2.1 2세대 고온 초전도체

본 연구에서는 절연파괴에 대한 2세대 고온 초전도선재의 열화특성을 확인하기 위하여 ㈜서남에서 제작한 SCN-04 초전도선재를 사용하였다. SCN-04 초전도선재의 구조는 주로 두께가 15μm인 구리 재질의 외층 사이에 두께가 104μm인 비자성 스테인레스 스틸 (stainless steel 310S) 재질의 substrate를 위치시킨 후 그 위에 두께 1.3㎛의 GdBCO 초전도체층이 배치되는 구조를 가지고 있다. 또한 열처리와 산소공급 등의 보호기능을 하는 Al2O3층 등으로 구성되어 있다^[10]. Fig. 1에는 SCN-04 초전도선재의 구성도를 나타내었다. SCN-04 초전도선재의 너비는 4mm이고 총 두께는 약 0.13mm이다. 또한 95%의 Ic를 유지할 수 있는 최소 곡률지름은 35mm이고 최대 인장강도는 500MPa 이상이다^[10].

임계전류는 대기압 상태의 77K 액체질소에 초전도선재를 넣고 초전도선재의 양쪽에 직류전류를 인가하면서 초전도선재 가운데에 위치한 1cm의 탭에서 발생하는 유기전압의 크기가 1μV일 때 인가된 전류값으로 정의하였다. Fig. 2에는 SCN-04 초전도선재의 임계전류 측정 실험도를 나타내었다. 또한 실험에 사용된 DC 파워서플라이의 모델은 HP 6681A로 최대출력은 DC 580A이고 Nano-voltmeter의 모델은 Keithley 2182A로 분해능은 1nV이다.

Index n은 초전도 성질이 깨지는 퀜치의 기울기를 나타내는 값으로 초전도체가 스위치로 작용할 때 상태천이 (초전도상태-비초전도상태) 특성을 나타낸다. Index n은 식 (1)을 통하여 계산할 수 있다.

식 (1)에서 Ec와 Jc는 각각 초전도선재의 임계전계 (V/m) 및 임계전류밀도 (A/m2)이며, E는 전계의 세기, J는 전류밀도를 의미한다. 본 연구에서 index n은 V-I 곡선으로부터 실험적으로 구한 0.1∼10μV/cm 사이의 값을 사용하였다. 절연파괴를 겪지 않은 건전한 SCN-04 초전도선재의 index n을 계산한 결과, 73.1로 계산되었다.

Fig. 1. Structure of 2G HTS wires used in experiment

Fig. 2. Experimental schematics of Ic measurement

2.2 절연파괴실험 조건

절연파괴에 따른 SCN-04 초전도선재의 열화특성을 확인하기 위하여 사용된 AC 절연내력 시험기는 주파수 60Hz의 전압을 최대 100kV까지 인가할 수 있으며, 뇌임펄스 절연내력 시험기는 1.2/50μs의 전압을 최대 500kV 인가할 수 있는 용량을 가지고 있다. Fig. 3에는 절연파괴실험의 구성도를 나타내었다. Fig. 3에 나타낸 바와 같이 평판전극 위에 초전도선재를 위치시킨 후 Kapton 테이프를 이용하여 고정시키고 액체질소에 담근 후 void에 의한 영향을 최소화하기 위하여 1시간 정도의 안정화 시간을 가졌다. Fig. 4에는 절연파괴실험을 위하여 전극시스템에 위치시킨 SCN-04 초전도선재의 모습을 나타내었다. 구전극에 고전압을 인가하여 초전도선재 표면에 절연파괴가 발생하도록 유도하였다. 본 연구에서는 초전도전력기기의 절연내력시험에 대한 별도의 IEC 규정이 마련되지 않았기 때문에 변압기, 차단기와 같은 기존의 배전급 전력기기의 절연내력시험 전압인 AC 50kV, 뇌임펄스 150kV를 기준으로 절연파괴실험을 수행하였다. 이때 전압의 인가속도는 1kV/s를 기준으로 실험하였다.

Fig. 3. Schematic drawing of dielectric experiment

Fig. 4. 2G HTS wire on a plane electrode for dielectric experiment

절연파괴실험에 사용된 전극시스템은 구 대 평판 전극으로 구체적인 조건은 Table 1에 나타내었다. Table 1에 나타낸 실험조건은 선행 실험을 통하여 얻어낸 결과이다. 그러나 일반적으로 액체 절연매질은 매질 내의 void 등과 같은 불순물의 유동 영향으로 인하여 동일한 실험조건에서도 절연파괴전압 크기의 편차가 고체나 기체 절연매질에 비하여 수십 배 이상 차이가 날 수 있다고 알려져 있다^[11].

