1. 서 론

1957년 미국 Illinois 대학의 John Bardeen, Leon Cooper, 그리고 John Robert Scherieffer 세 사람은 그들의 이름을 딴 BCS 이론을 발표하여 초전도현상을 양자역학의 관점에서 명확하게 설명하였다. 1972년에는 BCS 이론으로 노벨 물리학상을 수상하였다. BCS 이론은 전자와 phonon의 상호작용에 의하여 전자들이 서로 끌어당겨 쿠퍼쌍을 이루어 30K 이하의 온도에서 초전도 성질을 가지게 된다고 설명하였지만 임계온도가 30K인 고온 초전도체의 특성은 설명할 수 없다. 이후 1962년에는 두 개의 초전도체를 매우 얇은 절연물 사이에 연결한 후 전류를 흐르게 하면, 터널효과에 의하여 전자가 쿠퍼쌍을 이루어 절연막을 통과하는 현상인 Josephson 효과가 이론적으로 해석되었으며, Brian David Josephson은 1973년에 이로 인하여 노벨 물리학상을 수상하게 되었다^[1]. 그 당시 BCS 이론을 통해서는 초전도체의 임계전류가 30K을 넘을 수 없다고 여겼다. 실제로 그 당시까지 발견된 초전도체의 임계전류는 30K 이하로 응용분야가 극히 제한적이어서 초전도 분야에 관한 관심이 급격하게 위축되었다.

이후 1986년 Houston 대학의 Paul Chu에 의해 Y-Ba-Cu-O 물질에서 액체질소의 온도인 77K 이상의 임계온도를 가지는 고온 초전도 현상이 발견되었다. 이와 같은 고온 초전도체의 발견으로 인하여 현재는 전력, 의료, 교통 및 국방 등 폭넓은 분야로의 응용 및 상용화를 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다^[2].

전력분야로의 응용을 살펴보면, 지난 2019년 변압기 증설이 어려운 두 변전소 간에 상호 부하공급 능력 공유를 목적으로 154kV 신갈-흥덕 변전소 사이 1,035m 구간에 모선연계용 23kV/50MVA 고온 초전도 케이블을 설치하여 세계 최초로 고온 초전도 케이블의 상용화에 성공한 바 있다. 이로써 우리나라는 국제에너지기구 (International Energy Agency: IEA)의 백서에 세계 최초의 고온 초전도 상용국으로 등재되기도 했다. 또한 문산-선유 변전소 구간에 23kV 3상 동축 고온 초전도 케이블을 설치함으로서 도심 내부에 소형의 초전도 스테이션을 설치하여 대규모 전력시설을 도심지 외곽으로 유도할 계획이다. 아울러 2023년에는 역곡-온수 변전소 구간에 154kV 고온 초전도 케이블의 상용화 운전을 계획하고 있다.

의료기기 분야로의 응용으로는 각종 치료용 가속기에 사용되는 초전도자석 개발을 들 수 있다. 기존의 저온초전도체를 이용한 새들 (saddle) 형태의 초전도 자석으로는 고속 충방전에 따른 발열 및 온도상승으로 인한 퀜치발생의 위험과 유기기전력의 발생으로 인한 절연파괴의 위험성을 해결할 수 없으므로 자기장의 세기가 낮은 상전도 영역에서만 활용되고 있다^[3]. 예를 들어 기존의 상전도 중입자 암치료용 가속기의 경우에는 건물 크기의 설비를 1T/s급의 고속 충방전이 가능한 고온 초전도체를 이용하여 자석을 개발했을 때 방 크기로 소형화할 수 있는 장점을 가지고 있다. 즉, 고속 충방전이 가능한 고온 초전도 자석 개발을 통하여 입자치료기 등과 같은 최첨단 의료분야로의 적용이 가능하여 설비의 크기 감소는 물론이고 제작기간 단축 및 전체적인 시스템 운영비용 등의 비용절감이 가능하게 되어 관련 분야의 급속한 발전이 가능할 것으로 기대된다. 따라서 적절한 절연설계기술 개발을 통하여 고속 충방전으로 인하여 발생할 수 있는 입자 치료용 가속기 시스템의 전기적 안정성 문제를 해결하기 위한 관련 연구의 수행이 필요하다.

