국내 무절연 고온초전도 기술, 광범위 분야 응용 추진

초고자기장 MRI 사업 진행, 핵융합·수송 분야 등 연구

초전도 전력기기 시장 성장 예상, 친환경·신재생 에너지 활용 가능

■초고자기장 소재기술

2.2 2세대 고온초전도선의 고자기장 응용기술개발

2) 국내외 연구동향

현재 국내에서는 세계 최고 수준의 무절연 고온초전도 기술을 바탕으로 바이오, 의료, 에너지, 전력, 수송, 환경, 국방 등 광범위한 분야로의 응용이 다양하게 추진되고 있다.

대표적으로 ㈜서남에서 ‘15년 MIT와 공동 연구를 통해 당시 고온 초전도 기술을 이용한 세계 최고 자기장인 26.4T를 단 1개월의 제작 기간만으로 성공시켜 세계를 놀라게 했고, 이 결과는 응용 초전도 분야 권위지인 Superconductor Science and Technology 학술지의 “2016년 최다 인용 논문”에도 선정됐다.

이 기술을 바탕으로 ㈜서남은 서울대와 공동으로 ‘17년 기초과학연구원(IBS)의 ‘액시온 및 극한상호작용 연구단(CAPP)’에 18T, 70mm급의 세계 최초 고온 초전도 자석을 납품했다.

이는 고자기장 고온 초전도 자석의 세계 최초 상업적 판매 실적으로 알려져 있다. 18T 자석은 ‘17년 10월 이후 현재까지 IBS-CAPP에서 연속적으로 운전 중이며, 이는 고온 초전도 자석의 세계 최초 ‘장기 실증 운전’ 사례로 최근 관련 논문이 미국 응용물리학회의 Review of Scientific Instruments 학술지에 Editor’s Pick으로 게재됐다.

이외에도 의료 진단 및 치료 분야에서는 현재 정부에서 주관하는 “범부처 의료기기” 사업에서 초고자기장 MRI 사업을 진행 중이다. 특히 MRI 사업은 국내 많은 기업, 연구기관들이 30년 이상의 오랫동안 많은 연구비를 투자하여 국산화를 진행했으나 실패한 분야이다.

다만, 최근 무절연 고온초전도 자석 기술을 바탕으로 기존에는 초고가의 연구용으로만 활용되며 일반 병원의 임상용으로 사용하는 것은 비용 및 시스템의 크기 측면에서 상상하기 어려웠던 9T 이상의 초고자기장 MRI 개발의 가능성이 대두됐다.

이러한 무절연 고온초전도 MRI 기술을 바탕으로 기존의 ‘따라가기’ 전략이 아닌 ‘뛰어넘기’ 전략을 통해 국가의 염원 중 하나인 MRI 장비의 국산화 및 나아가 세계시장 선도까지도 기대하고 있다.

특히 최근 범부처의료기기 사업의 일환으로 ㈜수퍼제닉스를 중심으로 국내 전문기관들이 힘을 모아 6T, 200mm급 고자기장 고온초전도 MRI 시스템 개발을 진행 중이다. 또한, 포항가속기연구소(PAL), 한국전자통신연구원(ETRI), 서울대학교 등을 중심으로 무절연 고온초전도 자석 및 레이저 기술을 결합한 최신 ‘FLASH’ 암치료 가속기를 개발하기 위한 노력도 진행 중이다.

바이오 및 신약 개발 분야는 대표적으로 핵자기 공명현상(Nuclear Magnetic Resonance)을 이용하는 단백질 분석 장비가 대표적이다. 신약 개발에 널리 활용되는 장비로서 이 또한 아직 대부분 해외 수입에 의존하고 있다.

한국기초과학지원연구원(KBSI)의 주도로 무절연 고온초전도 자석을 이용하여 400MHz급에서 세계 최초로 NMR 시스템 개발에 성공했고, 향후 세계 최고 수준인 GHz급 NMR 개발에 도전하고 있다. 특히 ‘18년 KBSI에서 개발한 400MHz(9.4T) 무절연 고온초전도 자석은 2세대 고온초전도 선재를 이용하여 sub-ppm 공간자기장 균일도를 달성할 수 있음을 보여준 세계 최초의 사례로, 이러한 성과를 인정받아 ’18년 IEEE Council on Superconductivity가 선정한 ‘18년 세계 4대 고온초전도 자석 성과에 포함되기도 했다.