3.1 임계전류 변화

Fig. 6에는 액체질소 내에서 측정한 절연파괴실험에 따른 SCN-04 초전도선재의 V-I 곡선을 나타내었다. 이때 측정된 임계전류는 1μV/cm 기준을 적용했을 때 130A이다. Fig. 6에서 보는 바와 같이 절연파괴실험 이전 초전도선재의 임계전류는 130A임에 반하여 뇌임펄스 153.1kV의 절연파괴전압에 의한 임계전류는 약 109A로 임계전류가 약 16% 이상 저하됨을 확인할 수 있다. Fig. 7에는 SCN-04 초전도선재의 AC 절연파괴전압 크기에 따른 임계전류의 변화를 나타내었으며, Fig. 8에는 뇌임펄스 절연파괴전압 크기에 따른 임계전류의 변화를 나타내었다. 두 그림에서 보는 바와 같이 절연파괴전압의 크기가 커질수록 임계전류값이 감소할 뿐만 아니라 AC에 비하여 뇌임펄스 전압에 대한 영향이 더 큰 것으로 나타났다. Fig. 7과 Fig. 8에 나타낸 임계전류의 열화특성을 International Electro-technical Commission 71-1의 대표값인 AC 50kV와 뇌임펄스 150kV에 대한 값으로 AC와 뇌임펄스 절연파괴전압에 따른 SCN-04 초전도선재 임계전류의 변화를 Fig. 9에 나타내었다. 절연파괴에 따른 초전도선재 임계전류의 열화특성은 실험에서 확인한 바와 같이 인가전압의 크기와 종류에 따라 달라진다는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6. V-I curve of SCN-04 2G HTS wire

Fig. 7. Ic degradation according to AC electrical breakdown voltage

Fig. 8. Ic degradation according to lightning impulse electrical breakdown voltage

Fig. 9. Comparison of Ic degradation according to applied voltage type

3.2 Index n 변화

실험을 통하여 측정한 Fig. 6과 같은 V-I 곡선을 바탕으로 식 (1)을 적용하여 계산한 index n의 평균변화를 인가전압에 따라 Fig. 10에 나타내었다. 액체질소를 포함한 액체 절연매질 내에서는 동일한 조건으로 인가한 절연파괴실험에서의 AC와 뇌임펄스 전압의 출력 편차가 일반적인 기체 절연매질의 조건에 비하여 크게 나타난다고 알려져 있다. 본 연구에서는 동일한 조건에서 수백 회 이상의 실험을 반복하여 출력전압의 크기가 ±5kV가 되는 데이터를 사용하였다. Fig. 10에서 알 수 있는 바와 같이 index n도 임계전류와 유사하게 절연파괴에 의하여 저하되며 AC 절연파괴전압에 비하여 뇌임펄스 전압에 의한 열화가 더 크다는 사실을 확인할 수 있다.

Fig. 10. Index n degradation according to applied voltage type

3.3 미세조직 변화

본 연구에서는 초전도체의 임계전류와 index n이 절연파괴에 의하여 열화되는 물리적 원인을 확인하기 위하여 전자주사현미경을 이용하여 초전도선재의 단면을 촬영하였다. 본 실험에 사용된 전자주사현미경의 모델은 JEOL(JSM-7610F)로 시료를 최대 1백만 배까지 확대하여 볼 수 있다. 절연파괴실험을 경험하지 않은 정상적인 SCN-04 초전도선재의 단면사진을 Fig. 11에 나타내었다.

Fig. 11에서 보는 바와 같이 초전도성질을 가지는 GdBCO가 약 1.2μm의 두께로서 비자성 물질인 스테인레스 스틸 substrate 위에 위치하고 있다. 액체질소 내에서는 초전도성질을 가지는 GdBCO의 저항이 ‘0’이 되어 모든 전류가 손실없이 흐르게 된다. 따라서 절연파괴에 의한 GdBCO의 물리적 변화를 확인하기 위하여 절연파괴 후 전자주사현미경을 이용하여 고온초전도체의 단면을 촬영하였다. 모든 고온초전도체 샘플의 단면에서 GdBCO 초전도체층에 crack이 발생하였음을 확인하였다. Fig. 12에는 뇌임펄스 전압 154.9kV와 165.0kV에 의하여 절연파괴가 발생한 SCN-04 초전도선재의 단면을 전자주사현미경으로 촬영한 모습을 나타내었다. Fig. 12에서 보는 바와 같이 모든 초전도선재 샘플은 절연파괴에 의하여 비금속 재질인 GdBCO 층에서 crack이 발생하였음을 확인할 수 있다. 결과적으로 본 연구에서는 실험을 통하여 절연파괴전압에 의하여 초전도체가 열화된다는 사실을 확인하였으며, 초전도체의 열화현상은 임계전류와 index n의 측정을 통하여 분석하였다.

Fig. 11. SEM image on cross section view of normal 2G HTS wire

Fig. 12. SEM image on cross section view of cracked 2G HTS wire due to Imp. 154.9kV and 165.0kV electrical breakdown