[차세대 고온 초전도 선재 개발 현황과 응용 전망] 차세대 고온 초전도 선재의 특징과 연구 개발 동향
개요
1986년 산화물 초전도체 발견 후 약 20년이 흘렀다. 그동안 많은 산화물 초전도 물질이 발견되어 임계온도(Tc)가 급격히 상승했다. 그 중에서도 Tc가 77K(액체질소의 끓는점)를 초과하는 물질에 대해서는 저렴한 액체질소를 냉매로 사용할 수 있으므로 실용화 연구 범위가 넓어졌다. 77K 이상의 Tc를 가진 산화물 초전도체에는 주로 RE123계(RE는 희토류원소), 비스무트(Bi)계, 탈륨(Tl)계, 수은(Hg)계가 있다. Tc는 대표값으로 이트륨(Y) 123(YBa₂Cu₃Ox)에서 93K, Bi2223(Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃Ox)에서 110K, T12223(Tl₂Ba₂Ca₂Cu₃Ox)에서 125K, Hg1223(HgBa₂Ca₂Cu₃Ox)에서 135K가 된다. 이 중 Hg계와 Tl계는 Hg, Tl 자체의 독성 때문에 실용화 연구가 발전되지 않고 현재까지 주로 Bi계와 RE123계에서 실용화 연구가 진행되고 있다. 선재 개발에서는 Bi계 은(銀) 시스 선재가 선행되고 있으며, 1000m급 장척 선재 제작에 성공함과 동시에 마그넷 및 케이블 등 선재를 이용한 전력 응용기기가 시험 제작되고 있다. 그러나 <그림 1>에서 알 수 있듯이, Bi계 선재(대표적으로 Bi2223)는 임계에 의한 Jc 특성 저하가 커 특히 77K의 고온 영역에서는 1T 외부 자계 인가에 의해 2항 이상의 특성 저하에 이른다. 따라서 자계 중에서 사용되는 기기를 비롯하여 실용적으로 20K 정도에서의 응용이 예상되고 있다. 이런 Bi계의 약점인 낮은 Jc 특성을 극복하기 위해, 현재 액체 질소 온도에서 강자계 하에서도 대전류를 흘릴 수 있는 RE123계 선재의 연구 개발이 이루어지고 있다. Y123으로 대표되는 RE계 초전도체는 자계 중에서의 Jc 특성이 우수하고 외부 자계 3T에서도 Jc저하는 1항 정도다. 또 은 시스가 필요 없어 저코스트화가 가능하기 때문에, Bi계 은 시스 선재의 다음을 담당하는 선재라고 하여 ‘차세대 고온 초전도 선재’로 불린다.
일본에서 차세대 선재 개발은 경제산업성 국가 프로젝트를 중심으로 산업계가 하나가 된 체제 하에서 수백 m급으로 고특성 선재 제작 프로세스가 확립되고 있다. 여기에서는 국내외 차세대 초전도 선재의 연구 개발 동향 및 그 응용에 대해 설명한다.
차세대 고온 초전도 선재의 특징과 개발 과제
전력 응용으로 기대되는 차세대 선재 개발에 있어서는 Jc 특성이 중요하다. Y123 재료에서는 결정 방위에 따라 Jc-B 특성이 다르기 때문에 결정립의 배향을 갖출 필요가 있다. 게다가 일축 배향(예를 들어 c축)만으로는 불충분하므로 면 내 배향까지 포함된 2축 배향을 실현할 필요가 있다. 또 세라믹 재료이기 때문에 선재화에 그 자체로는 장척화되기는 어려워 금속 테이프 또는 파이프 등 기재가 필요하다. Bi계 재료로는 은 파이프에 충전한 재료를 압연 가공하여 선재화하고 배향화 · 치밀화하는 데 반해, Y123 선재의 경우 이 방법으로는 선재화하기 어렵기 때문에 <그림2>와 같은 기본 구조를 예상하고 있다. 여기서 금속 기재상의 산화물 중간층은 초전도상과 금속과의 반응을 억제하기 위한 역할을 담당하고 있다. 이 구조는 층상 구조를 취하고 있고 복수의 층이 표면을 덮고 있기 때문에 ‘Coated Conductor’라고 불린다. 차세대 선재 개발의 요소 기술은 크게 2축 배행한 산화물 중간층에서 뒤덮인 장척 금속 테이프 제작 기술과 테이프상에서의 고 Jc 초전도층성막 기술로 나뉜다. 전자의 기술에는 크게 두 개의 접근법이 있다. 하나는 기판인 금속 테이프의 결정립을 배향시킨 방법이고, 또 다른 방법은 특수한 성막 방법에 의해 결정립 무배향 금속 테이프상에 배향 중간층을 형성하는 방법이다.
