[기술/특허]
초전도 박막 제조기술 세계최초 성공

 과학기술부(장관 채영복)와 한국과학재단(이사장 김정덕)은 2002년 2월 '이 달의 과학기술자상' 수상자로 포항공과대학교 물리학과 이성익 교수를 선정했다.
 이성익 교수팀은 레이저를 이용해 초고속 슈퍼컴퓨터, 마이크로파 통신, 뇌파 측정장치 개발에 쓰일 수 있는 절대온도 39K(영하 234도)에서 초전도 기능을 가진 세계 최고의 MgB2(마그네슘 다이보라이드) 초전도 박막을 최초로 제작에 성공해 초전도 연구의 새로운 전환점을 제공했다.
 연구단이 발표한 논문 제목은 '39 K MgB2초전도 박막' (MgB2 superconducting thin films with a transition temperature of 39 Kelvin)이며, 연구 성과는 과학전문지인 'Science'에 2001년 5월호에 게재됐다.
 제59회 과학기술자상 시상식은 채영복 과학기술부 장관, 김정덕 한국과학재단 이사장, 정성기 포항공과대학교 총장을 비롯한 수상자와 관계자 등이 참석한 가운데 2002년 2월28일 과학기술부에서 개최될 예정이다.
 초전도 박막은 저항 없이 막대한 전류를 통할 수 있을 뿐 아니라, 전이 온도가 현재의 2배를 기록하고 있어 액체헬륨을 사용하지 않고도 특수 제작된 저온 냉동 장치에서 초전도가 형성될 수 있어 다양한 응용이 예상된다.
 연구성과는 2001년4월 'Science'지 특별 기자회견을 통해 속보로 세계 언론에 알려졌다. 이성익 교수 연구팀은 2001년 2월초 연구에 착수해 섭씨 850-1000도, 3만기압 조건에서 MgB2 고온고압 시료를 세계 최초로 합성해 초전도 성질을 대폭적으로 향상시켰다.
 지금까지 금속 초전도체 중 가장 높은 초전도 전이온도는 절대 온도가 20도 정도 밖에 되지 않아 냉각 비용이 많이 들고 초전도 상태 유지가 어려워 좀더 높은 온도에서 초전도성을 보이는 금속을 개발하는 것이 최대의 관건이었다.
 이미 미국, 일본 유럽의 수백 개가 넘는 유수한 국립연구소, 기업 연구소에서 초전도 응용의 기본인 초전도 박막화를 위한 연구 경쟁에 돌입했지만 결국 포항공과대학교 초전도연구단이 개발했다. 세계 최초, 최고의 MgB2 (Tc=39K) 박막 제조에 성공한 것이다.
 신물질의 장점은 첫째로 구조가 간단하며 화학적으로 매우 안정돼 있고, 지상에 풍부하게 저장되어 있을 뿐만 아니라, 바다에도 많은 양이 들어 있어 공급이 원활하다는 것이다. 또 한번 만들면 외부환경에 의한 초전도성의 저하 등의 문제점이 거의 없으므로, 전기 부품으로 제조하면 수십 년, 수백 년이 지나도 변하지 않기 때문에 반영구적으로 쓸 수 있다.
 따라서 고온초전도의 제조, 안정화 등 까다로운 여러 성질들이 한번에 해결될 뿐 아니라 상대적으로 어려운 원료공급 문제를 동시에 해결할 수 있다.
 둘째, 신물질은 재래식 초전도물질보다 초전도 전이온도가 매우 높다는 것이다. 이 정도의 온도라면 액체헬륨을 쓰지 않고 단순한 전기냉장고로도 충분히 온도를 낮출 수 있어 그 응용이 무궁무진하다.
 예를 들어 통신을 위한 중계소에서 초전도 부품을 사용할 때 액체 헬륨을 정기적으로 기기에 부어 넣어 중계소를 유지하면 그 번거러움이 이루 말할 수가 없다. 만약 큰 대륙의 사막 한 가운데, 또는 깊은 산골에 중계소가 있다면 헬륨 공급이 매우 어려운데, 만약 전기냉장고를 이용한 저온장치를 가동해 중계소를 유지시킨다면 그 편리함은 이루 말할 수 없을 정도일 것이다.
 마지막으로 신물질은 현존하는 어떤 초전도체보다 초전도 전류를 많이 흘릴 수 있는 장점이 있다. 현재까지 알려진 바로는 전기를 1㎠ 1000만 암페어나 1억 암페어를 흘려도 저항이 나타나지 않는다. 서울시 전체에서 쓰는 모든 전기를 지름 1㎝의 전선으로 운송할 수 있는 양이다. 이 초전도체를 이용하면 송전 시 열로 없어지는 많은 전기를 버리지 않고 유용하게 쓸 수 있다.
