일본산업뉴스요약

구리선처럼 다룰 수 있는 초전도 선재
JSA, 초소형 코일의 길 열어

초전도 기술 개발 업체인 일본초전도응용개발(JSA, 가나가와현)이 구리선과 같은 권선 재료로 취급이 가능한 초전도 선재를 개발했다. 극도로 가늘고 작은 반경으로 구부릴 수 있어 초소형 초전도 코일을 제작할 수 있다. 이것은 고출력과 초소형을 양립하는 '궁극의 모터'로 불리는 초전도 모터 등의 실현으로 이어질 수 있다. 기존의 초전도 선재와 달리 희토류를 사용하지 않아 원료 조달이 용이하다는 장점도 있다.

JSA가 초전도 재료로 이전부터 잘 알려진 ‘이붕화마그네슘’(MgB₂)을 권선 재료로 취급할 수 있도록 하는 세선화(Thinning) 기술을 개발했다. 이붕화마그네슘가 사용되는 권선 재료는 일반적으로 초전도 코일을 제조할 때 열처리 과정에서 부러지기 쉽다는 약점이 있다. JSA는 이붕화마그네슘 선재를 직경 75마이크로미터(μm) 수준으로 가늘게 만드는 독자적인 가공 기술을 사용해 열처리 후에도 작은 반경으로 감을 수 있는 유연성 높은 선재 개발에 성공했다.

이 가공 기술은 JSA가 물질·재료연구기구(NIMS)와 공동으로 개발했다. 이붕화마그네슘의 세선화에는 와이어 하네스나 본딩 와이어 제조에 사용되는 신선(伸線) 가공 기술을 응용했다.

-- 전류 밀도는 구리선 대비 350배 --
이붕화마그네슘은 39켈빈(K, 약 영하 234도) 이하에서 초전도 상태가 된다. 이른바 '고온 초전도'의 온도 대역보다도 낮지만, 비교적 높은 온도까지 초전도 상태를 유지한다.

JSA는 이번에 개발한 직경 75μm의 이붕화마그네슘 선재를 직경 20mm, 높이 19mm의 스테인리스 자재에 936회 감아 소형 코일을 제작했다. 이것을 냉각 용기에 넣고 20K(약 영하 253도)에서 통전 시험을 한 결과, 2암페어(A)의 전류를 흘려 보낼 수 있었다. 전류 밀도로 환산하면 3.5kA/mm²에 달하며, 이것은 구리선을 상온에서 사용하는 경우의 전류 밀도보다 약 350배 높은 수치이다.

개발을 담당한 JSA의 나카야마(中山) 최고기술책임자(CTO)는 “굽힘 반경을 더욱 줄이는 것도 가능하다”라고 말한다. JSA는 이미 이붕화마그네슘 선재를 직경 15μm까지 가늘게 만드는 가공 기술 실증을 마쳤으며, 이 기술로 초전도 코일을 한 층 더 소형화할 수 있을 것으로 전망된다.

현재의 고온 초전도 선재는 ‘REBCO’라고 불리는 테이프 형태의 재료가 주류이다. 이트륨(Y)나 유로퓸(Eu) 등의 희토류를 포함하고 있으며, 부러지기 쉽고 권선 가공이 까다롭다는 약점이 있다. 이 때문에 초전도 코일을 소형화하기가 어려웠다.

-- 항공기 및 자동차용 모터를 겨냥 --
JSA는 개발한 선재의 응용처로 향후 실용화가 기대되고 있는 수소 항공기나 수소 자동차용 초전도 모터를 유망하게 보고 있다. 연료로 액체 수소를 사용하기 때문에, 액체 수소 온도(20K)에서 초전도 상태를 유지할 수 있는 이번 선재의 특성이 활용될 수 있다.

희토류를 포함하지 않고 주변에서 흔히 볼 수 있는 원소로 구성되어 있다는 점도 강점이다. 원료를 비교적 안정적으로 조달하기 쉽다.

하지만, “REBCO 선재에 비해 자기장에 약하다”(나카야마 CTO)라는 점 때문에 핵융합 발전 등의 용도로는 사용하기 어렵다. 핵융합 발전에서는 플라즈마를 강력하게 가두어 두기 위해 고자기장 환경에서 초전도 코일을 사용한다. 이 때문에 자기장에 강한 REBCO 선재가 더 적합하다.

나카야마 CTO는 이번 개발 성과를 바탕으로 “초전도 기술을 사회에 보급하는 데 기여하고 싶다”라고 말한다. 초전도 선재를 개발하는 것에 그치지 않고, 초전도 관련 실증 실험을 할 수 있는 환경을 외부 기업에도 제공해 나갈 계획이다.

JSA는 NIMS의 연구 성과를 활용해 2023년에 창업한 스타트업이다. 2025년 8월에는 초전도 선재 연구 개발이 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)의 ‘딥테크 스타트업 지원 사업’에 채택되었다.

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