박인성(왼쪽부터)·하홍수 KERI 박사가 고온초전도 선재를 들고 3D 비접촉 초정밀 검사 장비 옆에서 포즈를 취하고 있다.(사진=한국전기연구원)
고온초전도 선재는 특정 온도 이하에서 전기저항이 0이 돼 큰 전류를 손실 없이 흘려보낼 수 있는 소재다. 핵융합 장치, 의료용 자기공명영상(MRI), 고효율 전력기기 등에 쓰이는 초전도 자석의 핵심 부품으로 활용된다. 일반 A4 용지보다 얇은 수십㎛ 두께에 폭은 4~12㎜인 길고 얇은 테이프 형태다.
초전도 자석은 이 얇은 선재를 수백번 이상 감아 만든다. 선재 한 가닥의 두께 차이는 수㎛에 그치지만, 여러 겹 쌓이면 자석 전체의 크기와 형태에 큰 오차를 만들 수 있다. 누적된 오차는 자석 특정 부위에 힘을 집중시켜 파손을 일으키거나 자기장을 불안정하게 해 장비 성능을 떨어뜨릴 수 있다.
기존 검사 방식에는 한계가 있었다. 접촉식 센서는 선재 표면에 긁힘이나 오염을 유발할 수 있고, 비접촉식 방식은 선재가 이송 중 흔들리면 정확한 측정이 어려웠다. 정밀 검사를 위해 값비싼 선재를 잘라 단면을 현미경으로 확인해야 하는 비효율도 있었다.
고온초전도 선재의 상태와 형상을 확인하는 3D 비접촉 초정밀 검사 장비(사진=한국전기연구원)
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 선재를 한쪽 릴에서 다른 쪽 릴로 감아 넘기는 ‘릴투릴(Reel-to-Reel)’ 이송 장치에 ‘상하 대향형 색채 공초점 레이저 센서’를 결합했다.
위아래에 설치된 두 개의 레이저 센서가 선재 표면을 좌우로 빠르게 훑으며 양쪽 표면까지의 거리를 동시에 측정하는 방식이다. 빛을 보내고 받는 경로가 거의 같은 공초점 레이저 방식을 채택해 은이나 구리처럼 빛 반사가 강한 금속 표면도 안정적으로 측정할 수 있도록 했다.
여기에 얇은 선재가 흔들림 없이 이동하도록 실시간 장력 제어와 속도 자동 보정 기술을 적용했다. 노이즈를 걸러내는 자체 데이터 분석 프로그램도 국내 기술로 구축해 측정 신뢰성을 높였다.
새 시스템은 선재가 시간당 100m 속도로 이동하며 진동하는 환경에서도 측정 오차를 ±1.5㎛ 이하로 억제했다. 센서 이동 속도를 초당 4㎜ 이하로 제어하면 반복 측정 오차는 0.2㎛ 이하 수준까지 줄어든다.
이를 통해 귀중한 소재를 자르지 않고도 어느 부위가 얇고 두꺼운지, 가운데가 볼록하거나 오목한지 등 선재의 입체 형상을 3차원으로 실시간 확인할 수 있다.
박인성 KERI 박사가 3D 비접촉 초정밀 검사 장비를 통해 고온초전도 선재의 두께와 폭을 확인하고 있다.(사진=한국전기연구원)
이번 기술은 고온초전도 선재뿐 아니라 얇고 긴 형태로 연속 생산되는 첨단소재 품질 검사에도 적용할 수 있다. 이차전지에 쓰이는 구리박·알루미늄박, 금속 압연재, 박막 태양전지, 전자소재용 정밀 필름 등이 대표적이다.
연구팀은 앞으로 실시간 측정 데이터를 생산 장비와 연동해 도금이나 압연 등 공정 조건을 자동으로 조절하는 스마트 품질관리 기술로 발전시킬 계획이다.
연구 성과는 초전도 응용 분야 국제학술지 ‘IEEE Transactions on Applied Superconductivity’에 2024년부터 2026년에 걸쳐 총 3편의 논문으로 게재됐다. 전해연마, 코팅, 구리도금 등 실제 제조 단계별로 선재의 형상 변화를 3차원으로 분석하고 공정 개선 방향을 제시했다는 설명이다.
KERI는 미국 특허 등록을 포함해 국내외 특허 출원도 마쳤다.
하홍수 KERI 박사는 “고온초전도 선재의 미세한 두께 오차는 육안으로 확인할 수 없지만, 이것이 수백 겹 쌓이면 거대한 초전도 자석의 전체 성능과 신뢰성을 좌우하는 치명적인 결과로 이어진다”며 “이번 기술은 보이지 않는 미세 오차를 생산 단계에서 조기에 찾아내 첨단소재의 품질을 스스로 관리하도록 돕는 스마트 제조 기술의 진정한 출발점이 될 것”이라고 말했다.
이번 성과는 과학기술정보통신부 지원으로 추진된 ‘고온초전도마그넷기술개발사업’의 일환인 ‘고성능 고온초전도 자석용 선재의 기반기술 개발’ 과제를 통해 나왔다. KERI가 주관하고 서남, 삼동, 국립경국대, 서울과학기술대, 부산대가 참여했다.
