차세대초전도응용기술개발사업단(www.cast.re.kr) 한국전기연구원 초전도연구센터_오상수 박사 (055)280-1654 / ssoh@keri.re.kr
개요
1986년에 발견된 산화물계 초전도체는 임계온도(Critical Temperature)가 기존의 금속계 초전도체보다 높기 때문에 고온 초전도체라고 부르며 액체질소 온도에서도 초전도 특성을 발휘할 수 있는 것이 가장 큰 장점이다. 고온 초전도 선재란 이를 전선 형태로 만든 것이다. 1세대 고온 초전도 선재는 주로 Bi계의 전구체 분말을 은(Ag) 튜브에 충진한 후 기계가공과 열처리를 반복해 최종적으로 선이나 테이프 형태로 제조하는 공정을 채택하고 있다. 이에 반해 2세대 고온 초전도 선재는 금속기판 테이프 위에 여러 층의 산화물 막을 코팅하는 방법으로 제조한다. 2세대 고온 초전도 선재는 물리적 · 화학적인 다양한 코팅법을 이용해 만들기 때문에 흔히 Coated Conductor(이하 CC선재)라고 한다. 1세대 고온 초전도 선재가 갖고 있는 낮은 임계전류밀도와 자장 중 임계전류 특성 저하의 문제점을 해결할 수 있어 1990년대 초부터 지금까지 CC선재 분야에서 그 상용화를 위해 미국, 일본 등을 중심으로 많은 연구들이 이루어지고 있다. 모터, 전력 송전 케이블, 변압기와 같은 전력기기를 초전도화하기 위해서는 무엇보다 성능이 우수하고 값이 싼 초전도 선재가 필요하다. 즉, 어떤 초전도 선재를 사용하느냐가 초전도기기 제작에서 중요한 문제가 된다. 고온 초전도 선재는 임계온도는 높으나 제조원가가 아직도 금속계 초전도 선재에 비해 비싸기 때문에 저가의 제조공정을 개발하는 것이 CC선재의 가장 중요한 과제다. 국내에서는 교육과학기술부가 지원하는 21세기 프론티어연구사업의 일환으로 ‘차세대 초전도 응용 기술 개발’사업(이하 DAPAS 사업)이 수행되고 있으며, DAPAS 사업의 세부 과제로 ‘고온 초전도 Coated Conductor 상용화 개발’연구가 2001년부터 진행돼 현재까지 많은 연구 성과를 내고 있다.
DAPAS 연구 사업 현황
2001년부터 시작된 CC선재 개발 연구는 미국, 일본에 비해 10년 정도 늦게 시작됐지만, DAPAS사업의 지속적인 지원에 힘입어 한국전기연구원을 중심으로 한 국내 연구기관들이 지금까지 많은 연구 성과를 내고 있다. 한국전기연구원은 2세대 선재사업의 총괄 주관기관으로, KAIST, 서울대, 이화여대, 안동대, 경상대, 산기대 등과 함께 실용화 제조기술과 관련한 핵심 제조 공정 기술과 분석 평가기술들을 단계적으로 개발하고 있다. CC선재 개발은 크게 기판 공정과 초전도 층 공정의 두 가지로 구분한다. 기판 공정은 다시 압연-열처리에 의해 결정 배향된 Ni합금을 사용하는 RABiTS 공정과 무배향 금속기판 위에 IBAD(Ion-Beam Assisted Deposition) 등으로 YSZ, GZO, MgO 층을 배향시키면서 증착해 기판을 제조하는 IBAD 기판 공정으로 나뉜다. 초전도 층 제조공정으로는 여러 방법들이 있으나 그 중 MOD, MOCVD, PLD, Co-evaporation 등이 대표적이다. 3년에 걸친 1단계 DAPAS 사업에서는 RABiTS와 IBAD 기판 공정을 동시에 개발했고, 초전도 층공정도 MOD, MOCVD, PLD 등의 세 가지 방법을 시도했다 . 2단계 사업에서 RABiTS 공정 연구보다는 IBAD공정에, PLD 연구보다는 MOD와 Co-evaporation 공정 개발에 집중하는 구도로 연구 내용들이 다소 변경됐다. 특히 2단계 연구에서는 PLD법을 이용해 YBCO계 초전도선재를 연속으로 제조하는 공정을 개발했으나, PLD 양산 장비가 고가이고 제조 속도가 느리기 때문에 2007년부터 시작된 3단계 연구 사업에서는 Co-evaporation법으로 SmBCO 초전도 선재를 제조하는 연구에 집중하고 있다. 3단계 연구사업부터 국내 유일의 초전도 전문 벤처기업인 ㈜서남이 참여기업으로 DAPAS 사업에 동참하면서 국내에서도 CC선재의 상용화 개발이 구체적으로 현실화됐다.
