 공정이다.

최대 10cm 크기까지 제조가 가능하지만, 초전도체 내부에서 수 마이크로미터에서부터 수 밀리미터 크기의 미세 구멍(기공)이 생겨 전류의 흐름을 방해하는 문제점이 있었다.

김 박사 팀은 원료 물질 중 산소와 관련된 화학 조성을 조절하고 성형체의 밀도를 높여 기공 발생 원인을 제거했다. 이어서 초전도체 내부에 자장을 제어할 수 있는 나노 크기의 비초전도 물질을 균질하게 분산시킴으로써 기공이 없고 전류 특성이 크게 향상된 초전도체를 제조하는데 성공했다.

김 박사 팀이 새로운 방법으로 제조한 희토류 초전도체는 105A(암페어)/㎠의 전류를 통과시켜 기존의 104A(암페어)/㎠보다 10배 향상된 전류 특성을 띠는 것으로 확인됐다.

연구 결과는 초전도 전문 국제 학술지인 'Superconductor Science and Technology(초전도 과학과 기술)'에 '2010년 주목할 만한 연구결과 20(Highlights 20)'로 선정됐다.

김 박사는 "이 기술을 토대로 2015년 상용화를 목표로 개발 중인 초전도 플라이휠 에너지 저장 장치 제작을 위한 초전도 단결정 벌크 대량 생산 공정을 개발할 계획"이라고 밝혔다.
▲희토류 계 초전도체의 자기 부상 (마이스너 효과). ⓒ2011 HelloDD.com
 
◆용어설명

▲희토류(rare-earth) 계 초전도 물질

초전도 온도가 90K(섭씨 영하 183도) 이상인 고온 산화물 초전도 물질. 플라이휠 에너지 저장 장치, 고속 원심분리기, 자기 분리기, 초전도 벌크 모터 등의 핵심 소재로 사용될 수 있어 상용화 가능성이 가장 높은 초전도체로 꼽히고 있다.

▲초전도 에너지 저장 장치

일정 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라져 전류가 흘러도 손실이 발생하지 않는 저항 제로현상과 완전 반자성 자기부상을 이용해서 전기를 저장하는 장치. 초전도 베어링을 이용해서 원통을 무저항 상태로 회전시켜 전기 에너지를 회전 운동 에너지로 저장하는 초전도 플라이휠 에너지 저장 장치(SFES, Superconducting Flywheel Energy Storage)와, 초전도 코일에 전류를 흘려 자기 에너지 형태로 저장하는 초전도 자기 에너지 저장 장치(SMES, Superconducting Magnetic Energy Storage)로 나뉘어 개발이 진행되고 있다.
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