고온 초전도체는 전력분야뿐만 아니라 의료분야와 같은 다양한 분야에서 폭넓게 응용이 가능할 것으로 기대된다. 앞서 설명한 바와 같이 고온 초전도체가 전력분야에 응용될 경우, 23kV 이상의 고전압 환경에서 운전되며 의료분야에서는 고속 충방전으로 인한 유기기전력 등의 고전압 환경이 발생하게 된다. 따라서 고온 초전도 선재를 사용한 전력기기와 의료기기의 상용화를 앞당기기 위해서는 적절한 절연설계를 비롯한 절연사고로 인하여 발생할 수 있는 시스템의 피해를 최소화해야 한다.

본 연구에서는 전력분야 및 의료분야에 응용될 수 있는 2세대 고온 초전도체의 절연파괴전압에 대한 임계전류 및 index n의 열화특성을 실험을 통하여 살펴보았다. Stabilizer의 종류는 구리와 황동 두 가지로 모두 (주)서남에서 제작한 제품을 사용하였다. 이와 같은 연구 결과를 통하여 응용기기별 운전환경에 적합한 2세대 GdBCO 고온 초전도 선재를 선택함으로서 시스템의 안정성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다^[4].

2. 2세대 고온 초전도 선재의 특성

1980년대 말에는 직경이 작은 은 재질의 금속관에 초전도체 분말을 넣고 고압으로 눌러서 판 형태로 편 후에 다시 소결시키는 PIT (powder in tube) 방식으로 1세대 고온 초전도 BSCCO 선재를 제작하였다^[5]. 2000년대 이후 들어서 활발하게 연구가 진행되고 있는 2세대 고온 초전도 선재는 금속 기판 위에 초전도체를 증착하는 방식으로 고가의 은을 사용하지 않기 때문에 1세대 고온 초전도 선재에 비하여 가격경쟁력이 우수한 특징을 가지고 있다.

고온 초전도 선재를 실질적으로 산업분야에 응용하기 위해서는 초전도 박막의 특성을 강화하여 기계적 특성을 향상해야 한다. 고온 초전도 선재의 기계적 강도를 향상하기 위하여 일반적으로 두 가지의 방법이 사용될 수 있는데 첫 번째 방법은 우수한 기계적 특성을 가지는 substrate를 사용하는 것이고 두 번째 방법은 초전도 박막층을 보호하고 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 stabilizer층을 구성하는 것이다. 국내의 2세대 고온 초전도 선재 제작회사인 ㈜서남에서는 여러 종류의 기계적 강도 특성을 향상시킨 고온 초전도 GdBCO 박막 선재들을 제작하여 판매하고 있다. 주로 비자성 스테인레스 스틸 substrate 위에 은 보호층으로 구성된 [Ag/GdBCO/Buffer-layers-SS] 구조의 선재와 스테인레스 스틸 substrate와 황동 재질의 stabilizer로 구성된 [Brass/Ag/GdBCO/Buffer layers/SS] 구조의 선재, 그리고 구리 재질의 stabilizer와 스테인레스 스틸 재질의 substrate로 구성된 [Copper/Ag/GdBCO/Buffer layers/SS] 구조의 선재 등이 있다. 본 연구에서는 구리와 황동 재질의 substrate를 가지는 GdBCO 고온 초전도 선재의 절연파괴에 대한 전기적 열화특성을 분석함으로서 각 선재의 기계적 강도를 확인하고 비교하였다.