차세대 선재 개발에서는 성막 속도, 균일성 · 안정성 등 장척 제조 조건의 제어성, 선재 총 단면적당 전류밀도(Je) 향상, 코스트 저감 등이 큰 기술 과제로 남아 있다. 이에 입각한 프로세스 요소 기술인 금속 기판 배향화 기술, 중간층 배향화 성막 기술 그리고 초전도층 성막 기술의 확립이 필요하다. 따라서 재료 선정 및 이런 제조 프로세스 조합의 최적화, 기기 응용화 기술 확립이 선재 실용화에 있어 해결해야 할 과제다.
전 세계 차세대 고온 초전도 선재의 개발 동향
고온 초전도 재료의 전력 · 산업 응용은 Bi계 선재로 선행되고 있지만, 앞으로는 차세대 선재로 교체되어 확대될 것이라는 인식이 세계적으로 정착되고 있다. 차세대 선재 개발은 일본에서는 신에너지 산업기술종합개발기구(NEDO)에서 ‘초전도 응용 기반 기술 연구 개발(제2기)’프로젝트(2003년~2007년)의 일환으로 진행됐다. 이는 국제 초전도 산업 기술연구 센터(ISTEC), 스미토모(住友)전공, 후지쿠라(Fujikura)사로 위탁됐으며, 또 다시 선재 각사, 전력회사, 대학으로 재위탁 · 공동 연구되면서 산 · 학 · 관이 하나가 되어 진행되고 있다. 이 프로젝트에서는 기기 실용화로 이어질 수 있는 기술 레벨로 길이 500m 이상, 자기 자계 하에서 임계전류 값(Ic) 300A 이상, 3T의 자계 속에서 30A 이상(1㎝ 테이프 폭, 77K)의 선재를 제조 속도 5m/h 이상으로 제조하는 기술 개발을 목표로 하고 있다. 한편 미국에서는 에너지 정책의 일환인 ‘에너지성(DOE) 프로젝트’에 의해 Los Alamos 국립연구소(LANL) 및 Oak Ridge 국립연구소(ORNL)가 중심이 되어 American Superconductor(AMSC)사, Super Power사 및 대학이 공동으로 기술 개발 중이다. 또 유럽 및 한국, 중국도 앞서 열거한 개발 과제 극복을 목표로 치열한 개발 경쟁을 전개하고 있다.
