전자 부품 기술 탐구: 초전도체 LK99에 대한 논란 4 (feat. by 서남)

11. 초전도 케이블의 핵심 소재: 초전도 선재

 

초전도 케이블의 핵심 소재는 초전도 선재이다. 일반적인 케이블은 일정한 굵기의 구리 선을 여러개 묶어서 제조하지만, 앞서 설명했듯이 초전도 물질은 금속이 아닌 세라믹이기 때문에 금속 전선이 갖는 연성이나 전성이 없다. 따라서, 직접적으로 전선으로 만들기 어렵고 전선 형태로 만들어진 금속을 지지대로 삼아 그위에 적층하는 형태로 제조되어야 한다.

 

 

 

따라서, 초전도 케이블에서는 초전도 소재 및 완충 소재를 구리층 위에 여러겹 적층(deposition)한 형태로 만든 '초전도 선재'가 핵심 소재이며, 이를 중심으로 초전도 현상을 유도하기 위한 질소 공급 장치와 절연층등으로 이루어진 복잡한 구조로 구성되어 있다.

초전도 전력케이블

 

현재 보급되어 있는 구리선은 자체의 고유전기저항에 의한 열 발생으로 인하여 흘릴 수 있는 최대전류가 제한 을 받는다. 일반적인 전력케이블에 사용되는 구리선의 경우 발열 문제없이 흘릴 수 있는 전류는 1 mm2 의 단위 면적당 3 A 미만에 불과하다.

 

고온초전도선재의 실용적인 가장 큰 장점은 일정온도 이하에서 구리 선재와 비교 하면 같은 단면적에서 전력 손실 없이 수백 배 이상의 큰 전류를 흘릴 수 있는 높은 임계전류밀도를 가지고 있다는 점이다. 이것을 이용하면 에너지 손실이 없는 전력 기기를 만들 수 있을 뿐만 아니라 작은 부피로 훨씬 큰 전력을 운용하는 전력기기를 만들 수 있다.

 

초전도 선재 개발에 있어 상용화에 요구되는 특징은

 

1) 임계전류가 500 A/cm-width 이상이고,

2) 기계적 강도가 우수하여야 하며,

3) 1 km 이상의 장선화가 가능하여야 한다.

4) 또한 초전도 선재의 상용화 여부는 일정 수준의 특성을 유지함과 동시에,

5) 비스무스 산화물 계열의 1세대 초전도선이나 구리선과 비교하여 가격이 낮아야만 기존의 기기를 초전도 선재로 대체할 수 있다.

 

초전도체는 저온 초전도체와 고온 초전도체가 있는데,

- 저온 초전도체의 기준은 임계온도가 액체헬륨의 끓는점(섭씨 약 -270도)보다 높은 온도에서 초전도체 현상이 나타나는 물질

- 고온 초전도체의 기준은 임계온도가 액체질소의 끓는점(섭씨 약 -200도)보다 높은 온도에서 초전도체 현상이 나타나는 물질이다. 고온 초전도체도 1세대와 2세대가 있지만, 최근 언급되는 고온 초전도체는 주로 2세대를 의미한다.

 

초전도 송전 운용에 반드시 필요한 액화질소 냉각설비.

 

 

이 부분이 중요한 것은 비교적 저렴한 액체질소를 활용해 낮출 수 있는 온도에서 초전도체 현상이 일어나야지만, 그나마 상용화 가능성이 높기 때문이다. 하지만, 액체 질소의 끓는점도 여전히 매우 낮은 온도(-200도)이기 때문에, 이러한 온도를 유지하기 위해서는 액체 질소를 계속 공급하거나 그 온도를 유지하는 sealing system/구조가 적용되어야 하며, 이러한 것 역시 제조 비용과 운영 비용을 상승 시키는 요인이다. 물론 액체 헬륨보다는 훨씬 저럼하기는 하다. 

 

최근 논란이 된 lk99가 주목받은 이유도 이보다 훨씬 높은 온도에서 초전도 현상이 일어날 수 있는 가능성을 보여줬기 때문에, 상용화 관점에서 훨씬 가능성이 높아진다고 보았기 때문이다.