IBAD 기판 개발
CC선재는 금속기판 위에 다층의 산화물 막이 코팅된 구조로 되어 있으며, 완충층(Buffer)이 입혀진 구조의 것을 기판(Buffered Substrate)이라고 한다. RABiTS 기판은 미국의 ORNL에서 개발된 것으로 AMSC사에서 MOD법으로 YBCO 선재를 제조할 때 기판 제조공정으로 채택하고 있다. IBAD기판은 배향층 물질로 YSZ, GZO, MgO 등 여러 종류의 물질이 있으나, DAPAS 사업에서는 다결정 무배향 상태의 하스텔로이(Hastelloy) 금속기판 위에 전자빔을 이용하여 상온에서 Al₂O₃, Y₂O₃층을 비정질 상태로 입힌다. 이어 전자빔으로 MgO 산화물 층을 기판 표면 위에 증착할 때 보조 이온건으로 아르곤 이온을 특정 방위각도로 조사해, GO MgO결정 성장 시 터널링 효과(Tunnelling Effect)를 이용하여 MgO 결정을 2축이 배향된 상태로 증착하는 기술을 이용한다.
<그림 1>은 현재 DAPAS 사업에서 개발 중인 SmBCO 고온초전도 선재의 단면 구조와 각 층의 제조방법을 나타낸 것이다. IBAD-MgO 기판의 제조과정을 보면 우선 두께 0.05㎜~0.1㎜, 폭 10㎜의 하스텔로이 테이프를 연속으로 전해연마하여 표면을 평탄하게 만든다. 표면조도는 RMS 값으로 5 X 5μ㎡의 면적에서 약 4㎚의 값을 AFM으로 확인했다. <그림 2>는 DAPAS 사업에서 개발한 IBAD 장치의 사진이다. IBAD의 전자빔 증착 장치를 이용하여 확산 방지층인 Al₂O₃층을 증착한다. 이는 이후의 고온 증착 공정에서 하스텔로이 물질 중의 원소가 초전도 층으로 확산되는 것을 방지하기 위해 증착하는 층이기 때문에 비정질 상태로 유지하는 것이 중요하다. 비정질의 Y₂O₃층을 시드(Seed) 층으로 입힌 후에 MgO 층을 상온에서 전자빔 증착과 IBAD법으로 두께 약 10㎚의 MgO 층을 증착한다. <그림 2>의 IBAD 장치는 하부 진공챔버에 부착한 MgO 타깃을 전자빔으로 증발시킬 때 장치 후면에 설치된 카프만 식(Kaufman-type)의 보조 이온건으로 아르곤 이온을 조사할 수 있는 구조로 제작됐다. 기판 표면과 45。각도로 전자빔으로 증착되는 MgO 결정 표면이 이온 밀링(Ion Milling)되면서 특정한 방향으로 결정의 에피 성장이 일어나고, 결정배향 특성을 실시간으로 확인할 수 있는 RHEED(Reflection High Energy Electron Diffraction) 스크린이 설치되어 있다. IBAD 장치의 상부 챔버에는 14턴 구조의 선재 이송 장치가 설치되어 있으며, 기판 테이프가 이송되면서 하부 챔버에서 증발되는 원자들이 특정한 방향으로 붙으면서 성장하게 된다.