1. 기판 배향화 기술 Y계 선재의 고특성화에 필요한 결정립 배향 조직을 위한 방법 중 하나는 금속 기판에 결정립 배향성을 부여한 기술이다. 이것은 Ni 및 Ag 등의 금속에 대해 강(强)가공을 실시하여 재결정화 열처리로 배향 조직을 가지는 방법이다. 현재는 배향성의 높이에서 Ni기 합금이 주류가 되고 있다. 미국 ORNL이 중심이 된 연구 그룹은 RABiTS(Rolling Assisted Biaxially Textured Substrates)법을 개발하고 텅스텐(W) 및 크롬(Cr) 등과의 합금화를 진행하고 있다. 최근 Ni 3at%W(텅스텐을 3at% 첨가한 니켈) 합금 테이프를 이용한 개발로 큰 진전이 있었다. 비자성화는 완전하지는 않지만, 결정립 지름을 대폭 줄이는 데 성공하여 면 내 배향도(配向度)로서 △ф(X선 회절에서 ф 스캔의 반가폭)에서 5°이하의 고배향 조직을 가진 테이프로 강도가 순 Ni의 약 5배인 150㎫임을 확인했다. 이 기판 배향형 선재에는 초전도층과의 반응 억제 및 격자 정합성 향상의 관점에서 산화물 중간층이 필요하다. 중간층 간소화와 저코스트화도 과제 중 하나다. 이에 대해 저렴한 화학 액상법인 MOD(Metal Organic Deposition)법에 의한 중간층 성막이 주목 받고 있다. ORNL과 AMSC사의 연구 그룹은 상술한 Ni-3at%W 기재 상에 MOD법에 의한 CeO₂/La₂Zr₂O7층 및 내산화력이 우수하여 비교적 산소 확산이 늦은 Ir 금속을 매개로 La0.7Sr0.3MnO₃(LSMO)층을 성막하는 방법을 개발중이다. 한편 일본에서는 쇼와전선전람(SWCC)이 ORNL과 동등한 Ni-3at%W 합금에 의한 배향 기판 기술 개발에 착수하여 압연, 열처리 조건을 적정화함으로써 △ф가 8°로 평탄도(Ra) 10㎚을 달성했다. 또 후루카와(古河)전공에서는 더욱 더 고강도화, 약자성화하기 위해 W 농도가 높은 배향 기재제작 프로세스의 개발을 진행하여 Ni-9at%W 합금에서 고배향(△ф=9°)을 실현하고, 최근에는 전해 연마를 포함한 복합연마 방법에 의해 Ra로 6㎚의 고평탄성을 실현하고 있다. 고강도, 비자성 재료를 심으로 표면에 강가공, 열처리를 실시한 Ni 금속(클래드 재료) 개발에도 착수하여 100m 길이의 기재를 얻었다.
2. 중간층 배향화 기술 Y계 초전도체의 결정립 배향 조직을 얻기 위해 결정립 무배향 금속 기판 위에 결정 배향한 중간층을 설치하는 기술도 개발되고 있다. 이 기술에는 기판 경사법(ISD : Inclined Substrate Deposition)과 복합조사법(IBAD : Ion Beam Assisted Deposition)이 있다. ISD법은 성막 시 기판을 경사시키는 것만으로 2축 배향을 얻을 수 있는 방법이며, 일본 스미토모 전공에서 개발됐다. 그러나 상층 초전도막의 고특성화가 어려워 Jc가 약 1만A/㎠에 이른다. 미국 아르곤 국립 연구소(ANL), 유럽 뮌헨 공과대학(TUM)과 THEVA사에서 모두 ISD-MgO를 이용한 고배향화 연구 개발을 진행 중이다. 한편 IBAD법은 스퍼터링 기법(Sputtering Method) 등에 의해 성막 시 특정 각도에서 저에너지의 어시스트 이온빔을 조사하는 것으로 무배향기판상에 2축 배향 중간층을 성막하는 방법이며, 일본 후지쿠라사에서 개발됐다. 당초 YSZ(Yttria Stabilized Zirconia) 재료로 이루어졌으며, 기판 수직 방향으로 YSZ의 ‘100’축이 배향하여 어시스트 이온빔 방향으로 ‘111’축이 배향한 결과 2축 배향한 YSZ층이 형성된다. 그러나 고배향화에는 장기간 성막이 필요하다. 이 과제에 대해 후지쿠라사에서는 Gd₂Zr₂O7(GZO)을 이용하면 YSZ에 비교해 성막 시간이 약 절반 정도가 되는 것을 발견했다. 이 방법으로 제작된 중간층은 결정립 경사가 없는 높은 배향입 조직을 얻을 수 있어 결정립 지름이 상당히 낮고 장척화에 적합한 특성을 나타낸다. 더욱이 고속화요구에대해ISTEC-SRL(Superconductivity Research Laboratory)에 있어 혁신적인 기술 개발이었다. 얇은 IBAD 중간층상에 PLD법(PLD : Pulsed Laser Deposition)에 의해 고속으로 CeO₂층을 성막함으로써 단기간에 고배향 조직을 얻을 수 있게 돼 △ф로 4°정도까지 면 내 배향이 향상됐다.(<그림 3> 참조)
한편 독일에서는 Gottingen 대학과 ZFW가 IBAD-YSZ 중간층상에 고속 PLD법으로 초전도층을 형성하는 방법을 개발 중이다. 미국에서는 LANL이 중심이 되어 제1층에 Y₂O₃을 고루 배치하고 그 후 IBAD-MgO층을 성막하는 것으로 후막시 결정 배향이 향상됨을 밝혀냈다.