2.1 2세대 고온 초전도선재의 구조

앞서 기술한 바와 같이 본 연구에서는 ㈜서남에서 제작하고 있는 구리와 황동 재질의 stabilizer를 가지는 두 종류의 고온 초전도 선재에 절연파괴를 유도한 후 발생하는 전기적 열화를 확인하여 선재의 종류별 기계적 강도를 비교하였다.

Table 1에는 실험에 사용된 두 종류의 고온 초전도 선재의 구조에 대하여 나타내었으며, Fig. 1에는 내부 구성도를 확대하여 나타내었다^[6]. Table 1에서 보는 바와 같이 구리와 황동 재질의 stabilizer를 가지는 고온 초전도 선재의 내부 단층 구조는 스테인레스 스틸 재질의 substrate 위에 버퍼층을 둔 후 GdBCO 초전도층을 증착하고 위 아래층에 대칭구조로 2um 두께의 은층을 형성한 후에 구리로 모든 면을 둘러싸도록 도금을 한다. 이 과정은 두 종류의 고온 초전도 선재가 동일하며, 황동 재질의 stabilizer를 가지는 고온 초전도 선재의 경우에는 마지막으로 위 아래층에 추가로 황동층을 lamination하여 만든다. 이때 구리 stabilizer를 가지는 고온 초전도 선재의 모델명은 SCN04이고 황동 재질의 stabilizer를 가지는 고온 초전도 선재의 모델명은 SLBD04이다.

Table 1. Specifications of 2 types of GdBCO super-conducting conductors

Brass stabilized		Copper stabilized
material	thickness	material	thickness
Brass lamination	45um	-	-
Surrounded Copper	20um	Surrounded Copper	15um
Silver cover	2um	Silver cover	2um
GdBCO	1.3um	GdBCO	1.3um
Buffer layers	hundreds nanometers	Buffer layers	hundreds nanometers
Substrate STS	104um	Substrate STS	104um
Silver cover	2um	Silver cover	2um
Surrounded Copper	20um	Surrounded Copper	15um
Brass lamination	45um	-	-

Fig. 1에서 보는 바와 같이 SLBD04 선재는 SCN04 선재와 동일한 구조를 가지지만 최외곽에 45um 두께의 Brass층을 적층하여 기계적 강도를 보강한 구조이다.

Fig. 1. Architecture of two types of 2G HTS conductors used in experiment

2.2 2세대 고온 초전도선재의 임계전류와 index n

고온 초전도 선재의 임계전류를 측정하기 위해서는 선재의 양끝단에 직류전류를 인가한 후 선재의 가운데에 1cm 간격으로 낸 전압탭에서 발생하는 전압의 크기가 1uV가 되는 전류의 값을 측정하는 4단자법을 사용하였다^[7]. Fig. 2에는 4단자법을 이용하여 고온 초전도 선재의 임계전류를 측정하는 모습을 나타내었다. 실험에 사용된 직류 파워서플라이는 Matsusada 사에서 제조한 REK8-1000 모델로 최대 출력은 1,000A/8V이며, Nanovoltmeter는 Keithley사에서 제조한 2182A 모델로 분해능은 1nV이다. 임계전류값은 대기압 상태의 77K 포화 액체질소에 초전도선재를 넣고 초전도선재의 양쪽에 직류전류를 인가하면서 초전도선재 가운데에 위치한 1cm의 탭에서 발생하는 유기전압의 크기가 1μV가 될때의 인가 전류값의 크기로 정의하였다. Fig. 2에는 초전도선재의 임계전류 측정실험 구성도를 나타내었다. Fig. 2와 같은 실험을 통하여 측정된 두 종류의 고온 초전도 선재의 임계전류값은 130A로 동일하였다.

Fig. 2. Experimental schematics of Ic measurement

Index n은 초전도 성질이 깨지는 퀜치현상이 발생할 때 인가전류에 대한 유기전압의 기울기를 나타내는 값으로 초전도체의 스위칭 특성을 의미한다. Index n은 식 (1)을 통하여 계산하였다^[8].

