고온 초전도 선 응용 분야. 12시 위치부터 시계 방향으로 단결정 성장 장치, 초전도 모터, 선박용 초전도 모터, 자기 부상 열차, 한류기, 초전도 모터, 변압기, 케이블, 핵융합 장치, NMR, MRI.
미래를 바꿀 유망 신기술 중 하나로 꼽는 초전도 선재는 극저온에서 통전通電을 방해하는 전기 저항이 완전히 없어지는 꿈의 신소재다. 제2의 전기 혁명을 견인할 초전도 선재 제조 기술을 개발하면, 이를 이용한 초전도 자기 부상 열차로 서울과 부산을 40분 만에 이동하며, 전기 에너지를 상상을 초월하는 속도로 저장하는 등 응용 분야가 무궁무진하다. 2세대 고온 초전도 선재를 다양한 응용 분야에서 사용하려면 고속, 경제성, 고성능을 갖춘 제조 기술을 확보해야 한다. 지난해 우리나라에서 세계 최고 기술에 비해 2배 이상 빠르게 2세대 고온 초전도 선재를 제조할 수 있는 기술을 개발했다.
2G Wire 구조(左), 200A를 흘릴 수 있는 구리선과 2세대 고온 초전도 선(右). 오른쪽 그림에서 왼쪽 테이프 형태의 것이 2세대 고온 초전도 선이다.
초전도체는 저항 손실 없이 통전한다. 특히, 2세대'고온 초전도 선재(CC : Coated Conductor)'는 같은 단면적에서 일반 구리선에 비해 100배 이상 통전한다. 기존 MRI용 자석 등에 사용하는 저온 초전도 선재는 냉각을 위해 값비싼 액체 헬륨을 사용해야 했다. 하지만 고온 초전도 선재는 전기 저항이'0'이 되는 임계 온도가 77K 이상이므로 액체 질소로도 냉각할 수 있다. 이것은 초전도 선재의 응용 범위가 초전도 자석에서 전력 기기로 넓어졌음을 뜻한다. 그러나 고온 초전도 선은 산화물이므로 기계적 특성이 좋지 않았다. 국내 연구진이 이러한 단점을 극복하고자 테이프 형태의 금속 기판 위에 초전도 박막을 입혀서 만든 2세대 고온 초전도 선재를 개발했다. 2세대 고온 초전도 선재는 구리 산화물로 만드는 초전도 선이다. 임계 온도가 기존 금속계 초전도 재료에 비해 액체 질소 온도 이상으로 높기에 고온 초전도 선재라 부른다. 비스무스(Bi) 계열 1세대 고온 초전도 선재에 비해 임계 전류(초전도 선재에 전기저항 제로의 상태로 흘릴 수 있는 최대 전류 값)가 훨씬 높고, 가격 대비 성능이 우수해 앞으로 초전도 기기에 많이 사용할 것으로 보이는 소재다. 구성 원소로는 이트륨, 사마륨, 가돌리늄 등의 희토류 원소와 바륨, 구리, 산소가 일정 비율로 섞여 있으며, 제조 방법에 따라 성능이 크게 달라진다. 금속 기판과 초전도층의 반응을 막고 초전도층의 결정성을 확보하고자, 먼저 다수의 완충층을 증착한 후 초전도층을 증착하고 안정화층으로 1∼2㎛의 은을 증착한 후에 구리를 전기 도금한다. 필요에 따라서 황동이나 구리, 스테인리스 등을 라미네이션 Lamination하기도 한다. 고온 초전도 선재는 초전도 케이블, 발전기, 한류기, 모터, 발전기 등의 전력 기기에 이용할 수 있다. 또한, 자기장하에서 임계 특성과 기계적 성질이 우수해 고해상도 MRI와 NMR용 고자기장 자석을 제작하는 데 사용할 수 있다.