핵융합 분야에서는 ‘18년 미국 MIT에서 파생된 Commonwealth Fusion Systems(CFS)라는 벤처기업이 설립돼, 무절연 고온초전도 자석 기술에 기반한 ’초소형 핵융합 장치(SPARC)‘를 제안한 바 있다. 해당 기술이 빌 게이츠(Bill Gates)가 선정하고 MIT Technology Review를 통해 발표하는 ’Top 10 Breakthrough Technologies in 2019‘에 선정돼 현재까지 민간에서만 2조원의 투자를 받고 활발한 연구를 수행 중이다.

기존 저온초전도 기반 핵융합 장치인 KSTAR, ITER(국제 핵융합 실증로) 등에 비해 부피를 100분의 1 이하로 줄이는 것을 목표로 하고 있으며, 현재 핵융합 기술 상용화 시기로 예상되는 2050년을 2035년 정도로 단축시키는 것을 목표로 하고 있다. 국내에서도 한국핵융합에너지연구원(KFE)를 중심으로 관련된 기초연구를 수행 중에 있다.

수송 분야에서는 차세대 전기추진 장치에 널리 활용되고 있는데, 한국철도기술연구원은 ㈜수퍼제닉스, ㈜서남, 창원대학교 등과 함께 ‘13년부터 무절연 고온초전도 기술을 하이퍼루프 초고속 열차 시스템에 성공적으로 적용시키고 있다.

나아가 현대자동차는 서울대학교, 창원대학교, ㈜수퍼제닉스와 함께 차세대 도심항공 모빌리티(Urban Air Mobility)를 위한 고출력비(출력/무게) 고온초전도 모터 개발을 진행 중이며, 특히 액화수소 기술을 적극적으로 활용하여 냉각 비용을 획기적으로 줄이는 연구가 진행 중이다.

이외에도 LNG 수송 선박에 들어가는 초전도 발전기 및 전기추진 시스템 연구, 차세대 극초음속 전기추진 및 항공우주 추진에 활용될 가능성이 있는 이온 추진 혹은 MHD(Magneto-Hydraulic-Dynamics) 추진과 같은 연구도 관련 연구기관들을 중심으로 추진 중이다.

신소재 개발(응집물리연구)을 위한 고자기장 자석은 우리나라 기초과학연구원(IBS) 소속 많은 연구기관에서 널리 활용되고 있으며, 특히 IBS의 “액시온 및 극한상호작용 연구단(CAPP)’은 ‘18년 18T급 무절연 고온초전도 자석을 ㈜서남을 통해 구매하여 현재까지 연속적으로 운전해오고 있다.

이는 고자기장 고온초전도 자석의 세계 최초 판매사례로, 고온초전도 자석 기술 상용화의 분기점으로 평가받고 있다. 또한, IBS의 중이온가속기건설구축사업단은 ㈜수퍼제닉스에서 개발한 무절연 고온초전도 4극자석을 RAON 가속기에 설치 중이며, 이는 고온초전도 자석이 대형 국가연구장비에 사용되는 세계 최초 사례이다.

이와 관련해 ‘17년 IEEE는 ‘No-insulation HTS(High Temperature Superconductor) Magnet’을 공식 기술 분류표에 새롭게 추가했고, 유럽 핵물리연구소(CERN)가 주관하는 국제가속기학회(Workshop on Accelerator Magnets in HTS, WAMHTS)는 ‘19년 국제 학술대회의 부제를 ‘No-insulation’으로 정하는 등 전 세계적인 주목을 받고 있다.