(1)

$E=E_{c}(\dfrac{J}{J_{c}})^{n}$

식 (1)에서 Ec와 Jc는 각각 초전도선재의 임계전계 (V/m) 및 임계전류밀도 (A/m2)를 나타내며, E는 전계의 세기, J는 전류밀도이다. 본 연구에서 index n은 실험을 통하여 구한 V-I 곡선에서 0.1∼10μV/cm 범위의 전류와 전압값을 이용하여 계산하였다. SCN04과 SLBD04 고온 초전도 선재의 index n을 계산한 결과, 각각 73과 60으로 계산되었다.

3. 절연파괴실험

초전도한류기와 초전도케이블과 같은 배전급 초전도전력기기의 상용화 및 신뢰성 향상을 위해서는 배전급 전력기기의 절연내력시험 기준인 IEC 62271-1을 적용한 조건에서의 고온 초전도 선재 열화특성 분석에 관한 연구가 필요하다^[9]. 본 연구에서는 배전급 전력기기의 사고를 모의하고 stabilizer에 따른 고온 초전도 선재의 임계전류와 index n이 열화되는 특성을 분석하였다.

고온 초전도 선재에 고전압을 인가하기 위하여 사용된 AC 전압 시험기의 용량은 상용주파수 100kV이며, 뇌임펄스 전압 시험기의 용량은 1.2/50μs 파형의 500kV이다. Fig. 3에는 고온 초전도 선재에 대한 절연파괴실험의 구성도를 나타내었다. Fig. 3에 나타낸 바와 같이 전극지지대의 평판 전극 위에 초전도선재를 위치시키고 Kapton 테이프를 이용하여 고정시킨 후 전극시스템을 액체질소에 담근다. 또한 전극과 고온 초전도 선재 주변에 발생할 수 있는 void의 영향을 최소화하기 위하여 1시간 정도의 안정화 시간을 가지고 난 후에 육안으로 void의 유무를 확인한 후 실험을 수행하였다.

Fig. 3. Schematic drawing of dielectric experiment

전극지지대의 평판 전극 위에 위치한 고온 초전도 선재의 날카로운 형상으로 인하여 전계가 집중되므로 구 전극에 인가된 고전압에 의하여 고온 초전도 선재의 표면에 절연파괴가 유도된다. 전압을 인가하여 절연파괴를 유도한 후에 고온 초전도 선재를 꺼내어 육안으로 절연파괴 탄흔을 확인하였다. 이후 다시 4단자법을 통하여 절연파괴된 고온 초전도 선재의 임계전류와 index n을 측정하여 열화 정도를 확인하였다. 이와 같은 실험과정을 다음의 Fig. 4에 순서도로 나타내었다. 이때 고온 초전도 선재에 인가한 AC와 뇌임펄스 전압의 크기는 기존의 배전급 전력기기의 절연내력 기준 시험전압인 AC 50kV, 뇌임펄스 150kV이다. Table 2에는 AC 50kV와 뇌임펄스 150kV를 인가하기 위한 전극시스템의 사양을 나타내었다.

Fig. 4. Experimental flowchart of Ic measurement

4. 실험 결과

앞서 설명한 바와 같이 구리 재질의 stabilizer로 구성된 SCN04 선재와 SCN04와 동일한 구조의 선재의 최외곽에 황동 재질의 stabilizer를 박편하여 제작한 SLBD04 선재를 이용하여 배전급 전력기기의 절연내력 시험전압에 대한 열화특성을 서로 비교하여 분석하였다. 절연파괴 전후의 임계전류와 index n을 비교하고 주사전자현미경 (SEM: scanning electron microscope)을 통해 초전도층의 내부 구조 변화를 확인함으로서 열화특성을 분석하였다.

