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전기에너지를 회전 운동에너지로 저장하는 초전도 에너지 저장 장치와, 자력을 이용해 자성물질을 분리하는 자기분리기의 핵심 소재인 초전도 단결정 덩어리를 세계 최고의 효율로 대량생산할 수 있는 길이 열렸습니다.

초전도 단결정 덩어리는 한 개의 결정으로 이뤄진 초전도체 덩어리로, 이트륨(Y) 또는 가돌리늄(Gd) 등 희토류 원소를 주성분으로 하는 분말 성형체 위에 사마륨(Sm)과 같은 희토류계 다른 물질을 종자로 심고 가열한 후 냉각해서 결정을 성장시키는 종자 성장 공정(Seed Growth Process)으로 만들어집니다.

■ 한국원자력연구원 중성자과학연구부 김찬중 박사팀은 초전도 단결정 덩어리의 제조 시간과 생산 비용을 각각 4분의 1로 획기적으로 줄일 수 있는 대량생산 일괄공정을 개발했습니다.

김 박사팀은 종자 성장 공정으로 제조되는 초전도 단결정 덩어리를, 기존 한 개의 종자를 사용하던 기존 공정 대신 여러 개의 종자를 사용해 초전도 단결정의 성장이 분말 성형체 표면과 내부에서 동시다발적으로 일어나게 하는 다층 종자 성장 공정을 연구했습니다.

이를 통해 단위 크기(5㎝ x 5㎝)의 초전도체 제조 시간을 기존 400시간에서 100시간으로 단축시켰고, 초전도체의 전자기적 성능 향상을 위해 첨가하는 고가의 백금 산화물을 값 싼 희토류 물질인 세륨 산화물로 대체해 생산 비용을 일본과 독일 대비 4분의 1인 50만 원까지 줄였습니다.

또 영구자석에 대한 자기부상력이 30㎏에 105A(암페어)/㎠의 전류를 통과시키는 등 품질 면에서 전혀 차이가 없는 것으로 평가받고 있습니다.

게다가 초전도 단결정 덩어리 등의 세라믹 계열 제품은 대량생산 시에 품질 불균일이 문제로 지적되어 왔는데, 이번에 개발된 기술을 통해 만들어진 초전도 단결정 덩어리는 대량생산 시에도 각각의 제품이 균일한 품질을 보여 성능 재현성이 매우 높습니다.

초전도 플라이휠 에너지 저장 장치

현재 초전도 단결정 덩어리는 신일본제철과 독일 Theva 사 등에서 제조해  판매하고 있는데, 이번에 개발된 기술은 이들 국가의 기존 생산 방식보다 생산성이 3배 이상 높기 때문에 상용화될 경우 초전도체 생산 분야에서 세계 최고 수준의 경쟁력을 갖출 것으로 기대되고 있습니다.

이번에 개발된 기술은 국내외 특허 획득 과정을 거쳐 2015년 경 상용화될 예정이며, 대량생산을 통해 초전도 에너지 저장장치와 초전도 자기분리기 핵심부품 생산에 활용될 전망입니다.

강자장체가 된 초전도 영구자석에 쇠구슬이 달라붙은 사진

초전도 단결정 덩어리


 용  어  설  명


초전도 단결정 덩어리
한 개의 결정으로 이뤄진 초전도체 덩어리로, 이트륨(Y) 또는 가돌리늄(Gd) 등 희토류 원소를 주성분으로 하는 분말 성형체 위에 사마륨(Sm)과 같은 희토류계 다른 물질을 종자로 심고 가열 후 냉각해서 결정을 성장시키는 종자 성장 공정(Seed Growth Process)에 의해 제조된다.

초전도 에너지 저장 장치(SFES; Superconducting Flywheel Energy Storage)
일정 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라져 전류가 흘러도 손실이 발생하지 않는 무저항 현상과 완전 반자성 자기부상을 이용해서 중량물을 공중에서 회전시켜 전기에너지를 운동에너지로 저장하는 장치.

초전도 자기분리기(SMS; Superconductor Magnetic separator) 
초전도체 내부에 강한 자장을 주입시킨 초전도 영구자석을 사용하는 기기로 일반 영구자석에 비해 10배 이상의 자력이 발생한다.
초전도 자기분리기의 강한 자력은 산업용 폐수나 방사성 오염수에 포함된 자성물질 분리에 사용된다.

