본 연구실에서는 초전도 재료합성 및 응용에 대한 연구를 수행하고 있다. 고온초전도 선재 및 응용기술은 21세기의 전력에너지, 전기기계, 고에너지 물리, 의료, 교통, 환경 등의 분야에서 혁신적인 기술 및 삶의 질 향상을 창출해 낼 수 있는 가장 중요한 기술 중의 하나로 부각되고 있다. 고온초전도 선재의 실용적인 가장 큰 장점 중에 일정온도 이하에서 일반적인 구리금속 선재보다 같은 단면적에서 전기저항 없이 수 백 배 또는 수 천 배 이상의 큰 전류를 흘릴 수 있는 높은 임계전류밀도를 가지고 있다는 특성 때문에 차세대 고효율 전력기기 응용 시 에너지자원 절약효과, 소형화 및 대용량화, 고성능화 및 고부가가치화가 가능하여 고온 초전도 선재를 이용한 NMR/MRI 마그넷, 자기부상 시스템 및 에너지 저장장치 및 이들 시스템 제작에 이용될 양질의 초전도선재 개발 및 실용화에 역점을 두고 연구하고 있다. 

 

*Material Research

-초전도 재료 연구(고온 초전도 선재 연구): 고온초전도 선재의 실용적인 가장 큰 장점 중에 하나는 일정온도 이하, 같은 단면적에서 구리금속 선재보다 월등히 높은 임계전류밀도를 가지고 있다는 점이다. 이와 같은 우수한 특성 덕분에 차세대 고효율 전력기기 응용 시 에너지자원 절약효과, 소형화 및 대용량화, 고성능화 및 고부가가치화가 가능하여, 선진국에서는 고온 초전도 선재 및 이를 이용한 송전선, 변압기, 발전기, 모터, 한류기 개발에 막대한 노력을 들이고 있으며, 실용화에 한층 가까이 다가가고 있다. 고온초전도 선재 및 응용기술은 21세기의 전력에너지, 전기기계, 고에너지 물리, 의료, 교통, 환경 등의 분야에서 혁신적인 기술 및 삶의 질 향상을 창출해 낼 수 있는 가장 중요한 기술로 부각되고 있다. 고온 초전도체로는 Bi계열의 임계온도(Tc)가 118K 인  Bi2-xPbxSr2Ca2Cu3Oz (BSCCO-Bi2223 or Bi2212)와 92K 인 이트륨 계열의 Y1Ba2Cu3Oy (YBCO-Y123)가 있다.  또한 2001년도에 처음 선을 보인 임계온도가 39 K인 MgB2 초전도 선재 개발도 주요 연구 토픽 중의 하나이다.  현재 km급인 장 선재가 개발이 된 이후 MgB2 초전도 선재의 실용화에 박차를 가하고 있다. 가격이 저렴하고 제작의 용이성으로 볼 때 고온초전도에 비해 많은 이점이 있다. 그러나 아직도 고온초전도에 비해 고 자장에서 전기적 특성이 저하되는 문제가 있으나 최근 박막을 이용하여 좋은 특성을 가지는 선재개발에 많은 연구가 진행되고 있다.

-초전도 재료 연구(기계적 특성 연구): 초전도체를 실제로 응용하기 위해서는 각 기기 및 장비들이 요구하는 기계적 특성에 맞지 않을 경우 사용에 많은 제약이 있다. 예를 들어 고자장용 NMR/MRI장비 제작을 위해서 자체적으로 큰 magnetic pressure가 존재함으로 거의 300-500MPa 정도의 tensile stress를 견딜 수 있는 재료를 사용해야 할 것이다. 본 연구실에서는 이제까지 많은 연구가 진행되어온 제1세대 Bi2223 초전도 선재 보다는 최근 각광을 받고 있는 제2세대 Y123 박막 및 MgB2 초전도 선재의 기계적 특성을 중심으로 연구를 하고 있다. 

-초전도 선재 접합기술 연구: 초전도의 응용 및 실용화에 꼭 필요한 초전도 선재 접합 기술개발에 대한 연구는 재료개발 못지않게 아주 중요하다. 영구전류 모드 운전을 위해서는 초전도와 초전도간의 접합이 해결되어야 한다. 특히  NMR/MRI, 에너지저장장치(SMES) 같은 장비에는 필수 불가결 한 것이 영구전류 모드 운전일 것이다. 현재 저온초전도간의 접합은 많은 연구로 인하여 해결되었으나 고온초전도 간의 접합은 아직도 이렇다 할 진척이 거의 없다. 그러므로 고온초전도 선재 접합은 향 후 고온초전도의 실제 응용에 있어서 매우 중요한 연구 토픽이 될 것이다. 이에 본 연구실에서는 고온초전도 및 MgB2 초전도 선재의 접합기술 개발에 대한 연구에 역점을 두고 있다. 

