[국대들의 연구실] MRI 패러다임 바꾸는 스마트 인슐레이션…한국전기연구원

■ 조영식 / 한국전기연구원 책임연구원

[앵커]
우리나라 대표 연구자들과 함께 다양한 연구 분야에 관해 깊은 이야기를 나눠보는 코너, '국대들의 연구실' 시간입니다. 오늘은 한국전기연구원의 연구실을 방문해보겠습니다. 정밀한 건강 진단을 위해 사용하는 MRI의 핵심 기술은 '초전도 전자석'인데요, 어떤 기술인지 조영식 책임연구원과 함께 이야기 나눠보겠습니다. 안녕하세요.

[인터뷰]
반갑습니다.

[앵커]
우리가 흔히 건강 검진이나 질병을 진단할 때 MRI 촬영을 하잖아요? 이름도 어렵지만, 그 원리는 대부분 모르실 거 같습니다. 일단 MRI에 초전도 전자석이 쓰인다고 하는데, 그게 무엇인지 설명해주시죠.

[인터뷰]
MRI는 인체에 강한 자기장을 가해서 인체 내부의 영상을 얻는 장치입니다. MRI는 강한 자기장을 만드는 기술, 그리고 영상을 획득하는 기술이 핵심인데요, 강한 자기장이라는 것은 최근 병원에서 널리 사용되는 MRI 기준으로 보면 3T를 말합니다. T 테슬라라고 말하는 것이 자기장의 크기를 나타내는 단위입니다. 초전도 전자석은 우리가 촬영하고 싶은 인체의 특정 부위에 3T의 자기장을 만들어 주는 것이고요. 기존의 전자석 기술, 즉 구리 도체나 영구자석을 이용해서는 우리가 원하는 3T라는 강한 자기장을 만들 수 없어서 초전도 전자석 기술을 사용하고 있습니다.

[앵커]
그러니까 초전도 전자석이 MRI의 핵심이라고 볼 수 있을 거 같은데요, 구체적으로 어떻게 작동하는 겁니까?

[인터뷰]
MRI라는 말을 이해하면 쉽게 이해할 수 있는데요. 'Magnetic Resonance Imaging', 자기장을 이용해서 무언가를 공명시키면 영상을 얻을 수 있다는 것인데요. 아주 큰 자기장을 가해주는 것을 역할을 초전도선이 하는 것이고, 그 큰 자기장 안에서 인체에는 수분이 있고요, 그 수분 속에는 수소 원자가 있는데 그 수소 원자를 공명시키면 그 신호를 측정해서 이미지로 만들어줄 수 있는 그런 기술입니다.

[앵커]
그렇군요. 거기 안에 있는 원자를 공명시켜서 반대되는 반응을 보는 기계라고 이해하면 될 거 같은데요. 그런데 전기연구원에서 개발한 기술이 '스마트 인슐레이션'인데요, 구체적으로 어떤 기술인가요?

[인터뷰]
고온초전도선이 1986년 발견된 이후로 아직까지 초전도전자석으로 상용화되지 못한 가장 큰 문제는 초전도전자석이 탄다는 이유입니다. 한국전기연구원이 만들었던 기술은 초전도 전자석을 타지 않게 보호할 수 있는 기술입니다.

[앵커]
'탄다'라는 거는 뭐 때문에 타는 건가요?

[인터뷰]
초전도 전자석은 초전도선이 사용이 되는데 초전도체가 아닌 상태가 돼버리면 아주 큰 저항체가 됩니다. 그러면 저항체에 의해서 흐르는 전류하고 반응하게 되면 아주 큰 열이 나게 되고요, 타게 되는 것이지요.

[앵커]
그렇다면 그것을 막기 위해서 새로운 물질을 사용하셨다는 건가요?

[인터뷰]
저희는 스마트 인슐레이션 초전도 전자석 기술이라고 명칭 했고요. MIT(Metal Insulator Transition) 물질을 사용하는데, MIT 물질은 저온에서는 큰 부도체이고요. 온도가 올라가면 전기저항이 수십만 분의 1 수준으로 급격히 감소하는 특성이 있습니다. 이를 이용하여 초전도 전자석에 문제가 생기면 매우 빠른 시간에 출력 자장이 감소하고, 이를 감지하여 전원을 차단하여 보호할 수 있는 기술입니다.

[앵커]
정확히 상쇄하는 물질이다 이렇게 이해하면 될 거 같은데요. 그렇다면 MRI에서 발열 문제가 발생할 수 있는 원인은 무엇인가요?

