자석, 장난감을 넘어 첨단 과학 기술에서 활용되다

자석은 우리에게 문구나 장난감처럼 친숙한 실험 도구입니다. 평소 접하기 쉬운 냉장고 자석이나 자석 칠판은 생활용품에 불과하지만 과학기술 속 자석은 전자장치, 항공우주, 의학, 기계공학 등 넓은 분야에서 중요한 역할을 합니다. 최근 한국은 세계 최초로 인공태양 만들기에 성공했습니다. 이 원리 속에는 ‘자석’이 있어 우주선, 의료용 로봇, 자기부상열차 등 첨단 과학기술에서도 자석의 위력이 발휘되고 있습니다.

뜨거운 플라즈마를 오래 가두기 위해 저항이 없을 뿐만 아니라 강력한 자기장을 만들 수 있는 초전도 자석을 사용한다 (출처: 국가핵융합연구소) 한국기술 인공태양 KSTAR, 초전도 자석에서 강한 자기장 발생

지난 2월 과학기술정보통신부는 국내 인공태양 KSTAR이 중심이온 온도 1억도 이상 초고온 고성능 플라즈마(원자핵과 전자가 분리된 기체 상태)를 1.5초간 유지하는 데 성공했다고 발표했습니다. 이것은 초전도 토카막(초전도 자석을 이용한 설비) 핵융합 연구 장치 중 세계 최초의 성공인데, 그 핵심 원리는 ‘자석’에 있습니다. 인공태양은 에너지를 만드는 원리인 핵융합 반응을 지구상에 구현할 수 있도록 만든 장치입니다. 태양보다 중력이 훨씬 작은 지구에서 핵융합 반응이 일어나려면 태양 중심 온도의 7배인 1억도 이상의 플라즈마를 장시간 유지하는 것이 관건입니다. 지구상에서 태양과 같은 밀도를 조정하지 못하면 태양보다 더 높은 온도를 만들고 핵융합이 일어나는 결과값을 만들게 됩니다. 이때 저항이 발생하지 않는 초전도 자석을 이용해 자기장을 발생시키고 초고온 플라즈마를 가둬 핵융합 반응을 일으키는 것이 핵심 원리입니다.

액체자석은 전자기기, 항공우주, 의학, 기계공학 등 폭넓은 분야에서 중요한 역할을 하는 초전도자석은 극저온 상태에서 전기저항이 0이 되어 일반 자석보다 강한 자기장을 오랫동안 발생시킬 수 있습니다. KSTAR은 플라즈마를 구속하는 D자형 초전도 자석으로 자기장을 만들어 플라즈마가 도넛형 진공용기 내에서 안정적인 상태를 유지하도록 합니다. 우주선에서 로봇까지 자석의 잠재적 응용 가능성은?

자석의 성질을 가진 아주 작은 물질을 물이나 기름에 섞어 만든 액체 자석은 첨단 반도체나 우주항공 분야에서 중요하게 활용됩니다. 이것은 우주선의 자세 제어 시스템에 기본적으로 활용됩니다. 액체 자석 주위에 자기장을 회전시키면 우주선 회전에 영향을 주거나 각운동량에 변화를 주어 자세를 제어할 수 있습니다. 우리가 생활 속에서 이용할 수 있는 자기부상열차는 자기장을 이용한 교통수단입니다. 자기부상열차는 열차 바닥과 선로를 같은 극 자석으로 만들어 전기에서 발생한 자력에 의해 선로에서 뜬 상태로 달립니다. 현재 중국에서는 최고 시속 상용 자기부상열차를 개발 중입니다. 2020년 중국에서 처음 선보일 예정인 자율주행 자기부상열차는 시속 200km에 달해 100m 이내에서 4층 건물 높이 근처까지 상승할 수 있다는 것입니다.자기부상열차는 열차 바닥과 선로를 같은 극 자석으로 만들어 전기에서 발생한 자기력에 의해 선로에서 뜬 상태로 달리는 원리다.의료 로봇을 움직이는 것도 자기장의 힘입니다. 메릴랜드대 연구팀이 최근 개발한 마이크로로봇은 로봇 엉덩이 부분에 설치한 사각형 자석을 제어하는 방식으로 자기장을 회전시켜 로봇을 움직입니다. 국내에서도 디지스트와 한양대 공동연구로 막힌 혈관을 관통하는 관상동맥 중재술에 쓰이는 마이크로로봇을 개발했습니다. 가이드 와이어 끝부분에 네오듐 자석을 이용해 외부 자기장 시스템으로 마이크로 로봇을 제어해 원하는 방향으로 조종과 직선 운동을 할 수 있도록 했습니다. 녹슬지 않는 자석이 있다면?우리가 일상에서 사용하는 휴대폰과 이어폰에도 자석이 활용됩니다. 이때 활용되는 자석은 스피커의 음질을 담당하며 자력이 클수록 큰 힘으로 진동판의 운동 에너지를 끌어내어 고품질의 소리를 만듭니다. 자동차와 배처럼 모터가 들어가는 모든 장비에도 자석이 들어갑니다. 무거운 자석을 가벼운 플라스틱으로 대체하여 자동차나 배를 만들면 더 적은 동력이 필요하기 때문에 에너지를 절약할 수 있습니다.플라스틱 자석의 원료가 된 물질과 고온에서 중합 반응하여 자성을 띠게 된다(출처: UNIST 뉴스센터) 작년 8월에는 유니스트(울산과학기술원, UNIST)에서 금속은 아니지만 자석의 성질을 가진 플라스틱 자석을 개발했습니다. 이 플라스틱 자석은 녹슬지 않고 인체에 흡수되지 않아 MRI 촬영 시 조영제로 활용되기 쉽다는 점에서 분야에서 주목받을 것으로 예상하고 있습니다. 이처럼 자석에 대한 연구는 가전기기뿐만 아니라 의료, 교통수단, 우주과학과 에너지 분야까지 확산되어 새로운 성과를 창출하고 있습니다.플라스틱 자석의 원료가 된 물질과 고온에서 중합 반응하여 자성을 띠게 된다(출처: UNIST 뉴스센터) 작년 8월에는 유니스트(울산과학기술원, UNIST)에서 금속은 아니지만 자석의 성질을 가진 플라스틱 자석을 개발했습니다. 이 플라스틱 자석은 녹슬지 않고 인체에 흡수되지 않아 MRI 촬영 시 조영제로 활용되기 쉽다는 점에서 분야에서 주목받을 것으로 예상하고 있습니다. 이처럼 자석에 대한 연구는 가전기기뿐만 아니라 의료, 교통수단, 우주과학과 에너지 분야까지 확산되어 새로운 성과를 창출하고 있습니다.