○ 초전도체는 3가지 중요한 성질이 있으며, 임계전류밀도(Jc:Critical Current Density), 임계자기장(Hc:Critical Magnetic Field), 임계온도 (Tc:Critical Temperature)로 초전도체는 이 범위 내에 있어야만 초 전도성을 유지할 수 있고, 만약 이 세 가지 성질 중에 하나라도 범 위를 벗어나면 초전도성을 상실하고 상전도체로 상전이하며 이를 궨치(Quench)라 함
-
이외에 마이스너효과(Meissner's Effect)라 부르는 자기장 차폐효과, 전자 터널링효과, 자기장보존 법칙 등의 중요한 특성이 있음 초전도체의 종류○ 초전도체는 TypeⅠ과 TypeⅡ로 구분할 수 있으며, TypeⅠ은 순수한 금속물질로 대표적인 금속 이 수은(Hg)이고, TypeⅡ는 저온 초전도체와 고온 초전도체로 구분됨
○ 저온 초전도체: 전도체 중에서 25K(－248℃) 이하에서 초전도 현상을 나타내는 Hg(Tc: 4.2K), Nb(Tc: 9.5K), Nb-Pb 합금 등의 물질을 저온 초전도체(LTS: Low Temperature Superconductor) 라 하며 액체 헬륨을 사용하여 냉각
- 저온 초전도체 중에서 상용화가 된 소재는 Tc 9K급의 Nb-Ti 합금이 주류를 이루고 있으며, Tc 8K급의 Nb3Sn이 사용되고 있음. 이들 저온 초전도체는 다심선재(multiple core wire) 형태로 초
전도 전자석의 권선용으로 사용되며 자기공명영상(MRI)에 이용
○ 고온 초전도체: 25K 이상에서 초전도 현상을 나타내는 La-Ba-CuO(Tc: 30K), Y-Ba-CuO(Tc: 90K 부근), Hg-Ba-Ca-CuO(Tc: 133K) 같은 물질을 고온 초전도체(HTS: High Temperature Superconductor)라 하며 액체 질소를 사용하여 냉각
- 고온 초전도체는 1987년 90K 급의 YBCO계 발견 이후 Tc가 105, 125, 134K를 나타내는 Bi-Sr-Ca-Cu-O계, Ti-Ba-Ca-Cu-O계, Hg-Ba-Ca-Cu-O계로 진보되고 있음. 현재 획기적으로 Tc가 높은 재료가 발견되지 않고 있으나 Tc 39K급의 MgB2가 주목을 받고 있음
○ 초전도체 기반 기술로서 선재기술은 가공 열처리 기술(NbTi, Nb3Sn, Nb3Al등), PIT(Powder In Tube) 기술(Bi2212, Bi2223, MgB2 등) 및 박막 선재 기술(Y(Re))계에 대한 기술 발전이 필요 <그림 2> 초전도 자석에 의한 최고 발생 자장의 추이 SM : 초전도 자석, CSM : 무냉매초전도자석 ○ 그 외에 코일화 기술로서 권선, 절연, 코일 보호기술과 도체화 기술 로서 응력 개선, 소재 접속 기술의 개발이 중요 ○ 일본 NEDO3)에 의한 로드맵에 의하면, 2010년에는 10T의 전신용
MRI와 I.1㎓의 NMR이 실용화되고, MDDS(Magnetic drug delivery system) 장치와 MgB2 MRI 장치 실증이 예상되며, 2015년 에는 1.3㎓의 NMR이 실용화되며 MDDS의 임상 실험이 예상되고 있음.
○ 고자장의 초전도 자석은 새로운 의약품 개발에 이용되거나, 병든 세포만 골라 공격하는 핵자기공명 방식으로 에이즈나 결핵, 암 등 질병 치료를 진전시킬 수 있을 것으로 기대됨. ○ 최근에는 국내 최초로 전도냉각 원리 이용 물질 온도 극저온까지 냉각이 가능하여 값비싼 액체헬륨 사용 않는 초전도 자석이 개발되 어, 경제성을 높임에 따라 고성능 초전도체 응용제품의 국산화 시 대가 열릴 것으로 기대되고 있음. - 이 장치는 3T급 이상의 자기공명영상장치(MRI)나 오ㆍ폐수 처리, 무중력 발생장치 개발, 나노소자 및 반도체 특성 연구 등 산업ㆍ 연구 현장 곳곳에서 활용될 것으로 전망됨.
