발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

초전도체는 낮은 온도에서 전기 저항이 사라져 대용량 전류를 손실 없이 흘려보낼 수 있는 특성을 가집니다. 특히 2세대 고온초전도체에 대한 연구가 활발히 진행되며, 의료, 통신, 전력 기기 등 다양한 분야로의 응용이 기대되고 있습니다. 그러나 기존 초전도 기술에는 다음과 같은 문제점이 존재합니다.

• 높은 자기장 환경에서의 초전도 특성 상실: 초전도 모터, 발전기, 자기부상열차 등 높은 자기장이 필요한 응용 분야에서 초전도체가 그 특성을 잃어버리는 문제가 발생합니다.

• 자력선속 고정의 어려움: 초전도 특성을 유지하기 위해 자력선속을 고정해야 하지만, 기존 방식으로는 미립자의 크기와 분포를 균일하게 제어하기 어려워 안정적인 특성 유지가 힘듭니다.

• 낮은 자기장 환경에서의 불안정성: 높은 자기장뿐만 아니라, 자기장이 없거나 낮은 환경에서도 초전도 특성이 유지되지 않는 문제가 있습니다.

기술의 필요성

이러한 기존 기술의 한계를 극복하기 위해, 다양한 자기장 환경에서도 안정적으로 초전도 물성을 잃지 않는 새로운 초전도 박막 기술의 개발이 필수적입니다. 구체적인 필요성은 다음과 같습니다.

• 다양한 자기장 환경 대응: 높은 자기장뿐만 아니라 낮은 자기장 환경에서도 초전도 특성을 안정적으로 유지할 수 있는 기술이 필요합니다.

• 초전도 응용 분야 확대: 안정성이 확보된 초전도 박막을 통해 기존에 적용이 어려웠던 고성능 전력기기, 첨단 의료 장비 등 다양한 산업 분야로의 응용을 확대할 수 있습니다.

구현 방법

기술의 원리

본 발명은 초전도층에 나노 크기의 자성체를 특정 간격과 면적으로 배열하여 자기장 환경에 따른 초전도 특성 저하 문제를 해결합니다. 핵심 원리는 자성체의 종류에 따라 외부 자기력선을 제어하는 것입니다.

• 강자성체(Ferromagnet) 활용: 초전도층에 강자성체를 배열하면, 중간 크기(3~9T)의 자기장에서 강자성체의 표유 전자계가 외부 자기장에 의해 상쇄되어 초전도 특성이 유지됩니다. 이를 통해 높은 자기장까지 초전도 상태를 유지할 수 있습니다.

• 반강자성체(Antiferromagnet) 활용: 반강자성체를 도입하면 무자기장 상태에서는 누설 자속이 없어 초전도가 완벽히 유지됩니다. 또한 낮은 자기장부터 높은 자기장에 이르기까지 넓은 범위의 외부 자기력선속을 반강자성체 내에 효과적으로 포획하여 표유 전자계 없이 초전도 영역을 보호합니다. 이로써 낮은 자기장과 높은 자기장 모두에서 초전도 특성을 유지하는 것이 가능해집니다.

구체적인 구현 방법

본 기술은 초전도층의 상부 또는 내부에 섬(island) 또는 점(dot) 형태의 자성체를 형성시키는 것을 핵심으로 합니다. 아래는 구체적인 구현 단계와 구조입니다.

1. 기판 준비 및 초전도층 형성: 사파이어 또는 Al2O3와 같은 기판 위에 펄스 레이저 증착법(PLD) 등을 이용하여 YBa2Cu3O7과 같은 초전도층을 형성합니다.

2. 자성체 배열: 초전도층 위 또는 내부에 강자성체 또는 반강자성체를 2~20nm 간격으로, 1~200nm² 면적의 섬 또는 점 형태로 규칙적으로 배열합니다. 이때 다공성 알루미나 등을 마스크로 사용하고 이온빔 조사, 스퍼터링 등의 방법을 활용할 수 있습니다.

3. 구조적 다양성 확보: 자성체를 초전도층 위에 형성하거나, 초전도층 일부를 에칭하여 그 내부에 주입하는 등 다양한 구조로 제작하여 목적에 맞는 특성을 최적화할 수 있습니다.

기술의 장점

• 광범위한 자기장 대응력: 반강자성체를 적용할 경우, 자기장이 없는 상태부터 수 테슬라(T) 이상의 강한 자기장 영역에 이르기까지 넓은 범위에서 초전도 특성을 안정적으로 유지할 수 있습니다.

• 높은 설계 유연성: 자성체의 종류(강자성체, 반강자성체), 면적 비율, 간격 등을 조절하여 특정 자기장 환경에 최적화된 초전도 박막을 설계하고 제작할 수 있습니다.

• 우수한 재현성 및 제어성: 나노 마스크와 이온빔 등을 사용하는 공정을 통해 나노 크기의 자성체를 일정한 간격과 면적으로 정밀하게 배열할 수 있어, 우수한 품질과 재현성을 확보할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 특허에 기술된 실험들은 제안된 자성체를 포함하는 초전도 박막의 다양한 구조와 제조 방법을 실제로 구현하고 그 가능성을 검증하는 것을 목적으로 합니다. 각 실시예는 자성체의 위치, 형성 방법, 기판의 종류 등을 달리하여 최적의 제조 공정을 탐색합니다.

