한국전기연구원(KERI) 극저온기기연구센터 하홍수·박인성 박사 연구팀이 수백 미터 길이의 테이프 형태 고온초전도 선재의 두께와 폭을 비접촉 방식으로 연속 측정하는 3차원 정밀 검사 시스템을 개발했다.
고온초전도 선재는 특정 온도 이하에서 전기저항이 0이 되는 특성을 지녀 핵융합로, 의료용 MRI, 차세대 고효율 전력기기용 대형 초전도 자석의 핵심 소재로 쓰인다. 일반 A4 용지보다 얇은 수십 마이크로미터(㎛) 두께에 폭 4~12㎜ 규격의 극박형 테이프 형태로 제조된다.
초전도 자석은 이러한 선재를 수백 회 이상 권선해 제작하는데, 개별 선재에 존재하는 수 ㎛ 단위의 두께 편차가 누적될 경우 자석 형상 왜곡과 국부 응력 집중에 따른 파손을 유발하고 불균일한 자기장을 형성해 기기 신뢰성을 저하시킨다.
기존 접촉식 센서는 이송 중인 선재 표면에 스크래치나 오염을 발생시키는 문제가 있었으며, 종전 비접촉식 센서는 고속 이송 시 발생하는 진동으로 인해 계측 정밀도가 급감해 전수 검사에 한계가 있었다. 이로 인해 완성 선재의 일부를 절단해 현미경으로 단면을 확인하는 파괴 검사에 의존해야 했다.
연구팀은 권출과 권취가 연속적으로 이뤄지는 릴투릴(Reel-to-Reel) 이송 구조에 ‘상하 대향형 색채 공초점 레이저 센서’를 결합해 해당 난제를 해결했다. 상하에 마주 보게 배치된 레이저 센서가 이동하는 선재의 표면을 좌우로 고속 주사하며 양면 거리를 동시에 측정하는 방식이다.
특히 입사광과 반사광 경로가 일치하는 공초점 광학계를 채택해 은(Ag)이나 구리(Cu)처럼 광 반사율이 높은 금속 표면에서도 난반사 간섭 없이 안정적인 신호를 검출한다. 여기에 주행 중 박판의 출렁임을 방지하는 실시간 텐션 제어 기술과 속도 자동 보정 알고리즘, 신호 잡음을 걸러내는 독자 데이터 분석 프로그램을 통합 적용해 계측 안정성을 확보했다.
해당 시스템은 선재가 시간당 100m(100m/h) 속도로 연속 주행하는 진동 환경에서도 측정 오차를 ±1.5㎛ 이하로 제어한다. 센서 주사 속도를 초당 4㎜(4㎜/s) 이하로 운용할 경우 반복 측정 오차는 0.2㎛ 이하로 줄어든다. 이를 통해 선재 절단 없이 롤 전체 구간의 폭과 두께, 단면의 볼록·오목 등 3차원 미세 형상 정보를 인라인(In-line)으로 실시간 취득할 수 있다.
연구 성과는 초전도 응용 분야 학술지인 ‘IEEE Transactions on Applied Superconductivity’에 2024년부터 2026년에 걸쳐 총 3편의 논문으로 게재됐으며, 전해연마·코팅·구리도금 등 선재 제조 단계별 3차원 형상 변화 분석 및 공정 개선 프로세스를 입증했다. 미국 특허(US 12,487,078) 등록과 국내외 지식재산권 확보도 완료했다.
하홍수 책임연구원은 “고온초전도 선재의 미세 치수 오차는 수백 겹 적층되는 대형 초전도 자석의 최종 성능과 내구성을 결정짓는 요소”라며 “제조 단계에서 미세 결함을 선제적으로 검출하고 품질을 능동 관리하는 스마트 제조 인프라의 핵심 기술이 될 것”이라고 밝혔다.
이번 과제는 과학기술정보통신부 산하 국가과학기술연구회 지원 '고온초전도마그넷기술개발사업'의 '고성능 고온초전도 자석용 선재의 기반기술 개발' 과제를 통해 수행됐다. KERI가 주관하고 ㈜서남, ㈜삼동, 국립경국대학교, 서울과학기술대학교, 부산대학교가 공동 참여했다.
이번 기술은 초전도 선재 공정뿐만 아니라 롤투롤(R2R) 기반의 이차전지용 동박·알루미늄박, 초정밀 금속 압연재, 박막 태양전지, 연성회로기판(FPCB)용 정밀 필름 등 극박 연속 공정 전반으로 확장 적용이 가능하다. 측정 데이터를 생산 라인에 실시간 연계해 도금 두께와 압연 롤 갭(Roll gap)을 자동 보정하는 피드백 제어 시스템을 구축할 경우, 첨단 박막·박판 가공 산업의 불량률 감소와 제조 무인화 수준을 크게 끌어올릴 것으로 전망된다.
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권혁재 기자[email protected]