 

*Application Research

-MRI/NMR: 초전도 응용분야 중 유일하게 민생용으로 상용화에 성공한 것이 바로 의료진단용 NMR/MRI이다. NMR/MRI는 또한 시료를 파괴하지 않고도 분자구조를 연구할 수 있는 물질분석연구용으로도 사용되는 최상의 장비이다. 그러나 현재 대부분의 연구소에서 사용하는200MHz~700MHz급의 NMR을 가지고는 거의 20% 내외의 소수의 단백질 종류(저분자량) 만이 분석이 가능하고, 그 외의 거대분자나 생체고분자의 분석에는 많은 애로가 있다. 1GHz이상의 NMR장비가 제작될 경우 분석 가능한 단백질 종류가 비약적으로 증가하며 1.1GHz정도의 NMR일 경우 소위 TROSY 기법을 이용하여 95% 이상의 모든 거대단백질이 분석이 가능하게 된다. 그러나 저온초전도로 제작이 가능한 저자장 NMR과는 달리 자장으로 인한 초전도체의 전기적 특성 저하 때문에 1GHz(23.5 Tesla)급 이상의 고자장 NMR에는 고온 초전도를 이용한  Insert코일용 마그넷 제작에 필수적이며, 초전도 마그넷의 기계적인 특성도 매우 중요한 factor가 된다. 본 연구실에서는 궁극적으로 거대분자 단백질까지도 분석이 가능한 고화상용 1GHz 이상의 NMR/MRI 마그넷 제작을 위한 연구에 전념하고 있다.

-Flux Injector: 고온초전도 선재를 고자장용으로 사용하기 위해서 반드시 요구되는 특성은 높은 임계전류(Ic)와 인덱스 값(n)이다. 특히 초전도 에너지저장이나 자기부상용 마그넷과는 달리 고균등의 높은 정자장을 요구하는 1GHz 이상의 NMR/MRI 분야에 응용되기 위해서는 미소 플럭스 인젝터 개발은 필수적이다. 고온초전도는 저온초전도와는 달리 인덱스 값이 절반 수준에 머무르기 때문에 고온초전도 마그넷을 영구전류모드로 작동한다는 것은 동작전류가 임계전류보다 매우 낮지 않는 한 거의 불가능하다. 플럭스 인젝터는 초전도 마그넷이 정상적인 영구모드로 충전된 후 시간이 지남에 따라 고온초전도 자체에서 생기는 인덱스 손실로 인한 자기장의 감소를 일정한 주기로 보충하도록 하는 장치로서 초전도 접합 이외에 영구 전류 모드 운전을 위해서는 꼭 필요한 매우 중요한 연구 분야이다.  

-고자장용 마그넷: MIT, Francis Bitter Magnet Lab에서는 1930년대에 처음으로 원형의 구리판을 적층하여 만든 10-테슬라급의 소위 "Bitter Magnets"으로 불리는 수랭식 상전도마그넷이 제작되었다. 그 후 Nb3Sn과 NbTi 같은 저온초전도 선재를 이용하여 만든 초전도마그넷과 Bitter Magnets을 중합하여 "Hybrid magnets"이 처음으로 선을 보인 후 1982년에는 세계 최초로 30-테슬라급의 Hybrid II 가 제작되어 당시 세계 최고의 고자장마그넷으로 기네스북에 기록 되었다. 이후 핵융합용 초전도마그넷과 입자가속기용 초전도마그넷 개발도 하였다.  이와 같이 고자장용 초전도 마그넷의 제작 기술은 우리나라에서 현재 한국기초과학지원연구소(KBSI)가 주관기관으로 진행 중에 있는 소위 K-STAR 프로젝으로 불리우는 한국형 초전도핵융합기(TOKAMAK) 제작 사업이 그 대표적인 예이다. 고자장용 초전도 마그넷 설계 및 제작 연구는 미래의 산업 및 연구 분야에 지대한 공헌을 할 것으로 보고 있다.  