 

 

 

 

12. 초전도 선재의 개발

 

기존 구리선 기술의 한계를 넘어 설 수 있는 2세대 초전도 선재, coated conductor(CC)의 개발은 초전도 산업화 기술 확보차원의 초전도 관련 기반 기술로서 선행되어야 할 핵심 기술이다. 또한 초전도 선재의 개발은 많은 공정기술과 평가기술이 요구되고, 여타의 기반산업으로의 파급효과가 큰 기간 기술이다.

 

생산중인 초전도 선재

 

 

12.1. 초전도 선재의 소재 기술

 

합금계의 Nb-Ti와 A15형 금속간화합물계인 Nb3Sn의 두 가지가 현재 선재로서 실용화되고 있다.

 

Nb-Ti 합금선재는 발생자계가 9T로 제한된다는 단점이 있으나, 안정화소재인 동(Cu)과의 복합 일체화가 용이하기 때문에 신뢰성이 높아 선재로서 실용화되고 있다. 또 상대적으로 염가이고 취급이 쉬워 의료용 MRI, 고에너지 가속기 그리고 자기부상열차 등 다방면에서 사용되고 있다.

 

Cu-Sn 매트릭스에 Nb심을 박아 가공한 뒤, 열처리하여 계면에 Nb3Sn층을 확산반응으로 생성한다. 이 Nb3SN는 10T 이상의 고자계가 필요한 경우에 Nb-Ti선재 대신으로 사용된다. Ti의 첨가로 고자계 특성이 개선되어, Ti첨가 Nb3Sn으로 22T 가까운 매우 강한 자장을 발생시키고 있다.

 

Nb3Sn과 같은 A15형 결정구조인 금속간 화합물인 Nb3Al은 화학론적 조성이 불안정하여 임계온도가 높은 선재 제작에 어려움이 있었으나, 복합가공법, 분말법, Jelly-Role법 등의 기법으로 Nb와 Al의 미세한 복합체를 제작하면 1,000℃이하의 비교적 저온에서 임계온도가 높은 Nb3Al을 얻을 수 있다.

 

최근에는 연속적인 급열급냉변태법(RHQT : Rapid-Heating, Quenching and Transformation)으로 실용가능한 장 척의 다심선재가 만들어지게 되었다.

 

금속튜브 속에 MgB2분말이나 Mg와 B의 혼합분말을 봉입하여 가공하는 Powder-in-tube(PIT) 기법으로 MgB2 초전도선재가 제작되고 있다. 혼합분말을 사용하기 위하여 열처리를 해야 하기 때문에 금속관의 선택에 어려움이 따르나, 조직제어가 용이하여 높은 임계온도를 얻고 있다. 그러나 자장을 걸면 임계온도가 급격하게 내려가는 단점이 있어 자장 내에서의 사용에는 어려움이 따른다. SiC의 나노입자를 첨가하여 Pinning 억지력을 향상시켜 고온자계특성을 개선시키고 있다.

 

최근에는 비스무트계 산화물 고온초전도체가 결정입계 약결합 문제가 비교적 작고, 결정배향이 용이하기 때문에 선재화가 가장 많이 되고 있다.

 

임계온도 80~95K인 Bi2Sr2Ca1Cu2Ox(Bi-2212)와 임계온도 100~115K인 Bi2Sr2Ca2Cu3Ox(Bi-2223)의 서로 다른 조성의 초전도상이 있다. 분말을 은(銀)관에 채워 가공하는 은피복법(PIT)이 일반적인 제조법이다. 수 100m에서 수 1,000km급의 장척선재가 미국, 유럽 중국 및 일본에서 생산되게 되었다.

 

원료분말을 은관에 채운 뒤, 선인(線引)과 압연 등의 방법으로 테이 프모양으로 가공하고, 결정방위를 맞추기 위하여 Bi-2212에서는 용융 응고처리를 최종적으로 가하고, Bi-2223에서는 압연과 중간소둔 (Process Annealing)을 적절하게 조합하여 실시한다.