3. 초전도층 성막 기술 초전도층 성막 기술로는 현재 PLD법, 트라이플루오린화 아세트산(Trifluoroacetic Acid)을 원료로 한 MOD법(TFA-MOD법) 또는 유기 금속염을 이용한 화학 기상 성막(MOCVD : Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 등이 주류가 되고 있다. PLD법으로는 고속 성막이 어렵고 후막(厚膜)화에 따라 결정성, Jc 특성이 노화한다는 문제가 있었다. 제조 속도에 관해 ISTEC-SRL에서는 PLD법으로 멀티 플룸화를 행함과 동시에 멀티턴화하는 방법으로 제조 속도 향상에 성공했다. 또 고Ic화를 위한 후막 제작 시 결정성 저하가 초전도층 표면 온도의 저하에 기인하고 있음을 발견하고 고온 조건을 적정화하여 후막화함으로써 짧지만 480A의 Ic값을 달성했다. 한편 저코스트화를 목적으로 한 화학용액법과 화학기상법에 의한 초전도층 형성 기술 개발도 활발해지고 있다. MOD법은 유기 금속염을 적당한 용매로 용해한 요액을 기판 위에 도포 · 연성하여 초전도층을 형성하는 방법으로, 진공 환경을 필요로 하지 않으므로 저코스트를 기대할 수 있다. 특히 TFA-MOD법은 미국 MIT 그룹이 10여 년 전부터 연구에 착수해, 현재는 ORNL 및 AMSC사의 연구 그룹이 중심이 되고 있다. 일본에서는 SRL사와 함께 SWCC사가 같은 연구를 진행하여 PLDCeO₂/ IBAD-GZO 중간층상에서 단척이지만 508A의 Ic 특성을 달성했다. 또 장척에서는 40m로 155A를 얻었다. 한편 MOCVD법은 일본 주부(中部)전력에서 개발이 이루어져 동일한 CeO2₂/GZO 기판상 YBCO막에서 197m로 90A의 특징을 얻었다. 같은 방법으로 원료 공급 시스템의 다단화에 의한 고속 성막이 가능해져 수십 m/h를 달성했다. 또 SuperPower사에서는 MgO를 포함한 복수의 중간층을 배포한 후에 같은 방법으로 초전도층을 형성한 선재에서 약 107A의 Ic값을 가진 200m급 선재를 제작하고 있다. <표>는 현재 전 세계에서의 차세대 선재 개발 상황을 나타낸 것이다. 현재 세계 각국에서 여러 가지 조합에 의해 선재개발이 이루어지고 있다.