-고화냉매: 초전도마그넷을 사용하는 데 있어서 기본적으로 필요한 조건 중에 하나는 초전도시스템을 임계온도 이하의 온도범위 안으로 계속 냉각, 유지시키는 것이다. 현재 개발되고 있는 고온초전도마그넷 시스템의 냉각방법으로는 냉동기를 부착한 전도냉각이나 액체질소를 사용하는 직접냉각 등이 있고, 초고자장 마그넷 응용의 경우 액체헬륨을 사용하는 경우도 있다. 그러나 이러한 방법들은 고온초전도마그넷의 설치 장소에 반드시 전원과 냉매 공급장치가 시스템과 연결된 채로 있어야 하기 때문에 차량이나 선박 혹은 야외에서 강한 자장을 필요로 하는 곳에 사용하는 데는 많은 제약이 따른다. 그러나 본 냉각기술을 사용하면 냉각체의 온도가 설정한 동작온도 범위를 넘어서기 전까지는 외부 전원과 냉각 시스템에서 분리한 채로 운반이 가능하며 영구전류모드(persistent mode)로 운전하여 초전도마그넷이 여자된 상태로 일정기간 동안 별도의 냉매 공급 없이도 야외에서도 사용할 수 있고, 또한 고화냉매의 온도가 상승하였을 경우 재냉각과 재충전이 가능한 포터블 고온초전도마그넷 시스템 제작도 가능하게 된다. 고화냉매를 이용한 냉각 기술은 수주부터 일년 정도의 불변자장이 요구되는 해군함정이나 우주왕복선의 자장발생장치 같은 분야의 사용에 아주 적절하며, 특히 냉동기로 인한 소음으로 사용 시 많은 노이즈가 발생하는 MRI같은 의료장비용 고자장마그넷에 사용할 경우 많은 이점이 있다.

-자기부상: 초전도체가 가지고 있는 중요한 특성 중에 외부자장을 배척하는 마이스너(Meissner) 효과라는 것이 있다. 이 효과를 통해 얻어지는 자기 부상력을 이용하여 자기부상열차, 자기 베어링, 플라이휠, 에너지저장 장치, 초전도가 외부자장을 차폐하는 특성을 이용한 자기차폐, 초전도체에 자력을 속박시켜 영구자석으로 이용하는 초전도 영구자석 응용과 자기분리 장치 등에 사용할 수 있다. 차세대 청정에너지 소스로도 사용될 플라이훨 에너지저장 장치 연구 및 자기분리시스템 개발에 대한 연구 등이 있다.

-전류 인입선: 구리나 황동 같은 금속으로 만든 전류단자들은 열전달이 빠르고 많은 열 발생으로 사용에 많은 제약이 있는 반면 고온 초전도체를 이용하게 되면 독특한 열적, 전기적 특성으로 인해 저항발생에 따른 열손실이 없고 작은 단면적에 많은 전류를 흘릴 수 있는 등 많은 이점이 있다. 본 연구실에서는 구리나 황동 또는 고온초전도를 이용한 전류 인입선 개발에 필요한 디자인, 실제 제작 및 특성연구를 하고 있다.

*초전도 기기의 보호

-초전도 마그넷 안정화: 초전도체를 이용한 마그넷 디자인 및 제작에 있어서 가장 중점을 두어야 할 점은 온도, 자장, 전류 등의 임계 특성을 고려해야 한다는 것이다. 이 세 가지 factor 들은 모두 서로 상호 관계가 있다. 즉 온도를 낮추게 되면 더 많은 전류를 흘릴 수 있게 되며, 더 큰 자장 하에서도 초전도가 “Quench”가 없이 안전하게 운전을 하게 된다. 특히 고자장 영역에서 사용되는 초전도 코일의 경우 발생되는 자장의 세기가 클수록 퀜치 발생시 코일이 소손될 가능성이 매우 높기 때문에 퀜치 보호시스템은 필수적인 부분이다. 본 연구실에서는 극저온 특성 연구 및 초전도 마그넷의 stability 및 protection에 대한 심도 있는 연구를 하고 있다. 

-안정도 진단 기술: 초전도 응용기기의 퀜치 발생 여부와 같은 안정도를 진단하는 기술로는 일반적으로 전기적인 신호를 검출하는 방법을 사용하지만 1970년대 이후 acoustic emission (AE) 신호를 검출하는 연구가 진행되어오고 있다. 특히 초전도 DC magnetic의 퀜치 발생 진단이나 초전도 벌크의 크랙 검출 등에 있어서 많은 실험을 통해 유용성을 확인해왔고, 특히 최근에는 International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) 프로그램 중에서 AE (acoustic emmission) 센서를 이용하여 초전도 DC magnetic의 퀜치를 검출하는 방법에 대한 연구도 진행 되었다. 특히 초전도 응용기기의 개발이 진행됨에 따라 AE 신호를 이용한 초전도 응용기기의 안정도 진단에 관한 연구는 아주 유용할 것이다. 본 연구실에서는 초전도 분야 프런티어 사업, 초전도한류기 과제의 한국전력연구원의 위탁으로 “한류소자 안정도 진단기술 연구”라는 테마로 2006년 4월부터 (1) BSCCO-2212 초전도 한류소자의 퀜치특성 연구, (2) 초전도소자의 안정도 판별기술 연구, 그리고 (3) 단락시험 시 안정도 판별 기술 검증시험에 대하여 연구 중에 있다.  