 

비스무트계산화물 고온초전도체도 MgB2처럼 자장속에서 온도의 상 승에 따라 임계온도가 급격하게 내려가는 단점을 가지고 있다. 따라서 현재로서는 77K 액체질소온도에서의 이용에는 자장의 영향을 적게 받는 송전케이블이나 리드선용으로 한정되게 된다. 따라서 강자장에서의 이용은 20K 액체헬륨온도 이하에서 Nb-Ti나 Nb3Sn이 사용 되게 된다. 그러나 20K 헬륨온도에서는 비스무트계산화물 고온초전 도체는 Nb3Sn으로는 달성하기 곤란한 고자계를 발생시킬 수 있다.

 

이트륨(Y-1213)계산화물 고온초전도체는 결정입계간 약결합 문제가 있어, 높은 수송임계온도를 갖는 선재를 얻기 위하여 Ion Beam Assisted Deposition(IBAD)법이나 Inclined Substrate Deposition(ISD)법이라 불 리는 성장지향 증착법이 개발되었다. Rolling Assisted Bi-Axially Textured Substrate(RABiTS)법이라 부르는 금속기판의 집합조직을 그 대로 이용하는 방법도 있다. IBAD와 레이저증착법으로 47m의 장척테 이프 제작에 성공한 바 있다.

 

 

12.2. 초전도 선재의 공정 기술(feat. by 서남)

 

초전도 선재 제조업체 서남의 공장에서 직원이 생산공정을 들여다보고 있다

 

고온 초전도 선재의 초전도층은 MOCVD (미국 SuperPower, 일 본 Chubu Electric Power Company), MOD (AMSC, 일 본 SRL, 일본 SWCC, 프랑스 Nexans), PLD (일본 SRLNCCC, 미국Los Alamos 국립연구소, 일본Fujikura, 독일 Bruke), co-evaporation (독일THEVA, 이태리Edison, 한국 전기연구원) 등의 공정으로 제조되고있으나, 현재 양산 기술을 보유한 회사는 전 세계적으로 미국의 American Superconductor (NASDAQ 등록)와 SuperPower 등 두개 회사 뿐이며, 국내에서는 (주)서남이 유일하다.

 

서남은 GdBa2Cu3O7-δ (GdBCO) 초전도 선재를 제조할 수 있는 파이롯트 라인을 구축하였으며 현재 1 km 급 수 준의 고온초전도 선재를 생산할 수 있는 기술을 확보하였다. ㈜서남에서 생산중인 고온초전도 선재의 모식도를 아래 그림에서 나타내었다.

 

 

특히, 하스텔로이나 스테인레스강 금속 기판 위에 여러 개의 완충층을 증착하고 고속 (~360 m/h, 4 mm 폭 기준)으로 GdBCO 초전도상을 연속으로 형성할 수 있는 RCE-DR (Reactive Co-evaporation Deposition & Reaction) 기술을 세계에서 최초로 개발하여 2011년에 920 m 길이의 GdBCO 초전도 선재를 제조하여액체질소온도에서의최저임계전류값355 A/cm 를 달성하였다(Ic × L = 326,600 A·m).

 

RCE-DR 공정은 기존의 초전도 선재 생산방법과 차별되는 방법으로 비정질의 금속물질을 E-beam evaporation 법으로 증착시킨 후 특수하게 제작된 열처리로를 이용하여 결정화가 잘 이루어진 초전도 선재가 생산될 수 있게 만든 획기적인 초전도 선재 제작법으로, 공정의 개략적인 모습을 Fig. 3에 나타내었다.

 

 

이 때 증착된 비정질 막은 아래 그림에 나타난 상평형도를 바탕으로 화살표와 같은 경로를 따라 열처리되어 초전도막으로 성장하게 된다. 서론에서 언급했듯이 초전도 선재의 응용 범위가 넓어 지기 위해서는 임계전류특성 향상이 필수적 요소이다.