Y계 초전도 선재를 사용한 초전도 기기 요소 기술 개발
Y계 초전도 선재는 다른 초전도 선재와 비교해 다음의 네 가지 특징이 있다. ① 액체질소 온도에서 자계 중 고임계전류 특성 ② 고강도 금속 기판 사용에 의한 고기계 강도 ③ 선재 제작 후 세선화 등 후가공에 의한 저교류 손실화 기술의 적용성 ④ 안정화 층으로서의 은과 같은 귀금속 사용량
저감 및 고임계전류 밀도 특성이라는 장점으로 인한 향후 저코스트화 전망 일본 경제산업성 NEDO의 초전도 응용 기반 프로젝트에서는 2006년부터 2년간, 다음과 같이 응용기기를 상정하여 선재 개발의 실용화를 목적으로 하고 있다. 초전도 선재의 응용 기기로는 ‘초전도 송전 케이블로 대표되는 교류 대전류 도체’, ‘ 변압기로 대표되는 교류코일’, ‘ 전동기 · 발전기로 대표되는 초전도회전기’, ‘ 상전도시 저항선재를 사용한 한류계’로 구별하고, 기기 요소 기술 개발을 진행하여 선재 개발에 피드백 작용과 함께 연구 개발할 계획이다. 또한 직류 마그넷에의 적용에 관해서는 전동기의 계자 권선 코일 개발에 포함될 것으로 본다. 그리고 SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage System) 전력 저장 개발 프로젝트와도 연계하여 고자계 마그넷 개발도 추진한다. Y계 초전도 선재를 사용한 기기의 동작 온도는 그 우위성을 충분히 발휘하기 위해 40~77K로 상정되기 때문에 그 온도역에 대응한 냉동기의 개발도 동시에 진행된다. 각 요소 기기 개발에 대해서는 아래의 연구 과제를 해결하기 위한 방법이 연구되고 있다. ① 초전도 케이블 요소 기술 개발에서는 케이블도체로서의 교류 손실 저감(0.1~0.2W/m), 허용 단락 조건(31.5㎄×2s), 1μΩ 이하의 도체 속 저항값 달성을 목적으로 한다. ② 초전도 변압기 요소 기술 개발에서는 다층 코일화에서의 교류 손실 저감, 66㎸급/6.9㎸ 변압기를 상정한 권선 1차/2차 간 교류 내전압 140㎸, 낙뢰 임펄스 내전압 350㎸을 목표로한 절연 기술, 다층 다병렬 권선에서 20㎹A 2차 측(6.6㎸) 전류를 상정한 고코일 전류(1㎄급)에는 요소 모델 코일에서의 실증을 목표로 한다. ③ 초전도 모터 요소 기술 개발에서는 자계 로터 권선을 초전도화함과 동시에 회전체의 냉각 방식, 냉매 공급 방법을 확립하여 상전도 전기자 코일을 사용한 회전을 확인한다. 또 초전도 전기자 코일의 저교류 손실화를 선재 분할에 의한 실현 원리 검증을 행한다. ④ 초전도 한류기 요소 기술 개발에서는 사용 선재량의 저감과 교류 손실 저감 등에 의해, 기기의 대폭적인 소형화 · 저코일화를 실현할 만한 Y계 초전도 선재에 대해 상전도 상태의 고저항화(상온 저항 0.1Ω/m 이상), 내과전류(2×Ic, 2ms), 100Apeak의 교류 통전, 또 한류 코일 기기의 실증으로서 3.8㎸ 인가에서 병렬 권선 무유도 코일에서의 한류 동작 인가를 목적으로 한다. ⑤ 냉각 요소 기술 개발에서는 유지 보수 간격이 긴 터빈 냉동기의 소형화를 냉각 시스템 능력으로 2㎾@70K에서 실증함과 동시에 장수명화 및 냉각 효율로서의 COP(Coefficient of Performance) 향상을 위한 과제 추출과 해결을 전망하는 데 목적을 두고 개발 추진한다.
마무리
일본과 유럽에서의 차세대 고온 초전도 선재 연구개발 현황에 대해 설명했다. 이트륨(Y)계로 대표되는 차세대 고온 초전도 선재는 금속계 초전도 선재에 비해 임계온도가 높고 비스무트(Bi)계 초전도재와 비교해도 앞에서 열거한 바와 같은 우위성을 가지고 있어, 전 세계적으로 개발 경쟁이 치열해지고 있다. 최근 들어 실용화 레벨의 선재 제작이 예상되는 단계에 도달했다. 실용화에는 기기의 요소 개발과 병행한 선재 제작 기술 개발이 불가결하다. 선재 개발이 진전되면서 100m-100A급 선재 공급이 가능한 기술 레벨에 도달한 지금에야말로 기기화 개발요소 연구에 착수하여 초전도를 전력 · 산업 분야로 전개할 때다
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