구리보다 170배 통전, 2세대 고온 초전도 선재 우리나라 연구진이 지난해 4월 프론티어 사업 2∼3단계를 통해 2세대 고온 초전도 선재 기술을 개발했다. 고온 초전도 선재에 관한 연구는 프론티어 사업의 하나인'차세대 초전도 응용 기술 개발'의 세부 과제로 수행했다. 2001년부터 2004년까지 1단계에서 비스무스 계열인 1세대 초전도 선재에 관한 연구를, 그 후 2007년까지 2단계에서 2세대 선재의 다양한 제조 공정을 시도했다. 초전도 기술은 차세대 친환경 에너지 분야 핵심기술이다. 이를 적용한 기기를 제작하기 위해 고성능이면서 경제성이 있는 초전도 선재의 안정적인 공급이 과제였다. 한국전기연구원(KERI) 오상수박사팀이 2011년 4월 같은 굵기의 구리 전선과 비교해 170배가 넘는 전류를 보낼 수 있는 고성능 고온 초전도 선재를 개발했다. 이 초전도 선재는 1㎟ 단면적에서 1250A를 흘리기에 구리 전선에 비해 170배 이상 전류를 흘릴 수 있다. 이 초전도 선재한 가닥을 22.9㎸ 전력 케이블에 적용하면 2400가구에서 사용하는 전력을 공급할 수 있다. 이 같은 고온 초전도 선재는 세계 최초로 개발한 것으로, 앞으로 초전도 기기의 소형화와 고효율화에 이바지할 것으로 보인다.
초전도 층은 유기 금속 증착(MOD)과 동시 증발법(Co-evaporation) 등의 장단점과 쉽게 양산할 수 있는지 등을 검토해야 한다. 유기 금속 화학기상 증착(MOCVD)은 증발원의 가격이 높고, 금속 증착은 공정 속도가 느리다. 반면, 동시 증발법은 금속 소스Source를 사용하기에 원가면에서 유리하다. 3단계에서 동시 증발법을 기반으로 한 EDDC(Evaporation on Drum in Dual Chamber)법을 독자적으로 개발해 100m급 초전도 선재 제조 공정을 확립했다. EDDC는 2세대 고온 초전도 선재 제조 공정에서 금속 기판 위에 초전도 층을 입히는 공정 기술이다. 하부의 고진공 챔버에서 사마륨, 바륨, 구리 금속을 전기적으로 가열해 원자들을 증발시켜 상부의 고온 산소 분위기에서 회전하는 금속 드럼에 권선한 금속 기판 위에 부착한 후에 반응 과정을 거쳐 초전도 층을 반복적으로 생성하는 기술이다.
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동시 증발법은 초전도 선재의 원료 물질로 산화물 대신 저가의 금속 원료를 사용하며, 고성능 초전도 층을 넓게 증착할 수 있기에 경제성이 매우 높은 기술이다. 또한, 이 기술을 이용해 1000A급 고성능 고온 초전도 선재를 16m까지 제조함으로써 동일수준의 고온 초전도 선재를 7∼30㎝ 정도로 제조한 미국과 일본에 비해 상용화에 훨씬 다가선 것이다. 오 박사는 당시 "초전도 기술 산업화에서 가장 중요한 소재인 초전도 선재를 최고 성능으로 가장 값싸게 만들 수 있는 기술을 우리나라가 선진국보다 먼저 확보한 것이다"면서, "우리나라가 초전도 기술 선진국으로 앞서 나갈 수 있는 발판을 마련한 것이다"라고 연구 의의를 밝혔다.
고온 초전도 선재 로드맵 에너지기술평가원에서 발행한《온실가스 감축 기술 전략 로드맵 2011-초전도》를 보면, 우리나라 초전도 선재 수요는 국가 연구 개발 과제로 추진하는 케이블, 한류기, 모터, 에너지 저장 장치 개발에 필요한 물량이 대부분을 차지한다. 현재 초전도 응용기기 개발에 필요한 대부분의 초전도 선재를 수입에 의존하고 있다. 2008년부터 실선로에 배전급 케이블과 한류기를 적용하는 실증 과제를 시작하면서 100㎞ 이상 초전도 선재 수요가 발생했다. 초전도 전력 기기 실증 성과를 바탕으로 사용 수요가 본격 발생하는 2015년 이후 연간 1만㎞ 이상 수요가 발생할 것으로 보인다. 21세기 프론티어 사업을 통해 2세대 초전도 선재의 국산화에 성공해 서남에서 파일럿Pilot 기기를 사용해 생산 판매하고 있다. 서남은 두산중공업에 초전도 모터 개발용으로 30㎞ 이상을 납품했으나, 생산 능력 부족으로 국내 시장 점유율을 높이는 데 어려움을 겪고 있다. 