 

 

아래 그림은 RCE-DR 공정으로 제작된 초전도 선재의 Ic 측정 결과이다. 아래에서 알 수 있듯이 RCE-DR 공정으로 생산된 초전도 선재의 임계전류특성은 900 A/12 mm로 이미 세계 최고수준에 도달해있다. 하지만, 실제전기, 전력기기계 통의 응용에서는 자기장 하에서의 임계전류 값이 중요한 요소이다.

 

 

전세계적으로 많은 그룹들이 초전도 상 내부에 2차상의 크기, 형상 및 분포를 제어하여 자속고정점의 역할을 극대화시켜 자기장 하에서의 고임계전류를 얻 으려 하고 있다. 하지만 아직 장선에서의 연구 보고는 많지 않은 상황이며, 특히 RCE-DR 공정에는 공정속도가 매우 빠른 대신 아직까지 효과적인 나노피닝점을 도입하 지 못한 실정이다.

 

따라서 이에 대한 추가적 연구를 통하여 고자기장하에서의 초전도 전류 수송특성을 개선하는 일이 필수적이라 할 수 있다. 또한 REBCO 초전도체의 근본적 물성에 의해 c축과 평행한 방향의 피닝특성을 극대화한 것이 중요한 요소인데, 현재까지 c축 평행한 nanorod 형태의 자속고정점은 PLD 및 MOCVD 공정에 한정되어 있다.

 

대면적 공정에 적합하여 가격적 측면에 유리한 MOD 공정 및 새로 개발된 RCE 공정에서의 nanorod 형태의 자속고정점 도입은 현재의 고온초전도 선재의 특성을 한 단계 발전시키는 중요한 연구가 되었다.

 

초전도 물질은 분자 배열에 따라 성능이 달라지기 때문에 단번에 쌓다 보면 분자 배열이 흐트러질 수 있어 원하는 성능을 얻는 것이 불가능하다는 지적을 받은 공법이었지만, 서남의 연구팀은 초전도 물질에 압력을 순식간에 높이는 방식으로 분자 배열을 규칙적으로 만드는 데 성공했다. 서남은 2011년 4월 세계 최초로 초전도선을 1시간에 500m 이상 생산하는 기록을 세웠다.

 

 

 

13. 국내 초전도 선재 기술의 수준(feat. by 서남)

 

서남의 2G HTS 선재는 국제에너지기구(IEA)가 인정한 세계 최초 초전도 케이블 상용화 프로젝트인 흥덕~신갈 1.1㎞ 변전소 프로젝트에 사용됐다. 이후 문산~선유 2㎞ 송전 플랫폼 프로젝트에서도 초전도 선재 공급처로 선정됐다. 한국전력 LS전선과 함께한 위 프로젝트에서 서남은 초전도 선재 300㎞ 이상을 공급하며 대한민국의 초전도 기술이 한 단계 올라서는데 중추적 역할을 했다.

 

문승현 대표

 

문승현 서남 대표는 "우리는 지금 지구 온난화로 비롯된 극심한 기후변화 시대에 살고 있다"며 "지금도 우리가 윤택하고 편리한 생활을 위해 많은 에너지를 소비하고 있는 만큼 어떻게 친환경적인 에너지를 개발하고, 효율적으로 사용해야 하는지 고민해야 한다"고 말했다. 그러면서 "이는 후손에게 물려줄 세상 같은 이상적인 꿈이 아니라 탄소 제로를 실천하지 못하면 당장 국가적 불이익이 다가올 수 있다는 현실의 이야기"라며 "서남은 미래의 에너지 생산, 전달, 이용의 패러다임을 바꾸기 위해 하루하루 정진해 나아갈 것"이라고 강조했다.

 

 

출처: 매일경제, 한국전력, 서남, 한국과학기술정보원

 

뜨리스땅

 

 

https://www.youtube.com/watch?v=9IQvItfnH6k 

 

 

 

 

https://tristanchoi.tistory.com/466

전자 부품 기술 탐구: 초전도체 LK99에 대한 논란 3 (feat. by LS전선)