서울대학교 전기정보공학부 한승용 교수 연구팀이 미국 국립 고자기장연구소 (National High Magnetic Field Laboratory)와 공동으로 ‘무절연 고온 초전도 자석(No-Insulation High Temperature Superconductor Magnet)’을 이용해 직류 자기장 세계 최고 기록을 달성했다.

서울대 전기정보공학부 한승용 교수 (가운데).

한승용 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 직류 자기장 45.5 테슬라(Tesla)를 기록하며 지난 20여년간 넘지 못했던 직류 자기장 세계 최고 기록(기존 44.8 테슬라)을 경신했다. 이 연구 결과는 13일 네이처(Nature) 본지(제 1저자 한승용 교수)에 발표됐다.

한 교수는 “이번 연구결과는 새로운 무절연 고온 초전도 자석 기술을 통해 기존 한계를 뛰어넘는 초고자기장을 보다 안전하게 발생시키는 한편 기존에는 상상하기 어려웠던 수준으로 초소형화가 가능하다는 것을 보여준다”고 말했다.

그는 이번 연구결과를 활용하면 “향후 암 진단용 MRI, 신약개발용 분석장비 등 의료 분야, 풍력 발전, 에너지 저장 장치 등 에너지 분야, 오폐수 처리 등 환경 분야, 전기 추진 등 수송 분야, 고효율 산업용 기기 등 우리 산업 전반에 걸쳐 큰 파급 효과가 있을 것”이라고 강조했다.

암 진단용 MRI는 현재 임상용으로 활용되고 있는 장비의 자기장은 3 테슬라 수준이며 자기장이 10 테슬라인 장비가 연구 중이다. 이번 연구 결과를 통해 45 테슬라 이상의 임상용 MRI가 개발된다면 기존 대비 100배 이상 해상도의 진단 영상을 얻을 수 있어 초기 암이나 치매 등 혈관성 뇌질환 진단에 효과가 클 것으로 기대된다.

한 교수팀은 기존 초전도 자석에서 필수적으로 여겨졌던 전기 절연부를 의도적으로 제거한 ‘무절연 고온 초전도 자석’ 구조를 세계 최초로 제안해 초전도 자석 제작 방식의 패러다임을 바꾼 것으로 평가받고 있다. 연구팀은 기존 초전도 자석에 비해 50배 이상의 높은 에너지 밀도를 가지면서도 직경 34 mm, 높이 53 mm의 초소형으로 설계된 ‘무절연 고온 초전도 인서트 코일’을 개발했다. 이 연구 결과를 통해 고온 초전도 자석 기술의 상용화에 획기적인 전기가 마련될 것으로 기대된다.

서울대 한승용 교수연구팀의 무절연 고온 초전도 자석 구조. 삼성전자 제공

이번 연구 초반 ‘무절연 고온 초전도 자석’이 45.5 테슬라의 초고자기장에서 구동될 때 발생하는 독특한 기계적 변형의 원인을 규명하지 못하는 어려움이 있었지만 삼성전자 미래기술육성센터의 연구 지원을 통해 무절연 고온 초전도 자석에서 발생하는 비선형 전류 특성을 새롭게 해석하는 기법을 개발하고 기계적 변형의 원리를 규명했다.

한 교수팀의 이번 연구 과제는 2018년 6월 삼성미래기술육성사업의 과제로 선정되어 연구 지원을 받고 있으며 한국연구재단, 미국국립과학재단 (National Science Foundation)의 지원도 받아 수행됐다. 정옥재 기자 littleprince@kookje.co.kr