현성 
동일한 제품을 생산방법, 수량 등 다른 조건에서 생산했을 때 개개의 성능이 일치하는 정도

 

<김찬중 박사>

 

○ 소속기관 : 한국원자력연구원 중성자과학연구부
 
  학력
  ○ 1977 - 1984  성균관대 공과대학 금속공학과 학사
  ○ 1984 - 1986  한국과학기술원 재료공학과 석사
  ○ 1987 - 1990  한국과학기술원 재료공학과 박사

  주요 경력
  ○ 1984 - 현재  한국원자력연구원, 책임연구원
  ○ 1992 - 1993  미국 Univ. of Notre Dame 교환연구원
  ○ 2005 - 2010  한국원자력연구원, 초전도 연구실장
  ○ 2008         한국원자력연구원 신지식인상 수상
  ○ 2010 - 2011  일본 시바우라 공과대학교 교환 교수
  ○ 2005 - 2011  성균관대학교 신소재공학과 겸임교수
  ○ 2007 - 현재  한국초전도학회 이사
  ○ 2008 - 현재  한국세라믹학회 편집위원

  주요 연구 업적
<연구 주제>
    - 에너지 저장용 초전도 베어링 소재 개발
    - 희토류 초전도 물질 전류밀도 향상기술 개발

<연구 성과>
    - 국제 SCI 학술 잡지 연구 논문 110편 
    - 특허 출원 및 등록  6건 등

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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최근 중-일 영유권 분쟁에서 중국이 희토류의 일본 수출을 중단하는 등 자원 무기화 경향을 보임에 따라 희토류 확보가 주요 국가의 현안으로 등장하고 있습니다.

희토류란 주기율표 제3족인 스칸듐·이트륨 및 원자번호 57에서 71인 란타넘계열의 15원소를 합친 17원소를 총칭하는  것으로 희귀 광물의 한 종류입니다.

희토류는 화학적으로 안정되면서도 열을 잘 전달하는 성질이 있어 광학렌즈, 전기자동차 배터리, LCD액정, 풍력발전, 핵자기 공명장치(MRI) 등의 첨단산업 소재에 필수적인 기초 금속입니다.

현재 선진국들은 희토류 자원 무기화에 대비해 광상 확보, 생산 증대 및 수입체계 다변화에 총력을 기울이는 상황입니다.

중국은 희토류 자원 수출쿼터제를, 미국은 희토류 광산 채굴 개시를, 일본은 심해저광물자원 확보 전략으로 희토류 자원 무기화에 대비하는 등 각자 정책변화를 도모하고 있습니다.

한국해양연구원은 2월 14일 '희토류 자원, 그리고 바다'를 주제로 희토류 자원 확보를 위한 세미나를 개최합니다.

이번 세미나에는 국가 희토류 자원 확보를 위한 전략적 대응방안과 정책지원 방향을 모색하는 자리가 마련되며, 국토해양부, 지식경제부, 한국해양연구원, 포스코 등 산·학·연·관 관계자 70여 명이 참석합니다.

이날 세미나는 총 5개의 주제발표와 종합토론으로 진행됩니다.

발표 주제로는
△희토류 금속 산업용도 및 미래 활용 전망(한국생산기술연구원 김택수)
△희토류 금속의 수급동향 및 전망(포스코 박인혁)
△희토류 금속의 추출방법 및 제련 처리공정(한국지질자원연구원 김준수)
△육상광상의 희토류 부존상황 및 개발 현황(한국광물자원공사 김선수)
△심해저광물자원의 희토류 부존현황 및 개발 가능성(한국해양연구원 박상준) 등 입니다.

권문상 한국해양연구원 부원장의 사회로 진행되는 종합토론에서는 홍래형 국토해양부 해양영토개발과장, 황의덕 지식경제부 자원개발총괄과장, 이지평 LG경제연구원 수석연구위원, 민동준 연세대 신소재공학과 교수, 문재운 한국해양연구원 심해·해저자원연구부장이 참석하여 희토류 자원을 확보하기 위한 방안에 대해 논의합니다.

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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  1. 2011.11.25 11:03  Addr Edit/Del Reply

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