<그림 3>은 연속 공정으로 제조한 100m 길이의 MgO 테이프를 절단해 12m 구간에서 IBAD-MgO 테이프의 결정 배향 특성을 XRD로 측정한 결과이다. (220)결정면의 Phi scan 값이 낮을 수록 a-b 축 결정배향 특성이 우수한 것인데 전체 구간에서 7。이하의 고른 값을 보여주고 있다.
SmBCO 초전도 층의 증착 공정
DAPAS 사업에서 초전도 층은 YBCO가 아닌 SmBCO 초전도 층을 채택해 Co-evaporaion법으로 증착하고 있다. SmBCO 물질이 YBCO보다 고자장에서 보다 우수한 임계전류밀도 특성을 나타내며, 원료 가격 면에서도 YBCO보다 싸기 때문에 향후 상용화에 유리하다. <그 림 4>는 DAPAS사업에서 개발한 EDDC(Evaporation using Drum in Dual Chambers) 장치 개념도이다. EDDC는 KAIST에서 최초로 개발한 배치(Batch)형 연구용 장비로, 두 차례의 개조 작업을 거치면서 100m급 SmBCO 초전도 선재를 제조할 수 있게 됐다. 하부 진공챔버에 Sm, Ba, Cu 원료 금속을 도가니에 넣고 Sm, Cu는 유도가열, Ba는 복사열로 가열하면 하부 챔버에서 증발된 원자들이 상부 챔버 쪽으로 날아간다. 상부 챔버에는 고온에서 회전하는 금속 드럼이 설치되어 있고 기판 테이프를 감을 수 있는 구조로 표면에 원주 방향으로 홈이 패여 있다. 상부 챔버는 산화반응을 일으키기 위해 산소 분압을 10~20mTorr로 유지할 수 있도록 노즐을 통해 챔버 내에 산소를 골고루 공급해 준다. 저산소 분압에서 증발되어 이동한 원자들이 고온 · 고압의 산소 분위기 하에서 기판 표면에 붙은 채로 연속 회전하는 과정에서 화합물은 Sm-123 초전도상으로 변화 · 성장하게 된다. 하부 진공챔버에서 Sm, Ba, Cu 원자들의 조성비를 제어하기 위해 Multi-type QCM 센서가 가이드 튜브 구조로 원료 도가니와 드럼 사이에 설치돼 출력 값을 모니터링하면서 증발도가니의 입력 전력을 제어할 수 있게 제작됐다.
실제 초전도 층 증착시간은 1~2시간이지만 챔버의 진공 배기, 드럼 가열, 산소 공급 등의 시간을 포함하면 8시간 이상이 된다. 양질의 초전도 막을 얻기 위해서는 상 · 하부 챔버 내의 산소분압이 증착하는 과정 동안 일정하게 유지돼야 하고, 각 원소들의 증착율도 일정한 범위 내에서 안정적으로 유지되는 것이 중요하다. 많은 실험을 통해 Sm:Ba:Cu가 1:2:3의 화학량론적(Stoichiometric) 조성보다 Sm 과잉, Ba 부족, Cu 과잉 조성 영역에서 높은 임계전류 특성이 나오는 것으로 확인했다.
