‘꿈의 소재’ 초전도 선재 정밀·연속 측정하는 비접촉 기술
페이지 정보
본문
‘꿈의 소재’인 고온초전도 선재의 두께와 폭을 비접촉 방식으로 정밀하게 연속 측정하는 시스템이 세계 최초로 개발됐다. 첨단소재의 품질을 관리하는 스마트 기술이 도약하는 데 기반이 될 것으로 기대된다.
한국전기연구원(전기연)은 하홍수 극저온기기연구센터 책임연구원과 박인성 선임연구원 연구팀이 고온초전도 선재 비접촉 초정밀 검사 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.
고온초전도 선재는 특정 온도 이하가 되면 전기저항이 ‘0’이 돼 큰 전류를 손실 없이 흘려보낼 수 있는 소재다. 핵융합 장치, 의료용 자기공명영상(MRI), 고효율 전력기기 등에 쓰이는 강력한 초전도 자석을 이루는 핵심 부품이다.
고온초전도 선재의 두께는 A4 용지보다 얇은 수십 마이크로미터(μm, 100만분의 1미터), 폭은 4~12mm로 긴 테이프 형태를 띤다. 고온초전도 선재를 수백 번 이상 촘촘하게 감으면 초전도 자석이 완성된다.
고온초전도 선재 한 가닥의 두께는 얇지만 수백 겹이 쌓이면 자석에 큰 오차를 유발할 수 있다. 두루마리 휴지가 어긋나게 감기면 한쪽으로 쏠리고 일그러지는 것과 같은 원리다. 누적된 오차는 자석 특정 부위에 힘을 집중시켜 파손을 일으키거나 자기장을 불안정하게 만들어 장비 성능을 떨어뜨린다.
고온초전도 선재가 제대로 감겼는지 확인하려면 정밀 검사가 필요하지만 기존 접촉식 센서는 접촉 과정에서 선재 표면에 긁힘이나 오염을 유발한다는 한계가 있다.
또한 기존 비접촉식 센서는 선재 전체를 한 번에 검사하기 어렵다는 문제가 있다. 값비싼 선재를 일일이 잘라내 단면을 현미경으로 확인하는 비효율적인 방식이 쓰였다.
연구팀은 기존 한계를 극복하기 위해 영사기 필름처럼 선재를 한쪽 릴에서 다른 쪽 릴로 감아 넘기는 ‘릴투릴(Reel-to-Reel)’ 이송 장치에 ‘상하 대향형 색채 공초점 레이저 센서’를 결합했다.
연구팀이 개발한 시스템은 잉크젯 프린터의 잉크 카트리지가 종이 위를 좌우로 왕복하듯 위아래에 설치된 두 개의 레이저 센서가 선재 표면을 좌우로 빠르게 훑으며 양쪽 표면까지의 거리를 동시에 측정한다. 빛을 보내고 받는 경로가 거의 같은 '공초점 레이저' 방식은 은이나 구리처럼 빛 반사가 강한 금속 표면도 안정적으로 측정할 수 있다.
연구팀은 얇은 선재가 흔들림 없이 이동하도록 실시간 장력 제어 및 속도 자동 보정 기술도 적용했다. 또한 노이즈를 걸러내는 독자적인 데이터 분석 프로그램을 국내 기술로 구축해 시스템의 신뢰성을 극대화했다.
연구팀의 시스템은 선재가 100m/h 속도로 이동하며 진동하는 이송 환경에서도 측정 오차를 초미세먼지보다도 작은 ±1.5μm 이하로 억제했다. 또한 센서 이동 속도를 4mm/s 이하로 정밀하게 제어하면 반복 측정 오차가 머리카락 굵기의 수백 분의 1(0.2μm 이하) 수준까지 줄어든다는 점도 확인됐다.
연구팀의 기술은 선재를 자르지 않고 어느 부위가 얇고 두꺼운지 혹은 볼록하거나 오목한지 등을 3차원으로 실시간 확인할 수 있다. 고온초전도 선재뿐 아니라 이차전지에 쓰이는 구리박·알루미늄박, 금속 압연재, 박막 태양전지, 전자소재용 정밀 필름 등 얇고 긴 형태로 연속 생산되는 다양한 첨단소재의 품질 검사에도 적용될 수 있다.
연구팀은 향후 실시간 측정 데이터를 생산 장비와 연동해 도금이나 압연 등의 공정조건을 기계가 스스로 자동 조절하게 돕는 ‘스마트 품질관리 기술’로 발전시킬 계획이다.
하 책임연구원은 “고온초전도 선재의 미세한 두께 오차는 수백 겹 쌓이면 거대한 초전도 자석의 전체 성능과 신뢰성을 좌우하는 치명적인 결과로 이어진다”며 “이번 기술은 보이지 않는 미세 오차를 생산단계에서 조기에 찾아내 첨단소재의 품질을 스스로 관리하도록 돕는 스마트 제조기술의 출발점이 될 것”이라고 말했다.
연구결과는 2024~2026년 국제학술지 ‘IEEE 응용 초전도 트랜잭션’에 3편의 논문으로 게재됐다. 연구팀은 미국 특허 등록을 포함한 국내외 특허 출원을 마쳐 원천기술을 확보하게 됐다.
*기차출처 : www.dongascience.com/news/79790