3. 초전도 자석의 시장 전망
□ 초전도체 및 초전도 자석의 시장 전망
○ 미국(CSAC: U.S's Council on superconductivity for American Competitiveness), 일본(ISTEC: International superconductivity Technology Center) 및 유럽(CONECTUS: Consortium of European Companies determined To Use Superconductivity)의 선 진국으로 구성된 국제초전도산업정상회의(ISIS:International superconductivity industry summit)에 의한 시장전망은 <표 4>와 같음.
○ NMR도 매년 8~10% 성장이 예상되며, 16T 이상의 자석이 주류가 되고 있어 고온 초전도재료의 상용화 가능성이 높으며, MRI나 NMR 모두 기기의 분해 능력을 향상시키기 위하여 강한 자장을 발 생시킬 수 있는 초전도 재료가 필요하여 고온초전도 재료의 상용화 가 기대되는 분야임. <그림 5> 선재 시장에 대한 ITER 영향
자료: Noonan,P., Oxford Instruments Superconductivity,(2005) 강의자료, p76., "Technological and Industrial Aspects of NMR and MRI".
<표 6> 초전도체 재료의 분야별 세계시장전망4) (단위 : 엔,%) 분야 2005 2010 2015 2020 매출 구성비 매출 구성비 매출 구성비 매출 구성비 전 자 270 32.9 1,180 40.4 7,200 45 20,600 52.4 에너지 180 22.0 590 20.2 3,600 22.5 8,000 30.4 수 송 110 13.4 220 7.5 1,800 11.3 4,000 10.2 의 료 120 14.6 440 15.1 1,400 8.8 3,100 7.9 기 타 140 17.1 290 16.8 2,200 12.5 3,600 9.2 합 계 820 100.0 2,920 100.0 16,000 100.0 39,300 100.0 ○ 초전도 재료의 세계시장 성장률에 대해서 영국의 Oxford Instruments는 NMR과 MRI 등의 수요를 가반으로 CAGR을 9.05% 로 일본의 노무라 연구소는 29.4%로 예측하였음.
4. 초전도 자석의 의료 분야에서의 활용
□ 개요
○ 진단 및 의료 분야에 이용되는 초전도 기술은 크게 자석, 가속기, 고주파 디바이스, SQUID(초전도 양자간섭소자) 응용 등으로 구분 되며, 그 중에서 초전도자석을 이용하는 것은 MRI(자기 공명 영상 법), NMR(핵자기 공명 장치), MDDS(자기 약물 전달 시스템) 등이 있는데, 여기서는 주요 제품인 MRI와 NMR을 위주로 기술함.□ MRI에의 활용
○ 인체의 심장, 신경, 뇌에서는 극히 미세한 자기장이 발생하는데 이 러한 극미세 자기장 측정을 통해 뇌질환, 간질, 노인성치매 등의 진 단이 가능해짐. ○ 의료분야에서는 첨단공학 기술을 이용한 조기진단법을 개발하는 것 이 점점 중요해지고 있음. 1970년대 X선 CT가 방사선 분야에서 중 요한 위치에 있었으나, MRI가 개발되면서 의료 진단 분야에 큰 영 향을 미치고 있음. - MRI의 장점은 조영제를 사용하지 않으며, X선으로부터 오는 방사 선 피해가 없고 환자의 위치변환 없이 원하는 방향에 따라 입체 영상이 가능하다는 점임.- 건강보험평가원 자료에 의하면 MRI의 가격은 기종에 따라 최저 8 천만원에서 32억원까지 그 편차가 크며, 평균은 26억원임. 국내 시 장은 의료장비의 대 메이커인 GE, Philips, Siemens가 대부분을 차 지하고 있으며, 고가 장비 구매가 매년 증가하여 현재 MRI 보유수 는 832대임(2009년)
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