SmBCO 초전도 선재의 분석과 초전도 특성
현재 DAPAS 사업에서는 한국전기연구원과 ㈜서남이 협동으로 EDDC 장치를 이용해 SmBCO 선재를 제조하고 있다. <그림 5>는 EDDC 장치를 이용해 SmBCO 초전도 층을 100m 기판 테이프 위에 증착한 후의 사진이다. 육안으로 관찰했을 때 전체적으로 검은색 광택을 띠고 박리된 부분이 없는 것을 확인하는 것이 중요하다. 주사전자현미경(SEM)으로 선재의 양단을 절단하여 표면조직을 분석한 결과의 사진을 보면, 두드러진 불순물 입자 없이 초전도 결정이 c 축으로 잘 성장된 모습을 볼 수 있다. <그림 6>의 수직 단면에서도 전체적으로 a 축 성장없이 치밀하게 c 축으로 성장한 초전도 결정을 확인 할 수 있다. XRD phi-scan법으로 분석한 결과에 의하면 EDDC로 증착한 SmBCO 초전도 층이 기존의 PLD법으로 증착한 YBCO 초전도 층보다 a-b 축 결정의 배향성이 양호한 것을 확인할 수 있었다. 초전도 선재 특성 중 가장 중요한 임계전류 특성을 4단자 통전법으로 평가했다. 절단한 시편의 액체질소 온도에서 임계전류를 측정한 결과의 그래프를 <그림 6>에 나타냈으며, 300A 이상의 높은 임계전류를 확인했다. 최근 국제저널에도 발표했지만 EDDC법을 이용해 동시증발법 EDDC로 제조한 SmBCO 선재의 임계전류가 순차적으로 향상되고 있으며, Defect-free의 균일한 초전도 선재를 안정적으로 제조하는 것이 관건이다.
마무리
최근 녹색기술의 중요성이 매스컴을 통해 많이 언급되고 정부에서도 미래 산업을 이끌어갈 핵심기술로 선정하고 대규모 투자를 계획하고 있다. 초전도 기술은 초전도 응용기기를 제조하고 사용하는 과정에서 환경 폐기물을 발생시키지 않는 친환경 기술이다. 또한 전기 · 전자기기를 초전도화하면 고효율화를 통해 전기에너지를 크게 절감시킬 수 있는 장점이 있기 때문에 녹색산업의 핵심기술로 볼 수 있다. 국내에서 초전도 기술이 산업적으로 꽃을 피우기 위해서는 무엇보다 안정적으로 고품질의 초전도 선이 공급돼야 한다. 미국의 초전도 선재 제조업체들은 최근 공격적으로 국내시장을 넘보고 마케팅을 강화하고 있다. 하지만 DAPAS 사업에서 개발한 CC의 Co-evaporation 공정 기술은 국제적으로 인정받는 기술이며, 초전도 선재의 성능과 제조원가면에서 MOCVD나 MOD법에 비해 유리하기 때문에 조금 더 노력하면 세계 최고 수준의 고온 초전도선을 우리 손으로 먼저 상용화할 수 있다. 다행히 최근 ㈜서남이 CC선재의 생산라인을 성공적으로 구축해 2009년 하반기부터 CC선재를 판매할 계획을 세우고 있으며, 세계에서 제일 빠른 제조공정 속도로 CC선재를 생산해 상용화할 구체적인 목표를 갖고 사업에 임하고 있다. 앞으로도 지속적인 정부의 지원과 초전도 연구진들의 열정과 노력이 합쳐진다면 초전도 선재뿐만 아니라 초전도 응용기기 분야에서도 우리나라가 세계 시장을 선도할 날이 머지않을 것으로 기대된다.
전기저항이 없다(전기저항 제로) 초전도체의 가장 대표적인 특성은 전기저항이 없다는 것이다. 초전도체(Superconductor)는 적절한 조건이 되면 전기저항이 완전히 사라져, 도체 중에서도 가장 전도율이 큰 물질이 된다. 보통 어떤 물체에 전류가 흐르면 그 물체에는 전류의 제곱과 물체의 저항을 곱한 값의 열이 발생하게 된다. 이로 인해 에너지 손실이 크게 되지만, 전기저항이 없는 초전도체의 경우 에너지 손실 없이 훨씬 더 많은 양의 전류를 멀리 보낼 수 있다.
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