발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 초전도체는 자속의 움직임으로 인해 전력 손실이 발생하는 문제가 있습니다. 이러한 손실을 억제하는 능력은 초전도체 내부의 '자속 고정점' 배치에 따라 결정됩니다.

• 기존의 '초전도체 박막을 쌓아 올리는 방식'은 공정 속도가 느리고 난이도가 높아 대량 생산에 불리하며, 제작 가능한 형상도 평평한 막 형태로 제한되었습니다.

• 다른 방법인 '화학적 조성비 조절 및 불순물 주입 방식'은 초전도 구조체의 크기와 간격을 정밀하게 제어하기 어려워, 자속 고정 효과가 미미할 수 있었습니다.

기술의 필요성

• 기존 기술의 한계를 극복하고, 자속 고정점을 3차원 상에서 규칙적으로 배치하여 자속의 움직임을 효과적으로 억제하는 새로운 제조 방법이 필요합니다.

• 다양한 응용 분야에 적용할 수 있도록 임의의 형상으로 초전도체를 자유롭게 생성할 수 있는 높은 생산성의 기술 개발이 요구됩니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 비초전도 물질로 된 '코어'와 이를 둘러싸는 '절연층' 및 '초전도 외곽쉘'로 구성된 개별 초전도 구조체를 기본 단위로 사용합니다.

• 이러한 복수의 초전도 구조체를 원하는 형상으로 인접 배치한 후, 열을 가하여 각 구조체의 외곽쉘을 서로 전기적으로 결합시킵니다.

• 이 과정을 통해 내부에 자속 고정점(코어)이 3차원적으로 규칙 배열된, 임의의 형상을 가진 고성능 초전도체를 생성할 수 있습니다.

구체적인 구현 방법

1. 초전도 구조체 생성: 자속 고정점으로 작용할 비초전도 물질 코어, 절연층, 초전도 외곽쉘을 포함하는 복수의 초전도 구조체를 생성합니다.

2. 형상 형성: 생성된 복수의 초전도 구조체를 틀에 주입하거나 노즐로 분사하는 등의 방법으로 원하는 형상으로 인접 배치시킵니다.

3. 결합 및 초전도체 완성: 구조체에 열을 가해 표면을 용융시켜 서로 결합함으로써, 3차원 상에 자속 고정점이 규칙적으로 배치된 최종 초전도체를 생성합니다.

기술의 장점

• 초전도 구조체의 크기와 배치를 조절하여 3차원적으로 규칙적인 자속 고정점 배열을 구현할 수 있습니다.

• 기본 단위인 초전도 구조체를 조립하는 방식이므로, 단순한 판 형태를 넘어 복잡하고 다양한 3차원 형상의 초전도체 제작이 가능합니다.

• 규칙적인 자속 고정점 배열을 통해 자속의 움직임을 효과적으로 억제하여, 등방성(모든 방향에서 동일한 특성)이 뛰어난 자속 고정 효과를 기대할 수 있습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 몰딩(Molding): 원하는 형상의 '틀(mold)'에 초전도 구조체를 채워 넣어 복잡한 형태의 부품을 제작할 수 있습니다.

• 3D 프린팅: '노즐(nozzle)'을 통해 초전도 구조체를 분사하여 기판 위에 원하는 패턴의 초전도 회로나 소자를 직접 인쇄할 수 있습니다.

• 스크린 프린팅: 특정 패턴의 구멍이 뚫린 '스크린 마스크'를 이용하여 정교한 초전도 패턴을 대량으로 생산하는 데 활용할 수 있습니다.

• 원통형 도체 제작: '원통형 틀'을 회전시키면서 구조체를 결합하여 초전도 케이블이나 파이프 형태의 도체를 제작할 수 있습니다.

기대효과

• 고성능 초전도 소재 구현: 3차원적으로 규칙 배열된 자속 고정점을 통해 기존 소재 대비 월등한 성능의 초전도체를 구현할 수 있습니다.

• 제조 공정의 유연성 확보: 다양한 형상으로 제작이 가능하여, 특정 응용 분야에 최적화된 맞춤형 초전도 부품 생산이 가능해집니다.

• 추가적인 성능 향상: 구조체 결합 시 생성되는 미세한 '틈' 역시 자속 고정점으로 작용하여, 초전도체의 전체적인 성능을 추가로 향상시키는 효과를 기대할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

글로벌 초전도체 시장은 2024년 69억 7,000만 달러 규모에서 2030년 142억 1,000만 달러까지 성장할 것으로 전망되며, 이는 연평균 12.6%의 높은 성장률에 해당합니다. (출처: GII, 알파스퀘어)

• 고온 초전도체(HTS) 시장은 에너지 효율적 고성능 기술에 대한 수요 증가에 힘입어 꾸준히 성장하고 있습니다.(출처: GMI)

• 초전도 케이블 시장은 2034년까지 약 20억 달러 규모로 성장할 것으로 예상되며, 연평균 성장률은 15.82%에 달할 전망입니다.(출처: Business Research Insights)

• 에너지 부문은 2034년까지 연평균 12% 성장하며 전체 시장의 35.4%를 차지하며 성장을 주도할 것으로 보입니다.(출처: GMI)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

국내 초전도 시장은 초전도 선재 시장과 이를 활용한 응용 장비 시장으로 나뉘며, 주요 기업들은 핵심 소재 개발 및 대형 국책 과제에 참여하고 있습니다. (출처: 한국표준협회)

산업 동인 및 기회 요인

1. 에너지 효율성 증대 요구: 전력 손실을 최소화하기 위한 그리드 현대화 및 효율적인 송전 시스템 구축에 초전도 기술이 핵심적인 역할을 합니다.

2. 의료용 이미징 기술 발전: 고해상도 MRI 장비 등 정밀 의료기기에 대한 수요가 증가하면서 고성능 초전도 자석 시장이 함께 성장하고 있습니다.

3. 첨단 산업 분야 수요 확대: 생성형 AI 가속기, 자기부상열차, 핵융합(ITER)과 같은 대규모 미래 기술 프로젝트에서 초전도체의 활용이 필수적입니다.

4. R&D 투자 증가: 더 높은 온도에서 작동하고 비용 효율적인 차세대 고온 초전도체(HTS) 소재 개발을 위한 R&D 투자가 전 세계적으로 활발히 이루어지고 있습니다.