초전도 선재 형상 실시간 진단 기술 개발…비접촉 3D 검사 구현

한국전기연구원(KERI) 극저온기기연구센터 하홍수·박인성 박사팀이 종이보다 얇고 길이가 수백 미터에 달하는 테이프 형태의 고온초전도 선재를 비접촉 방식으로 정밀 검사하는 시스템을 개발했다.

고온초전도 선재는 특정 온도 이하에서 전기저항이 0이 돼 대전류를 손실 없이 전달할 수 있는 소재다. 핵융합 장치와 의료용 자기공명영상장치(MRI), 고효율 전력기기 등에 쓰이는 초전도 자석의 핵심 부품으로 활용된다. 일반적으로 두께는 수십 마이크로미터, 폭은 4~12mm 수준의 긴 테이프 형태다.


초전도 자석은 선재를 수백 번 이상 촘촘히 감아 제작한다. 선재 한 가닥의 두께 차이는 미세하지만, 권선 과정에서 누적되면 자석 전체의 크기와 형상에 오차가 생길 수 있다. 이 같은 편차는 특정 부위에 힘이 쏠리는 현상과 구조 손상, 자기장 불안정에 따른 성능 저하로 이어질 가능성이 있다.

기존 검사 방식은 소재 표면에 접촉하는 센서로 인한 긁힘과 오염 우려가 있었고, 비접촉 측정도 이송 과정의 흔들림 때문에 긴 선재를 연속적으로 정밀 검사하는 데 제약이 있었다. 일부 구간을 절단한 뒤 단면을 현미경으로 관찰하는 방식은 소재 손실과 검사 시간 증가라는 부담이 뒤따랐다.

연구팀은 선재를 한 릴에서 다른 릴로 옮기는 릴투릴(Reel-to-Reel) 이송 장치에 상하 대향형 색채 공초점 레이저 센서를 결합했다. 위아래에 배치한 두 센서가 선재의 양면까지 거리를 동시에 측정하고, 좌우 방향으로 이동하면서 두께와 폭, 표면 형상 변화를 분석하는 구조다.

은이나 구리처럼 반사율이 높은 금속 표면에서도 안정적인 측정을 위해 공초점 레이저 방식을 적용했다. 이송 장력 제어와 속도 보정, 신호 노이즈 제거를 위한 데이터 분석 기술도 결합해 선재가 움직이는 환경에서 형상 정보를 확인하도록 했다.

개발 시스템은 선재가 시간당 100m 속도로 이동하는 환경에서 측정 오차를 ±1.5μm 이하로 제어했다. 센서 이동 속도를 초당 4mm 이하로 정밀하게 조절하면 반복 측정 오차는 0.2μm 이하까지 낮출 수 있다. 소재를 자르지 않고도 두께 변화와 폭 편차, 중앙부의 볼록·오목한 형상 등을 3차원으로 실시간 파악할 수 있는 것이 특징이다.


연구팀은 해당 기술을 고온초전도 선재 외에도 이차전지용 구리박·알루미늄박, 금속 압연재, 박막 태양전지, 전자소재용 정밀 필름 등 연속 생산되는 첨단소재의 품질 검사에 활용할 수 있을 것으로 보고 있다. 실시간 측정 데이터를 압연·도금 등 생산설비와 연결해 공정 조건을 자동 보정하는 스마트 품질관리 체계로 발전시키는 방안도 추진한다.

관련 연구 성과는 국제 학술지 ‘IEEE Transactions on Applied Superconductivity’에 2024년부터 올해까지 총 3편의 논문으로 게재됐다. 전해연마와 코팅, 구리도금 등 제조 단계별 선재 형상 변화를 3차원으로 분석하고 공정 개선 방향을 제시한 연구다. 미국 특허 등록을 포함해 국내외 특허 출원도 진행했다.

하홍수 KERI 박사는 “초전도 선재의 미세한 두께 오차는 육안으로 확인하기 어렵지만 수백 겹의 권선 과정에서 누적되면 초전도 자석의 성능과 신뢰성에 영향을 줄 수 있다”며 “생산 단계에서 미세 오차를 조기에 확인해 첨단소재의 품질관리를 고도화하는 스마트 제조 기반 기술이 될 것”이라고 말했다.


연구는 과학기술정보통신부 지원으로 추진된 고온초전도마그넷기술개발사업의 ‘고성능 고온초전도 자석용 선재 기반기술 개발’ 과제를 통해 수행됐다. KERI가 주관하고 서남, 삼동, 국립경국대, 서울과학기술대, 부산대가 참여했다.