J. B. Song, K. L. Kim, D. G. Yang, J. Y. Jang, T. K. Ko, M. C. Ahn, H. G. Lee
Normal Zone Initation and Propagation Characteristics of a Solid Nitrogen Cooled GdBCO Racetrack Pancake Coil
Accepted in IEEE Transactions on Applied Superconductivity , 2011 , ,Vol. 0No. 0 ,pp. 0 ~ 0(SCIE, 0:0.0

R. S. Hyam, J. S. Lee, E. J. Cho, J. H. Khim, H. G. Lee
Controlling Surface Defects and Phase Formation of Self-Organized TiO2 Nanotubes for Efficient Photocatalytic Applications
Submitted in Journal of Materials Chemistry , 2011 , ,Vol. 0No. 0 ,pp. 0 ~ 0(SCIE, 0:0.0

Y. H. Kim, J. Y. Jang, H. C. Jo, S. J. Choi, J. B. Na, C. Y. Lee, J. B. Song, H. G. Lee, T. K. Ko, Y. J. Hwang
A Study on the Loss of Superconducting Magnet by the Control Current in a Hybrid Electro-Magnetic Suspension System
Submitted in IEEE Transactions on Applied Superconductivity , 2011 , ,Vol. 0No. 0 ,pp. 0 ~ 0(SCIE, 0:0.0

H. J. Kim, Y. J. Hwang, S. J. Choi, H. G. Lee, T. K. Ko
A Study on Recovery Characteristics of Spliced Tapes from the View of Thermal and Electrical Variation for Magnet Applications
Submitted in IEEE Transactions on Applied Superconductivity , 2011 , ,Vol. 0No. 0 ,pp. 0 ~ 0(SCIE, 0:0.0

H. C. Jo, S. J. Choi, J. B. Na, Y. J. Hwang, J. S. Kang, M. C. Ahn, Y. D. Chung, H. M. Kim, H. G. Lee, T. K. Ko
Characteristics of Critical Current of HTS Layer Winding Coils with Various Winding Tensions
Submitted in IEEE Transactions on Applied Superconductivity , 2011 , ,Vol. 0No. 0 ,pp. 0 ~ 0(SCIE, 0:0.0

S. K. Kim, S. H. Kim, J. G. Kim, M. W. Park, I. K. Yu, Y. H. Choi, H. G. Lee
Harmonic Current Based Loss Characteristics Analysis of HTS DC Model Cable Using Calorimetric Method
Submitted in IEEE Transactions on Applied Superconductivity , 2011 , ,Vol. 0No. 0 ,pp. 0 ~ 0(SCIE, 0:0.0

K. L. Kim, J. B. Song, D. G. Yang, Y. H. Choi, W. J. Kim, S. H. Kim, H. G. Lee
The Effects of External Pressure on the Thermal and Electrical Properties of Stacked GdBCO Coated Conductor Tapes
Accepted in IEEE Transactions on Applied Superconductivity , 2011 , ,Vol. 0No. 0 ,pp. 0 ~ 0(SCIE, 0:0.0

Y. G. Kim, S. Hahn, K. L. Kim, O. J. Kwon, H. G. Lee
Investigation of HTS Racetrack Coil Without Turn-to-Turn Insulation for Superconducting Rotating Machines
Accepted in IEEE Transactions on Applied Superconductivity , 2011 , ,Vol. 0No. 0 ,pp. 0 ~ 0(SCIE, 0:0.0

J. B. Song, H. G. Lee
Mixed Cryogen Cooling Systems for HTS Power Applications: a Status Report of Progress in Korea University
Submitted in Cryogenics, 2011 , ,Vol. 0No. 0 ,pp. 0 ~ 0(SCIE, 0:0.0

J. B. Song, K. L. Kim, D. G. Yang, H. G. Lee
Thermal and Electrical Stabilities of YBCO Coated Conductor Tapes in a Solid Argon-Liquid Nitrogen Mixed Cooling System
Submitted in Journal of Superconductivity and Novel Magnetism , 2011 , ,Vol. 0No. 0 ,pp. 0 ~ 0(SCIE, 0:0.0