 따라서 새로운 초전도 박막은 마이크로파를 이용한 무선통신 기지국의 주요 부품으로 가장 먼저 사용이 되고, 곧 이어 위성간의 장거리 통신 구축망의 핵심부품으로 사용될 전망이다.
 특히, 마이크로파 소자들을 이용한 부품이 우주공간에서 사용된다면 한국이 절대적으로 유리한 위치를 선점할 전망이다.
 연구단은 신개발 박막을 이용해 초전도 컴퓨터의 기본 부품인 조셉슨 소자 개발을 위해 국내의 연구진과 공동연구에 이미 착수했다. 연구가 본격화되면 뇌파나 심장의 상태를 환부의 개봉 없이도 알아낼 수 있는 초전도 양자 간섭 소자를 부산물로 제조할 수가 있을 것으로 예상하고 있다.
 한편, 초전도현상은 일정한 조건에서 전기가 흐를 때 저항이 영(0옴)이 되는 것을 말하는데, 초전도체가 많은 사람들의 관심을 끄는데는 초전도체가 가지는 무궁무진한 응용성에 기인하고 있다. 예를 들어 의학적 응용에서는 자기공명현상(Magnetic Resonance Imaging)을 이용해 뇌의 내부구조를 알아내는데 초전도자석이 쓰여 왔다. MRI 방법은 뇌의 내부를 직접 관찰하거나 X-선을 사용하지 않아 뇌의 내부에 상처를 입히지 않아도 된다. 이때 강력한 자석이 필요한데, 이를 위해 초전도 전선 내부에 강력한 전류를 흘려 사용한다. 현재까지는 액체헬륨으로 초전도 전선을 냉각시키고 있지만, 고온초전도체를 사용하면 그 냉매로 액체질소를 이용할 수 있어 상당히 낮은 비용으로도 MRI가 가동될 수 있으며, 뇌뿐 아니라 신체의 다른 부위까지도 X-선 장비가 MRI로 대치되는 파급효과를 얻을 수 있다.
 비단 의학에서 뿐만 아니라 우리들의 모든 실생활에서도 응용될 수 있다. 예를 들어, 초전도 자기 에너지 저장소(Superconduction Magnetic Energy Storage : SMES)는 초전도코일에 매우 큰 전류가 흐를 때 형성되는 자기장 형태로 에너지를 저장할 수 있는 기술이다.
 초전도체를 응용한 예로, 서울시내에서 사용되고 있는 모든 전류를 지름 5㎝의 초전도 전선에 실어 운반할 수 있고. 핵융합 반응을 이용한 미래의 에너지원의 제조 시에도 이용할 수 있다. 또한 대중교통수단에도 많은 변화를 가져올 것이다. 전자석을 이용한 현재의 자기부상열차는 1㎝정도 뜨는데 비해, 초전도를 이용하면 10㎝정도 부상할 수 있어 시속 500㎞까지 속도를 낼 수 있다는 것이 실험적으로 증명돼 서울과 부산을 40분만에 주파하는 자기부상열차를 만들 수 있고, 선박에서도 초전도체를 이용해 매우 빠른 속도로 운항할 수 있게 된다.
 또 다른 응용으로는 박막 선재나 조셉슨 소자를 이용한 고속소자, 자기장 및 전압 변화를 정밀하게 측정하는 센서, 열 발생이 없고 엄청나게 빠른 속도의 컴퓨터나 반도체의 배선 등이 있다.
 초전도를 이용한 통신이 첩보전에도 쓰인다. 보통의 전파를 이용한 위성간의 통신은 전리층을 뚫고 들어오기 때문에 지상에서 도청이 가능하다. 그런데, 초전도를 응용한 전파는 전리층을 뚫지 못해 지상에서 염탐할 수 없다. 초전도를 이용하면 테라(1012)㎐의 주파수영역을 이용할 수 있는데, 재래식 금속은 이 주파수에서 열에 의해 녹아버리기 때문이다.
 이 밖에도 초전도는 초전도 양자 간섭 장치(SQUID)를 만들어 사람의 심장이나 뇌에서 발생하는 미세한 자장을 측정할 수 있고, 조셉슨 소자를 이용해 여러 가지 검출기와 엄청나게 빠른 속도를 지닌 슈퍼컴퓨터를 만들 수도 있을 만큼 쓰임새는 무궁무진하다.
 <Chemical Daily News 2002/02/28>
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