나아가 포항가속기연구소는 서울대학교와 함께 향후 청주에 건설 예정인 차세대 방사광 가속기의 성능을 대폭 향상시킬 가능성이 있는 무절연 고온초전도 자석을 개발 중이다. 현재 프로토타입(Prototype) 자석을 완성하고 향후 스케일업을 통해 포항가속기연구소 내의 실제 가속기에 장착하여 성능 분석을 진행할 예정이다.

이 외에도 창원대학교, 한국전력, 한국전기연구원 등이 협력해 연구 중인 10MW급 풍력발전기, ㈜수퍼코일의 산업용 유도가열로, ㈜한미테크윈의 산업용 자기분리 장비, ㈜파워닉스의 초전도 자기에너지 저장장치, LS 일렉트릭의 초전도 한류기 등 매우 다양한 연구소, 기업, 대학 등에서 고온초전도 기반 고자기장 기술 연구를 진행 중이다.

2.3 국내외 선도기관

초전도 고자기장 기술 분야 국내외 선도연구기관과 주요 연구내용은 다음의 표 1, 표 2와 같다.

▲ <표 1>초전도 고자기장 기술-국내 선도연구기관

▲ <표 2>초전도 고자기장 기술-해외 선도연구기관

3. 산업 및 시장 동향

3.1 국내 동향

1) 시장규모 및 전망

‘20년 발간된 BCC Research의 보고서(Superconductors : Global Markets)에 따르면 전 세계의 초전도 시장은 ‘20년에 57억 달러, ‘25년에 89억달러로 증가한다. 우리나라의 경제 규모 및 초전도 시장의 급격한 변동성을 고려하면 국내 초전도 시장의 규모는 ‘20년에 3,154억, 25년에 4,902억으로 전망된다. 초전도 선재 시장은 ‘20년에 700억, ‘25년에 966억으로 증가하며, 이 중 고온초전도 선재는 ‘25년에 전체 시장에서 약 21%에 이를 것으로 예상된다.

▲ <표 3>국내 초전도시장 규모 및 전망(추정)

2) 기업 및 연구기관 현황

초전도 산업의 특성상 국책사업이나 대규모 프로젝트 형태로 진행되고 있으며, 초전도 케이블 분야의 LS전선은 2019년에 신갈-흥덕 초전도 케이블 프로젝트를 완료한 후, 문산-선유(AC23kV, 60MVA) 및 역곡-온수(AC154kV, 400MVA)의 케이블 프로젝트를 순차적으로 진행 예정이다.

기초과학연구원의 RAON 입자가속기에 사용될 고온초전도 자석 역시 ㈜수퍼제닉스가 제작하여 납품이 진행 중이며, 곧 성능 시험에 들어갈 예정이다.

이외에도 향후 한국철도기술연구원의 자기부상 등 다양한 분야에서 많은 업체가 초전도 관련 제품의 개발에 나서고 있다. 특히 2세대 고온초전도 선재의 경우 ㈜서남이 케이블용 선재를 일찍이 개발해 현재까지 세계시장에서 성능 및 가격에서 Top Class를 유지하고 있으며, 최근에는 자장 성능을 향상시킨 제품의 개발 완료가 막바지에 접어들었다.

3.2 해외 동향

1) 시장규모 및 전망

초전도 분야의 세계시장은 ‘19년에 54억 달러에서 ‘25년에 89억 달러로 증가가 예상되며, 자석(연구, 건강, 산업용) 분야가 여전히 시장을 주도하고 있으며, 향후 증가되는 시장의 대부분은 전력기기(모터, 한류기, 발전기류) 분야가 될 것으로 예상된다.

초전도 응용기기를 제작하는데 사용하는 초전도 선재의 경우 ‘19년에 12억 달러에서 ‘25년에 18억달러로 증가할 것으로 예상된다.

니오븀(Niobium) 합금 등 저온 초전도체(Low Temperature Superconductor, LTS)가 시장의 대부분을 차지하고 있지만, LTS 대비 HTS의 시장 점유율은 ‘25년에 약 21%가 될 예정이며, 그 종류로는 MgB2, BSSC, YBCO 등이 있다.

