전기연, '고온초전도 선재' 두께·폭 정밀 연속측정 시스템 개발

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기존 정밀 검사 한계 극복…국제 학술지에 2024년부터 논문 3편 게재

(창원=연합뉴스) 김선경 기자 = 한국전기연구원(KERI)은 극저온기기연구센터 하홍수·박인성 박사팀이 '고온초전도 선재' 두께와 폭을 비접촉 방식으로 정밀하게 연속 측정하는 시스템을 개발했다고 6일 밝혔다.

고온초전도 선재는 종이보다 얇은 수십㎛(마이크로미터) 두께에 길이는 수백ｍ에 달하고 폭은 4∼12㎜인 길고 얇은 테이프 형태다. 특정 온도 이하에서 전기저항이 '0'이 돼 큰 전류를 손실 없이 흘려보낼 수 있는 꿈의 소재로 불린다.

핵융합 장치, 의료용 MRI, 고효율 전력기기 등에 주로 쓰이는 강력한 초전도 자석은 이 얇은 선재를 수백번 이상 촘촘하게 감아서 완성한다.

선재 한 가닥의 두께 차이는 수㎛에 불과하지만, 이것이 수백겹 쌓이면 자석 전체의 크기와 형태에 큰 오차를 유발한다. 두루마리 휴지가 어긋나게 감길수록 한쪽으로 크게 쏠리고, 일그러지는 것과 같은 원리다.

누적된 오차는 자석 특정 부위에 힘을 집중시켜 파손을 일으키거나, 자기장을 불안정하게 만들어 장비 성능을 떨어트린다.

이에 선재의 정밀한 상태 검사가 필수적이지만, 기존 방식은 한계가 뚜렷했다.

접촉식 센서는 선재 표면에 긁힘이나 오염을 유발했고, 비접촉식 방식의 경우 선재가 이송 중 흔들리면 정확한 측정이 불가능해 긴 선재 전체를 한 번에 검사하기가 어려웠다.

결국 정밀 검사를 위해서는 값비싼 선재를 일일이 잘라내 단면을 현미경으로 확인해야만 했다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 영사기 필름처럼 선재를 한쪽 릴에서 다른쪽 릴로 감아 넘기는 '릴투릴'(Reel-to-Reel) 이송 장치에 '상하 대향형 색채 공초점 레이저 센서'를 결합했다.

잉크젯 프린터의 잉크 카트리지가 종이 위를 좌우 왕복하듯, 위아래에 설치된 두 개의 레이저 센서가 선재 표면을 좌우로 빠르게 훑으며 양쪽 표면까지의 거리를 동시에 측정하는 방식이다.

특히 빛을 보내고 받는 경로가 거의 같은 '공초점 레이저' 방식을 채택해 은·구리처럼 빛 반사가 강한 금속 표면도 안정적으로 측정할 수 있다.

여기에 얇은 선재가 흔들림 없이 이동하도록 실시간 장력 제어·속도 자동 보정 기술을 적용하고, 노이즈를 걸러내는 독자적인 데이터 분석 프로그램을 국내 기술로 구축해 시스템의 신뢰성을 높였다.

결과적으로 소재를 일일이 자르지 않고 연속으로 검사하면서, 어느 부위가 얇고 두꺼운지, 가운데가 볼록하거나 오목한지 등 선재의 입체적 형상을 3차원으로 실시간 확인할 수 있게 됐다.

이 기술은 고온초전도 선재뿐만 아니라 이차전지에 쓰이는 구리박·알루미늄박, 금속 압연재, 박막 태양전지, 전자소재용 정밀 필름 등 얇고 긴 형태로 연속 생산되는 다양한 첨단소재 품질 검사에도 적용할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

연구 성과는 초전도 응용 분야 국제 학술지인 'IEEE Transactions on Applied Superconductivity'에 2024년부터 올해까지 총 3편의 논문으로 게재됐다.

ksk@yna.co.kr

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