초전도 선재 미세 오차, 자르지 않고 3D로 잡아낸다

[에너지신문] 초전도 자석의 성능과 내구성을 좌우하는 선재의 미세한 두께 편차를 생산 과정에서 실시간으로 확인할 수 있는 검사 기술이 개발됐다. 검사 대상에 센서를 직접 대거나 선재를 잘라내지 않고도 수백m 길이의 전체 형상을 3차원으로 측정할 수 있다는 점이 특징이다. 한국전기연구원(KERI)은 극저온기기연구센터 하홍수·박인성 박사 연구팀이 고온초전도 선재의 두께와 폭을 비접촉 방식으로 연속 측정하는 시스템을 개발했다고 6일 밝혔다. 연구원은 수백m 길이의 선재를 대상으로 이 같은 수준의 3차원 정밀 측정을 구현한 것은 세계 최초라고 설명했다. ▲박인성·하홍수 박사(왼쪽부터)가 고온초전도 선재를 들고 3D 비접촉 초정밀 검사 장비 옆에서 포즈를 취하고 있다. 고온초전도 선재는 수십㎛ 두께와 4~12㎜ 폭의 얇은 테이프 형태로 제작된다. 전기저항 없이 큰 전류를 흘릴 수 있어 핵융합 장치와 의료용 자기공명영상(MRI), 고효율 전력기기에 들어가는 초전도 자석의 핵심 소재로 사용된다. 문제는 선재를 수백 겹 감아 자석을 만드는 과정에서 발생한다. 선재 한 가닥의 두께 차이는 수㎛에 불과하지만, 여러 겹 쌓이면 자석의 크기와 형상에 상당한 오차가 생긴다. 특정 부위에 응력이 집중돼 자석이 손상되거나 자기장이 불안정해지는 원인이 될 수 있다. 기존 접촉식 검사는 선재 표면에 흠집이나 오염을 일으킬 가능성이 있었다. 비접촉식 검사는 이송 중인 선재의 흔들림 때문에 측정 정확도를 확보하기 어려웠다. 정밀한 단면을 확인하려면 값비싼 선재 일부를 잘라 현미경으로 검사해야 한다는 한계도 있었다. 연구팀은 선재를 한쪽 릴에서 다른 릴로 넘기는 ‘릴투릴’ 장치에 위아래로 마주 보는 색채 공초점 레이저 센서를 적용했다. 두 센서가 선재의 위아래 표면까지 거리를 동시에 측정하고 좌우로 이동하면서 폭 전체의 형상을 읽는 방식이다. 공초점 레이저를 사용해 은이나 구리처럼 빛 반사가 강한 금속 표면도 측정할 수 있도록 했다. 여기에 실시간 장력 제어와 이송 속도 보정, 측정 과정에서 발생하는 노이즈를 걸러내는 데이터 분석 프로그램을 결합했다. 개발한 시스템은 선재가 시간당 100m 속도로 이동하는 환경에서 측정 오차를 ±1.5㎛ 이하로 유지했다. 센서 이동 속도를 초당 4㎜ 이하로 제어하면 반복 측정 오차는 0.2㎛ 이하로 낮아졌다. 이에 따라 선재를 절단하지 않고도 전체 구간의 두께와 폭은 물론, 어느 부위가 두껍거나 얇은지, 표면이 볼록하거나 오목한지 등을 3차원 데이터로 확인할 수 있다. 불량 위치를 생산 단계에서 찾아내면 초전도 자석을 제작한 뒤 결함이 드러나는 위험과 소재 손실을 줄일 수 있을 것으로 보인다. ▲고온초전도 선재의 상태와 형상을 확인하는 3D 비접촉 초정밀 검사 장비. 이번 기술은 고온초전도 선재 이외의 연속 생산 소재에도 적용할 수 있다. 이차전지용 구리박·알루미늄박, 금속 압연재, 박막 태양전지와 전자소재용 정밀 필름 등이 주요 대상이다. 연구팀은 다음 단계로 검사 데이터를 도금·압연 장비와 연계할 계획이다. 측정 결과에 따라 생산설비가 공정 조건을 자동으로 조정하는 품질관리 체계로 발전시키겠다는 구상이다. 상용화까지는 소재별 측정 조건 최적화와 실제 생산라인에서의 장기 신뢰성 검증이 과제로 남는다. 하홍수 전기연구원 박사는 “육안으로 확인하기 어려운 미세한 두께 차이도 수백 겹 누적되면 초전도 자석의 성능과 신뢰성에 영향을 줄 수 있다”며 “생산 단계에서 오차를 조기에 찾아내고 공정을 관리하는 기술로 발전시킬 계획”이라고 말했다. 한편 관련 연구 결과는 국제학술지 ‘IEEE Transactions on Applied Superconductivity’에 2024년부터 올해까지 논문 3편으로 게재됐다. 연구팀은 미국 특허를 등록하고 국내외 특허 출원도 마쳤다. 연구는 과학기술정보통신부 고온초전도마그넷기술개발사업의 지원을 받아 전기연구원 주관으로 서남·삼동·국립경국대·서울과학기술대·부산대가 참여했다.