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고자기장 발생기술의 현황

전문가 제언: ○ 고자기장은 주로 물리학에서 물질의 특성연구에 이용되어 왔다. 고온의 플라스마를 자기장으로 가두는 토카막을 이용한 핵융합 연구, 입자가속기에 대규모로 사용되는 여러 종류의 자석, 핵자기공명(NMR), 양자홀효과(QHE) 연구 등에 수 T 이상의 고자기장이 이용된다.

○ NbTi, Nb3Sn과 같은 초전도체의 선재기술이 발달됨에 따라 고자기장 기술은 실험실을 벗어나 다양한 응용이 가능하게 되었다. 대표적인 예가 병원에서 환자진단에 사용되는 자기공명영상장치(MRI)이다. 산업계에서도 금속 및 반도체재료의 성장, 자기분리 등 응용범위가 커지고 있다.

○ 고자기장 발생에 가장 기여가 큰 기술은 초전도 기술이다. 대부분의 실험실용 고자기장 자석은 초전도체로 제작된다. 극저온을 유지해야 하는 어려움이 있으나 초전도체의 이점은 다른 재료와 비교할 수 없을 정도로 크다. 최근에는 액체헬륨(4.2K)과 같은 냉매를 사용하지 않고도 4K에서 1W 수준의 냉동능력을 가진 저온냉동기(cryocooler)가 개발되어 고자기장의 이용이 훨씬 쉬워졌다. 현재 진행 중인 산화물 고온초전도체 선재가 개발되면 고자기장 발생 기술은 또 한 단계 향상될 것으로 기대한다.

○ 20T가 넘는 초고자기장은 수랭식 구리자석, 또는 구리자석과 초전도자석을 결합한 하이브리드자석으로 발생할 수 있다. 전기저항이 있는 금속이나 금속합금을 사용하므로 많은 전력과 냉각시설 등 거대한 설비가 필요하다. 현재 일본(2), 미국, 유럽(2)에만 이런 시설이 있으며 국제 공동연구에 이용된다. 100T 이상을 발생할 수 있는 펄스자석은 활용도가 제한되어 있다.

○ 국내에는 핵융합장치(KSTAR)에 국내에서 제작한 고자기장 초전도자석이 사용되고 있다. 기초연구용 장비(NMR, 질량분석기 등)에 사용되는 초전도자석은 대부분 수입된 것이다. 초고자기장 설비를 건설하는데 막대한 재원이 필요하지만 고자기장의 응용범위가 커지고 있으므로 우리나라도 이제는 세계적 수준의 고자기장 설비를 가질 시기가 되었다고 생각한다.

저자: Tsukasa Kiyoshi
자료유형: 학술정보