[인터뷰]
학계에서 많이 연구했는데요. 한마디로 말씀드리면 정확히는 알 수 없습니다.
초전도선의 성능이 균일하지 못하거나 기계적인 문제이거나 열적인 문제일 수도 있습니다. 어쨌든 초전도전자석에서 발열이 생긴다는 것은 '초전도선 상태가 깨졌다'라고 볼 수 있고요. 이 경우에는 결국 초전도 전자석이 타고 쓰지 못하기 때문에 아주 중요한 일입니다.

[앵커]
다른 질문이긴 합니다만, 초전도 전자석이 많이 비싼가 보죠?

[인터뷰]
아직까지는 연구용으로 쓰이기 때문에 많이 고가의 장치라고 볼 수 있습니다.

[앵커]
그래서 잘 보존하는 것도 연구 과제 중 하나이다 이렇게 이해하면 될 거 같은데요. 초전도 전자석 자체가 큰 전자 에너지를 내는 만큼 발열 문제가 일어날 수 있다 말씀해주셨는데, 여기에서 발생하는 에너지의 양이 얼마나 되는 건지 이해하기 쉽게 설명을 해주실 수 있을까요?

[인터뷰]
올여름에도 선풍기 많이 이용하셨을 건데요. 일반적으로 가정용 선풍기는 1A(암페어) 정도의 전류를 사용하고 있습니다. MRI의 경우 대게 200A 정도를 사용합니다. 간단하게 보면, 200배 정도의 에너지를 사용하고 있다고 볼 수 있는데, 문제는 발열의 경우입니다. 발열이라는 것은 전류의 제곱에 저항을 곱한 값으로 발생합니다. 즉, 선풍기의 경우는 전류 1암페어 곱하기 선풍기의 저항 수십 옴에서 수백 옴 정도 되고요. 결론적으로는 MRI의 경우 200암페어 제곱에 MRI에서 발생 되는 전기 저항의 값을 곱하니까 실질적으로는 아주 큰 에너지 차이가 크게 나기는 하는데 수치로 본다면 수만 배, 수십만 배 차이가 난다고 생각하실 수 있습니다.

[앵커]
그렇다면 또 스마트 인슐레이션 기술을 통해 MRI 기기의 크기도 줄일 수도 있을 거 같은데, 이건 왜 중요한 건가요?

[인터뷰]
일반적으로 병원을 가게 되면 MRI 장치가 2층이나 3층에 있는 경우는 보지 못했을 겁니다. 그만큼 MRI 장치는 아주 크고 무거운 장치이거든요. MRI 크기를 줄이는 것을 줄이는 게 아주 중요한데, MRI에서 사용하는 초전도선은 초전도 물질인 NbTi를 구리가 감싸고 있는 형상입니다. 초전도체가 문제가 생겨서 전기저항이 발생하면 구리 도체로 전류가 흘러서 초전도선을 보호하기 위한 목적입니다. 저희가 개발한 스마트 인슐레이션 초전도 전자석 기술을 사용하게 되면 그렇게 많은 구리를 사용할 수 없기 때문에 결론적으로 초전도 전자석을 작고 가볍게 만들 수 있고 MRI의 크기와 무게도 줄일 수 있는 기술이 될 수 있습니다.

[앵커]
이렇게 큰 자기장을 쉽게 만들 수 있다면 이 기술을 MRI 외에도 다른 곳에 사용할 수 있겠죠?

[인터뷰]
아주 분야에서 사용할 수 있을 거 같고요. 저희 연구팀이 고민하고 있는 여러 가지 기술들이 있는데 세계적인 많은 기관에서는 회전기, 모터 등에 사용하면 기존 모터 대비 30% 수준으로 작고 가볍게 만들 수 있습니다. 핵자기공명 장치의 경우 수십 T의 큰 자기장을 이용하여 단백질 구조 등을 분석하는 데 사용하고 있습니다. 저희 연구팀에서는 10분 이내에 배터리 용량의 80%까지 충전시킬 수 있는 기술, 금형이 필요 없는 자기성형 기술 등을 검토하고 있습니다. 사실 저희 팀이 초전도 전자석을 연구하였지만, 응용분야를 아는 데는 한계가 있습니다. 그래서 앞으로 큰 자기장이 필요하신 여러 분야의 분들과 협업이 절실히 필요한 상황입니다.

[앵커]
최근 상온 초전도체 이슈로 많은 분들이 '초전도'라는 기술에 관심을 갖게 됐는데, 초전도체를 상용화해서 세상을 더 편리하게 만드는 데 힘써주시기 바랍니다. 한국전기연구원 조영식 책임연구원과 함께했습니다. 고맙습니다.

YTN 사이언스 김기봉 (kgb@ytn.co.kr)