4.1 임계전류와 index n

Fig. 5에는 1기압의 포화 액체질소 내에서 측정한 절연파괴를 경험하지 않은 정상상태의 SCN04과 SLBD04 선재의 V-I 곡선을 나타내었다. 초전도선재의 임계전류는 전압탭에서 측정된 유기전압의 크기가 1uV가 될 때의 인가전류의 값 으로 결정하였으며, 두 선재 모두 130A로 동일한 임계전류값을 가지는 것으로 측정되었다. 또한 각 선재의 정상상태에서의 index n은 식 (1)을 통하여 SCN04 선재가 73, SLBD04 선재가 60으로 계산되었다. 이와 같은 결과는 Fig. 5에서 보는 바와 같이 임계전류는 130A로 동일하지만 이후 기울기가 서로 다르다는 사실을 확인할 수 있다. SCN04 선재와 SLBD04 선재를 1기압의 포화 액체질소 내에서 AC 50kV, 뇌임펄스 150kV의 전압으로 절연파괴를 시킨 후 각 고온 초전도 선재의 임계전류와 index n의 변화를 측정하였다. Fig. 7에는 SCN04 선재의 절연파괴에 따른 V-I 곡선 변화를 나타내었고 Fig. 8에는 SLBD04 선재의 V-I 곡선 변화를 나타내었다. Fig. 7, Fig. 8 에서 알 수 있는 바와 같이 SCN04 선재는 구리 재질의 stabilizer로 구성된 고온 초전도 선재로 AC 50kV에 의하여 임계전류가 130A에서 119A로 감소하였으며, 뇌임펄스 150kV에 의하여 109A로 감소함을 확인하였다. 또한 SCN04 선재의 index n은 73에서 AC 50kV에 의하여 60으로, 뇌임펄스 150kV에 의하여 57로 감소되었다. 반면에 황동 재질의 stabilizer를 가지는 SLBD04 선재는 AC 50kV와 뇌임펄스 150kV에 의하여 임계전류와 index n이 열화되지 않음을 확인하였다. 배전급 전력기기의 절연내력 기준 시험전압에 의한 특성변화를 선재별로 정리하여 다음의 Fig. 8과 Fig. 9에 비교하였다.

Fig. 5. V-I curve of SCN04 and SLBD04 2G HTS conductors

Fig. 6. IC degradation of SCN04 conductor according to AC electrical breakdown voltage

Fig. 7. IC degradation SLBD04 conductor according to lightning impulse electrical breakdown voltage

Fig. 8. IC degradation of 2G HTS conductors according to applied voltage type

Fig. 9. Index n degradation according to applied voltage type

4.2 미세 내부구조

4.1절에서 절연파괴에 의하여 고온 초전도 선재의 임계전류와 index n이 열화되는 정도를 확인하였다. 실험 결과에서 보는 바와 같이 고온 초전도 선재의열화 정도는 stabilizer의 종류와 사양에 따라 달라지는 것으로 나타나는데 이와 같은 열화특성은 절연파괴 전압에 의하여 선재의 미세 내부구조가 변형되었기 때문으로 추정할 수 있다. 절연파괴에 의한 고온 초전도 선재의 미세 내부구조의 변화를 확인하기 위하여 주사전자현미경 (scanning electron microscope: SEM)으로 고온 초전도 선재의 단면을 촬영하였다. 실험에 사용된 주사전자현미경은 모델명 JEOL (JSM-7610F)로 해상도는 1.0nm이고 배율은 최대 1백만 배다. 절연파괴 전후 SCN04 선재와 SLBD04 선재의 미세 내부구조의 변화를 Fig. 10과 Fig. 11에 나타내었다. Fig. 10(a)에서 보는 바와 같이 SCN04 선재는 GdBCO 초전도층 위에 은이 박막형태로 증착되어 있으며, 은 위 최외곽 층에 구리가 도금되어 있는 구조이다. Fig. 10(b)에는 SCN04 선재가 AC 50kV에 의해 변형된 모습을 나타내었으며, Fig. 10(c)에는 뇌임펄스 150kV 전압에 의해 변형된 모습을 나타내었다. Fig. 10에서 보는 바와 같이 SCN04 선재는 배전급 전력기기 시험용 AC 전압과 뇌임펄스 전압에 의하여 GdBCO층이 가로 방향으로 선재의 전체 영역에 걸쳐 균열층이 발생했음을 알 수 있다. Fig. 11(a)에는 SLBD04 선재의 정상상태에서의 단면 모습을 나타내었으며, Fig. 11(b)에는 AC 50kV에 의해 절연파괴된 선재의 단면을 나타내었고 Fig. 11(c)에는 뇌임펄스 150kV에 의해 절연파괴된 선재의 단면을 나타내었다. Fig. 11에서 보는 바와 같이 황동으로 stabilizer가 제작된 SLBD04 선재는 절연파괴에 의한 초전도층의 변형이 발생하지 않는다는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 10. Micro-structural deformation of SCN04 conductor due to electrical breakdown