실험 방법 및 과정

실험은 주로 펄스 레이저 증착법(PLD)을 이용한 초전도층 증착, 다공성 알루미나 마스크를 이용한 패턴 형성, 이온빔을 이용한 반강자성체(Mn5Si3O) 형성 등의 과정으로 진행되었습니다. 기판의 종류, 열처리 온도, 자성체 주입 위치 등을 변경하며 총 7가지의 실시예를 통해 다양한 구조의 초전도 박막을 제조하였습니다.

실험 결과

각기 다른 공정 조건과 구조를 적용한 제조 실시예들은 다음과 같이 요약할 수 있습니다. 이를 통해 다양한 조건에서 본 발명의 초전도 박막을 성공적으로 제조할 수 있음을 확인하였습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

본 기술은 뛰어난 안정성과 설계 유연성을 바탕으로 다양한 첨단 산업 분야에 활용될 수 있습니다.

• 전력 기기: 에너지 손실이 없는 초전도 케이블, 한류기, 변압기 등 차세대 전력 시스템

• 의료·바이오 기기: 고해상도 MRI, NMR, 초전도양자간섭소자(SQUIDs)를 이용한 정밀 진단 장비

• 첨단 연구 및 에너지: 입자 가속기, 중이온 가속기, 핵융합 발전용 초고자기장 자석

• 미래 기술: 자기부상열차, AI 데이터 센터의 전력 효율화, 위성통신용 마이크로파 장비 등

기대효과

• 에너지 효율 극대화: 전력 손실 없는 송전 및 기기 운용을 통해 국가적 차원의 에너지 효율을 높이는 데 기여할 수 있습니다.

• 기기의 소형화 및 경량화: 대용량 전류를 다룰 수 있어 각종 전기 기기를 더 작고 가볍게 만들 수 있으며, 이는 항공, 우주 등 다양한 분야에 혁신을 가져올 수 있습니다.

• 신산업 창출 및 시장 선점: 핵융합, AI 데이터 센터 등 미래 유망 산업의 핵심 소재 기술을 확보함으로써 관련 시장을 선점하고 기술 경쟁력을 강화할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

전 세계적인 전력망 현대화, 의료 이미징 기술의 발전, 그리고 핵융합과 같은 미래 에너지 기술 개발에 힘입어 고온 초전도체(HTS) 시장은 지속적으로 성장하고 있습니다. 특히 기존의 자석 응용 분야를 넘어 전기 장비(Electrical equipment) 분야가 빠르게 성장하며 시장의 성장을 견인할 것으로 예측됩니다.

• 2021년 예측에 따르면, 초전도 응용 시장에서 전기 장비 분야가 차지하는 비중은 전체의 35%에 이를 것으로 예상되었습니다. (출처: KRX KIND)

• 이러한 성장에 따라, 2세대 고온 초전도 선재 시장은 전체 선재 시장의 55%를 차지할 것으로 전망되는 등, 2세대 기술이 시장의 주류로 자리 잡을 것입니다. (출처: KRX KIND)

• 향후 2~3년 내 수요가 폭발적으로 증가하여 공급 부족 현상이 발생할 수 있을 정도로 시장의 기대감이 매우 높습니다. (출처: KRX KIND)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

2세대 고온 초전도 선재 시장은 아직 상용화 초기 단계로, 본격적인 양산 체제를 누가 먼저 구축하느냐를 두고 글로벌 기업들이 치열하게 경쟁하는 상황입니다. 따라서 시장 선점이 매우 중요합니다. 국내에서는 '서남'이 유일한 2세대 선재 공급사로, 세계 Top 3 수준의 경쟁력을 인정받고 있습니다. 전 세계적으로 초전도 기술을 활용한 대규모 프로젝트들이 진행되며 시장이 본격적으로 개화하고 있습니다.

2세대 고온 초전도체 기술이 적용된 주요 글로벌 프로젝트

산업 동인 및 기회 요인

1. 에너지 효율 및 탄소 저감: 저항 없이 전기를 전도하는 초전도체의 특성은 글로벌 에너지 효율 개선 및 탄소 중립 목표 달성을 위한 핵심 기술로 주목받고 있습니다. (출처: Global Market Insights)

2. 핵융합 에너지 개발 가속화: 영국의 STEP 프로젝트와 같은 국가 주도 사업과 민간 핵융합 기업의 성장은 HTS 와이어 수요를 기하급수적으로 증가시킬 전망입니다. (출처: KRX KIND)

3. AI 기술의 폭발적 성장: AI 기술 발전으로 인해 급증하는 데이터 센터의 막대한 전력 소비 문제를 해결할 대안으로 초전도 기술이 부상하며 새로운 시장을 창출하고 있습니다. (출처: KRX KIND)

4. 저탄소 운송 산업의 성장: 액체수소를 냉매로 사용하는 초전도 모터는 항공기, 고속열차, UAM(도심항공교통) 등 저탄소 운송 산업의 핵심 부품으로 자리 잡을 가능성이 높습니다. (출처: KRX KIND)