▲ <표 4>응용처별 세계 초전도체 시장 규모(단위: 백만달러)

▲ <표 5>초전도 선재 세계 시장 규모(단위 : 백만 달러)

2) 기업 현황

최근 몇 년 전까지는 MRI, 입자가속기 등 헬스케어 및 과학계 응용 분야로 대변되는 초전도 Magnet 시장(주로 저온초전도 소재의 응용 분야)이 주를 이루고 있었으나, 2세대 고온 초전도 선재의 성능 및 가격 경쟁력 향상 따라 케이블, 한류기와 같은 초전도 전력기기 응용 분야의 시장이 확대되고 있다.

앞서 기술한 우리나라의 초전도 케이블 사업 이외에도, 독일의 뮌헨 변전소 주변의 SuperLink 프로젝트, 아일랜드의 Off-shore 풍력발전소용 초전도 해저케이블, 중국의 상해 및 북경의 초전도케이블, 미국 시카고의 ComEd 초전도케이블, 인도의 초전도케이블 사업이 승인됐거나 승인 전 단계에 있으며, 러시아 모스크바 한류기 사업은 ‘20년 1기의 실증 성공을 바탕으로 확대 배치가 계획돼있다. 각각의 프로젝트에서 요구되는 초전도 선재의 수량은 최소 수백 km에서 수천 km이며, 사업 진행 및 확대에 따라 그 수요는 기하급수적으로 증가할 것으로 예상된다.

자석 분야에서는 2세대 고온초전도 선재를 사용한 핵융합 발전 시장이 급격히 확산되고 있다. 미국의 빌 게이츠가 주도하는 Breakthrough energy ventures는 Commonwealth Fusion System이라는 핵융합발전 스타트업에 대규모의 자금을 투자했고, 세계 최대의 식품 및 음료 제조회사인 Rudolf Wild GmbH의 소유자인 한스-피터 빌드는 영국의 Tokamak Energy라는 핵융합발전 스타트업에 투자하고 있다.

상용 핵융합발전소의 건립을 목적으로 각각 MIT와 옥스퍼드대학교(University of Oxford) 스핀오프된 두 회사는 상용 핵융합발전의 핵심기술로 2세대 고온초전도 선재를 채택했고, 향후 ‘30년에 상용 전력을 생산하는 것을 목표로 2세대 초전도 선재 공급사들과 공동 연구개발을 수행하고 있다.

초전도핵융합 발전소의 경우 1기 제작에 초전도 선재 수만 km가 소요되므로, 전 세계 초전도 선재 제조사들은 상용화 시기에 발맞춰 목표 성능 실현 및 현재 연간 수백 km 수준인 생산설비 증설에 집중하고 있다.

최근의 수소연료전지 기술의 상용화 추세 또한 초전도 응용기기 시장에 긍정적인 요소로 작용하고 있다. 액화수소를 초전도 모터의 극저온 환경을 유지하는 냉매로 사용함과 동시에 전기를 생산하는 연료로 활용하는 기술로 민간 항공기 제작사인 에어버스(Airbus)에서는 본 기술을 활용해 비행기 동력 계통 개발을 추진할 것을 공시했으며, 롤스로이스(Rolls-Royce), 현대자동차 등 다양한 제조사들이 본 기술을 활용한 차세대 동력기술을 개발 중이다.

초전도 응용기기 사업은 친환경 정책과 밀접한 관련이 있다. 기존의 구리선 대신 초전도선을 사용할 경우 전기저항 없이 전류를 흘릴 수 있다는 장점으로 인해 응용기기의 전력 효율성이 증가하기 때문이다. 미국은 바이든 정부 수립 후 파리기후협약에 공식적으로 복귀했으며, 유럽은 탄소배출 제로(zero) 정책을 이끌어 가며 풍력, 태양광, 핵융합 등 신재생에너지 분야에 대한 투자를 늘리고 있다.

신재생에너지 발전의 경우 초전도 한류기, 초전도 에너지 저장장치 등의 신기술을 통해 발전 전력 변동성 문제의 보완이 가능하고, Off-shore 풍력 발전의 경우 초전도 모터의 소형화를 바탕으로 발전 효율을 극대화 할 수 있다는 장점이 있다.