Fig. 11. Micro-structural deformation of SLBD04 conductor due to electrical breakdown

5. 토 의

본 연구에서는 stabilizer가 다른 두 가지 종류의 고온 초전도 선재의 배전급 전력기기의 절연내력 기준 시험전압 (AC 50kV, 뇌임펄스 150kV)에 대한 임계전류와 index n의 열화특성에 대한 실험을 진행하였다. 구리 재질 stabilizer 구조를 가지는 SCN04 선재는 절연파괴에 의하여 임계전류 및 index n이 저하되는 열화특성을 나타내었다. 특히 AC 전압에 비하여 뇌임펄스 전압에 의하여 나타나는 열화특성이 더욱 큰 것으로 측정되었으며, 주사전자현미경의 단층 사진촬영을 통하여 절연파괴에 의하여 발생된 GdBCO 층의 균열을 확인하였다. SLBD04 선재는 SCN04 선재의 최외곽 층에 황동 재질의 stabilizer를 적층한 구조로 배전급 전력기기의 절연내력 기준 시험 AC 전압과 뇌임펄스 전압에 의하여 임계전류와 index n이 열화되지 않는 것을 확인할 수 있다. 절연파괴에 의한 SLBD04 선재의 단면 촬영을 확인한 결과, AC 전압에 대해서는 GdBCO 층에 균열이 발생하지는 않았으나 뇌임펄스 전압에 대해서는 세로 방향의 비교적 작은 크기의 균열이 발생했음을 알 수 있다.

6. 결 론

고온 초전도 선재의 개발이 활발하게 진행됨에 따라 2세대 고온 초전도 선재의 성능은 1세대 고온 초전도 선재와 비교하여 크게 향상되고 있다. 이에 따라 2세대 고온 초전도 선재는 전력기기뿐만 아니라 교통 및 의료기기 분야에 걸쳐서 폭넓게 응용이 기대되고 있다. 초전도 케이블과 초전도 한류기와 같은 전력기기의 응용에서는 배전급 이상의 정격전압이 인가되어 절연파괴 사고가 발생할 수 있으며, 씽크로트론과 같은 의료기기 분야에 적용되는 초전도 자석의 응용에서는 고속 충방전으로 인하여 높은 기전력이 유도되어 절연파괴가 발생할 수 있다. 본 논문에서는 향후 폭넓게 응용될 것으로 기대되는 2세대 고온 초전도 선재가 절연파괴로 인하여 발생될 수 있는 열화특성에 관한 연구를 수행하였다.

2세대 고온 초전도 선재에 배전급 전력기기의 절연내력 기준 시험전압을 인가했을 때 임계전류 및 index n과 같이 고온 초전도 선재의 특성을 나타낼 수 있는 인자의 열화특성은 구리 재질의 stabilizer 선재가 황동 재질의 stabilizer 선재보다 더 크게 나타나는 것으로 밝혀졌다. 이와 같은 연구결과는 향후 전력기기 및 의료기기의 안정성 향상을 위하여 적용될 수 있을 것으로 기대된다.