절연-도전 전환 물질 응용으로 MRI 핵심부품인 초전도 전자석을 안전하면서도 강하게 만들 수 있는 기술
개발자인 KERI 김석환(왼쪽), 조영식 박사가 ‘스마트 인슐레이션’ 연구실에서 크기와 무게가 줄어든 초전도 전자석 모형을 들고 포즈를 취하고 있다
[경남=일요신문] 정동욱 기자 = 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 연구기관 한국전기연구원(KERI·원장 최규하)의 초전도연구센터 김석환·조영식 박사팀이 의료 진단기기인 MRI(Magnetic Resonance Imaging)의 크기와 무게를 획기적으로 줄일 수 있는 초전도 절연기술을 개발했다.
국내외 다수 병원들이 MRI의 큰 부피와 무거운 무게로 인한 건물 관리로 많은 어려움을 겪고 있는 가운데, 이번 KERI가 개발한 기술은 의료계의 많은 관심을 받을 것으로 보고 있다.
자기공명영상이라고 불리는 MRI는 인체 부위에 수십만 헤르츠의 고주파 자기장을 송신한 뒤, 인체 내부의 수소 원자핵으로부터 발생되는 영상신호를 2차원 혹은 3차원 단면상으로 보여주는 전신용 검사장비다. X레이나 컴퓨터단층촬영(CT)과 달리 방사선을 사용하지 않기 때문에 안전하고, 인체 내 필요한 각도를 자유자재로 선택해 촬영할 수 있으며, 해상도가 매우 뛰어나 현대 의학에서 광범위하게 사용되고 있다.
MRI의 정확한 진단을 위해서는 해상도가 가장 중요한데, 자기장이 클수록 화질이 좋아진다. 기존 대부분의 MRI는 강력한 자기장을 만들어내기 위해 ‘초전도 전자석’을 활용한다. 초전도는 금속이나 화합물을 일정 온도 이하로 냉각할 때, 전기저항이 소멸하여 전류가 아무런 장애 없이 흐르는 현상이다. 이러한 원리를 활용한 초전도 전자석은 전기저항이 ‘0’이기 때문에, 같은 단면적의 구리선과 비교했을 때 훨씬 많은 전류를 흘릴 수 있어 MRI의 성능을 높이는 데 지대한 영향을 미친다.
그러나 초전도 전자석에는 치명적인 문제가 있다. 일정 전기량 이상에서 초전도선의 어느 한 부분이 갑자기 초전도 상태를 벗어나 버리는 현상이 발생하는 것이다. 이 경우 보통의 금속보다 저항이 더 커지고 결국 발열하면서 타게 된다. 이 현상은 원인이 명확하게 밝혀져 있지 않다보니 아직까지 과학계에서도 해결 방안이 나오지 않은 상황이다.
현재는 하나의 초전도선을 타지 않게 하기 위해서 10배 정도 많은 구리를 초전도선에 둘러싸는 방법을 활용한다. 구리는 일종의 보험 역할로, 초전도선에 발열이 생기면 전원 차단회로가 동작할 때까지 초전도선 대신 전류를 흘리는 역할을 한다. 하지만 이 방법도 구리의 많은 양 때문에 전체 부피와 무게가 커져서, 정작 자기장의 핵심인 초전도선을 많이 활용할 수 없다는 단점이 있다. 그리고 이러한 구리의 많은 양은 MRI 장비를 크고 무겁게 하는 주요 원인이 된다.
이에 KERI 연구팀은 초전도선의 발열 문제를 보완하면서, 구리의 양도 획기적으로 줄일 수 있는 ‘스마트 인슐레이션(Smart Insulation)’ 기술을 개발했다. 이 특수한 기술은 정상 동작 시에는 일반 절연체와 같이 전기가 새지 않도록 ‘절연’ 기능을 수행하다가, 초전도선의 발열이 시작되면 자동으로 전기의 흐름을 돕는 ‘도전재’로 변신해서 전류가 선과 선 사이를 건너갈 수 있게 해준다.
기존에는 1개의 선마다 전류를 감당할 수 있는 많은 양의 구리를 넣어야 했지만, 스마트 인슐레이션 기술을 활용하면 발열 발생 시 인근의 선들과 전류를 나누어 감당할 수 있기 때문에 초전도선을 둘러싸는 보험 성격의 구리 양을 대폭 줄일 수 있게 됐다. 이를 통해 위험성은 줄이면서도 전류밀도가 높은 ‘콤팩트(compact)’한 초전도 전자석이 탄생할 수 있게 됐다.
개발자인 KERI 김석환·조영식 박사는 “MRI에 스마트 인슐레이션 기술을 활용하면 구리의 양을 절반 이하로 줄일 수 있는데, 이는 곧 MRI 크기 역시 절반 이하로 줄일 수 있다는 결과가 나온다”고 밝히며 “병원에서 MRI를 설치할 때 장치의 크기와 무게로 인해 많은 어려움을 겪고 있는데, 이번 개발 기술은 MRI의 소형화 및 경량화를 가능하게 할 것“이라고 전했다.
연구팀은 이번 기술이 MRI를 보유한 병원 관계자들의 많은 관심을 받을 것이라고 보고 기술이전 및 상용화를 추진하고 있다. 현재 우리나라 포함 5개국 특허를 출원한 상태이며, 향후 지속적인 국내외 학회 및 전시회를 통해 기술홍보에 나선다는 계획이다.
ilyo33@ilyo.co.kr