일본산업뉴스요약

Start Up Innovation / Science
초전도 동력을 자동차와 선박에 활용
교토대학 및 스미토모전공, 고효율∙소형화 기대

저온에서 전기저항이 제로가 되는 초전도 재료를 활용한 모터의 개발이 진행되고 있다. 전기자동차(EV) 및 선박 등의 동력에 활용하면 기존의 전기 구동모터에 비해 고효율과 소형화가 가능하며 에너지 절약으로 이어질 것으로 기대되고 있다. 초전도는 일본의 산업계가 오랫동안 연구를 추진해 온 실적이 있으며, 실용화가 된다면 EV 등의 개발경쟁에서 주역이 될 가능성이 크다.

교토 시 남쪽에 위치한 교토대학의 가쓰라(桂) 캠퍼스. 부지의 일각에 있는 실험시설에는 초전도 모터가 잠자고 있다. 모터의 직경은 약 30cm. 철제 목욕통과 같은 거대한 용기에 냉각재의 액체 질소와 함께 넣어 가동시킨다.

개발을 추진하고 있는 교토대학의 나카무라(中村) 교수는 “초전도의 장점을 살린 모터를 실현시킨다”고 말한다. 초전도는 지극히 낮은 온도까지 냉각시키면 전기 저항이 제로가 되는 신기한 재료이다. 리니어 모터 카(자기부상열차) 및 의료기기 등으로 실용화되고 있다.

-- 산학이 공동으로 연구 --
연구는 과학기술진흥기구(JST)의 지원을 받아 아이신정기 및 당사 자회사의 이무라 재료연구소(아이치 현) 등과 공동으로 추진하고 있다. 아이신은 냉동기와 모터를 넣는 진공용기 등의 개발을 담당. 이무라는 모터의 내부에 있는 로터(회전자) 및 외부에 있는 스테이터(고정자) 등에 선재(線材)를 둘러 감는 역할을 맡았다.

개발하는 초전자 모터에서는 자계(磁界)를 발생시키는 전선과 전류가 통하는 감겨진 선에 대해, 평상시에 사용하는 구리선 대신으로 비스무트계의 초전도 재료를 각각 활용했다. 섭씨 마이너스 196도(절대온도 77도)의 액체질소로 냉각시켜 전기를 흐르게 하면 모터가 회전하기 시작한다.

실험에서는 2종류의 초전도 모터를 시작(試作)했다. 초전도 재료를 로터와 스테이터의 양쪽에 활용한 두 가지 타입이다. 냉각해 회전시킨 결과, 효율이 97%나 향상되었다. 가속성도 뛰어나 10초 안에 시속 100킬로까지 가속이 가능한 성능을 확인할 수 있었다. 아직 경차 정도의 동력밖에 없으나, 앞으로는 모터를 대형화하여 트럭 등에 탑재할 방침이다. 지금은 기초 기술개발의 단계이지만, 아이신정기는 “사업성을 향후 검토해 갈 것이다”라고 말한다.

초전도 모터를 사용한 자동차는 스미토모(住友) 전기공업도 개발을 추진하고 있다. 당사는 비스무트계의 고온 초전도 선재에서 세계 최고의 기술을 보유하고 있다. 오랫동안 축적해 온 선재 기술을 활용하여 출력 30킬로와트의 모터를 개발. 모터를 탑재한 자동차도 시작(試作)했다. 주행실험에도 성공했을 뿐 아니라, 2008년에 홋카이도 도야코(洞爺湖)에서 개최된 G8서밋(Summit)에도 전시되었다.

-- 냉각 등이 과제 --
실용화를 위한 과제는 두 가지이다. 하나는 초전도를 사용하기 위해 저온까지 냉각시키기 위한 냉각장치가 반드시 필요하다는 것이다. 나카무라 교수는 “초전도 모터를 사용하면 기어가 필요 없어질 뿐만 아니라, 경량화 및 효율 등에서 냉각의 부담은 상쇄될 수 있다”고 말한다. 또 다른 과제는 초전도 재료가 도자기와 같은 세라믹이기 때문에 힘을 가하면 깨지기 쉽다는 것이다. 따라서 비스무트 재료를 안정적으로 만드는 기술이 필요하다.

초전도 모터는 선박용으로도 기대를 모으고 있다. 나카무라 교수에 따르면, 아메리칸 슈퍼 컨덕터사는 36메가(메가는 100만배)와트 급의 모터를 제작. 미 해군의 선박에서 실험에 성공했다. 독일 시멘스도 동일한 시도를 하고 있다. 일본에서도 IHI 및 가와사키(川崎) 중공업이 실험을 추진하고 있다.

항공기 분야에서도 주목을 받고 있다. 우주항공연구개발기구(JAXA)에 따르면, 미 항공우주국(NASA)은 2000년경에 혁신적인 항공기술에 관한 보고서를 정리하며 초전도를 활용한 전기 구동 모터를 제안하고 있다.

항공기의 주력 동력원이라고 할 수 있는 제트 엔진은 연비효율의 개선이 한계에 도달했을 뿐 아니라, 이산화탄소(CO₂) 등 온난화 가스의 배출 삭감도 어려워지고 있다. 모든 동력을 전기로 조달하는 전동 모터의 항공기에 이목이 집중되고 있다. NASA 등은 우선 일반 모터로 전동 항공기를 실용화 한 후에 초전도 모터를 활용하는 방안도 앞으로의 기술로서 기대하고 있다.

100년 전에 현상이 발견된 초전도는 다양한 분야에서 지금까지 응용되어 왔다. 특히 일본기업은 고온 초전도가 발견된 1980년대 후반부터 실용화를 위한 연구 개발을 진행해 온 오랜 실적이 있다. 나카무라 교수는 “초전도를 통해 일본기업의 장점을 살릴 수 있다”라고 지적한다. 초전도 모터가 실용화된다면 EV용의 주역으로서 일본 제조업체가 활약에 나설 가능성이 크다.

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