초전도 선진국의 경우 미국은 2011년 11월 기준으로 American Superconductor와 SuperPower 등 2개 회사가 고온 초전도 선재를 생산 판매하며, Superconductor Technologies는 개발을 완료하고 양산 설비를 설치 중이다. SuperPower는 임계 전류 250A/㎝-W 이상, 길이 1㎞ 이상 선재 제조 기술을 확보했다. 초전도층 증착 방법으로 유기 금속 화학기상 증착법을 사용하는데 여기에 사용하는 원료 가격이 비싸고, 사용하는 연료가 기판에 증착하는 비율이 낮아 원가가 높은 편이다. AMSC는 RABiTS 기판을 사용하며, 유기 금속 증착법 등 액상 공정을 사용하기에 원료의 사용률이 높고, 진공 장비 사용이 적다. 하지만 결함(Defect)을 제어하기 어려운 단점이 있다. 다른 회사들은 12㎜ 폭인데 반해 40㎜ 폭 공정을 취해 광폭화에서 한 발 앞서 있다. 일본은 Fujikura와 Showa에서 초전도 선재 개발을 마치고 생산하고 있으나, 일본 내 연구 개발 및 실증 과제에만 공급해 생산량이나 판매 가격을 파악하기 어렵다. Fujikura에서 IBAD 기판 위에 PLD(Pulsed Laser Deposition) 방법을 이용해 초전도 선재를 제조하는 기술을 개발했다. 600A/㎝-W 이상 높은 임계 전류를 갖고 길이가 600m인 선재를 제조했다. 그러나 고가의 산업용 레이저를 사용해야 하고 증착 속도가 느리다. Showa는 유기 금속 증착법을 사용하면서 멀티 턴 배치 타입을 채용해 생산성이 높은 기술을 개발했다.
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기존 초전도 선재 시장 예측에 포함하지 않던 대전류 응용 분야가 최근 초전도 선재의 대형 수요처로 부상했다. 이와 관련해 미국 AMSC에서 10㎄이상 대전류를 통전하는 고온 초전도 직류 케이블(Tres Amigas Project)과 인터넷 데이터 센터(IDC)용 대전류 초전도 부스 케이블 등 다량의 고온 초전도 선재를 소비할 수 있는 신규 수요처를 발굴해 사업화를 추진하고 있다. 초전도 로드맵에 나타난 초전도 선재의 당면 과제는 초전도 선재의 가격 하락률과 성능 향상 정도가 응용 기기의 개발 속도를 따라가지 못해 관련 기기개발을 지체시킬 가능성이 크다는 것이다. 초전도 선재의 가격은 소재의 가격보다 생산량(생산 설비 규모)에 의존하는 특성이 강하므로, 향후 대규모 생산 설비를 먼저 갖추는 업체가 시장을 독점할 가능성이 있다. 따라서 자본력이 취약한 우리나라 업체는 높은 기술력을 보유하고도 시장 확장기에 도태할 가능성이 있다. 향후 초전도 선재 기술은 자체성능 향상과 수율 향상을 위한 공정 기술 개발로 진행될 것으로 보인다. 현재 선재의 생산 공정이 확립되지 않아 수율이 매우 낮은 상황이므로, 수율 개선만으로도 선재의 공급 부족과 높은 단가에 대한 단기적 대응이 가능하다. 장기적으로 생산 규모를 확충해 공급을 늘리고 원가를 낮출 수 있다. 이 과정에서 기기 업체와 협력을 통해 시장 수요 사양을 반영한 투자가 필수적이다. 또한, 원가 경쟁력을 확보할 수 있는 신공정 개발이 필요하며, 공정에 최적화된 장비 개발을 동시에 진행해 원천 경쟁력을 확보해야 한다.
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저가 고온 초전도 선과 초전도 기기에 적합한 다양한 스펙의 초전도 선재 공급이 시장의 요구 사항이다. 여기에 부응하려면 선재의 성능 향상 및 공급량 증대가 필수적이다. 구리선의 통전 용량은 구리의 물성에 의해 고정된 값을 갖는 반면, 고온 초전도 선재는 성능 향상을 통해 같은 크기의 선에 몇 배의 전류를 흘릴 수 있다. 초전도 선재의 통전 용량인 임계 전류 값을 2배 향상시키는 기술을 개발하면 공급량을 2배 늘리는 효과를 거둘 수 있다. 따라서 에기평은《온실가스 감축 기술 전략 로드맵 2011-초전도》에서 초전도 선재의 성능 향상, 양산 장비 개발, 초전도 선재의 성능에 영향을 미치는 기판/완충층 개발을 핵심 기술로 선정했다고 밝혔다.
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