2.1 금속 절연물 선정

도체와 도체가 접촉할 때, 육안으로 확인되는 접촉면적과 실제 전류가 흐르는 면적 사이에는 차이가 존재한다. 접촉면적을 확대하면 외관상의 접촉면적과 달리 접촉 표면에 미세한 돌출부가 있으며, 이를 접촉점(a-spot, asperity-spot)이라고 한다. 전류는 접촉점이 접촉한 부분에서만 흐를 수 있으며, 전류가 흐르지 않는 부분에 의해 접촉저항이 발생한다^[7]. 접촉면의 돌출부 형태, 접촉부의 표면 상태, 그리고 접촉면 사이에 가해지는 압력 등 다양한 요인이 접촉저항을 결정한다. Fig. 2는 실제 접촉 부위를 도식적으로 나타낸다. 이러한 특성을 고려하여 본 연구에서는 금속 절연물로 스테인리스 스틸 재질의 금속 메쉬 형상을 선정하였다. 금속 메쉬는 촘촘함을 나타내는 단위로, 메쉬 번호(Mesh Number)는 1인치 정사각형 안에 포함되는 격자 수를 의미한다. 예를 들어, 메쉬 번호 2의 경우 가로와 세로로 각각 2개의 격자를 가지며, 이는 총 4개의 격자수를 나타낸다.

메쉬 번호가 높아질수록 메쉬의 밀도가 증가하여 더욱 촘촘해지는 구조를 가진다. 다만, 모든 제품이 동일한 가로 및 세로 격자 수를 가지지는 않으며, 이 경우 ‘가로 격자 수 × 세로 격자 수’ 형태로 표시된다. 동일한 접촉 면적에서 메쉬의 격자 수가 변화하면 초전도 선재와 금속 메쉬 간 실제 접촉면적과 접촉점의 개수가 달라질 수 있으며, 메쉬 번호를 통하여 선재 간 접촉저항의 크기를 조절할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 다양한 메쉬 번호를 활용하여 선재 간 접촉저항의 변화를 실험적으로 확인하고자 하였다. Table 1에는 본 실험에 사용된 금속 메쉬 샘플과 그 사양을 나타내었다.

Fig. 2. Schematic of the actual contact area between conductors

Table 1. Stainless steel mesh sample

2.2 실험 모의 방법

본 연구에서는 금속 메쉬 형상과 압력이 턴 간 접촉저항에 미치는 변화를 파악하기 위하여 액체 질소 환경에서의 접촉저항을 측정하였다. 초전도 코일의 턴 간 전류 분류 현상을 전기 회로로 나타내면 Fig. 3과 같으며, 이를 기반으로 접촉저항 측정 시스템을 Fig. 4와 같이 설계하였다. 실험에서는 코일의 턴 간 접촉을 모의하기 위하여 두 개의 초전도 선재를 각각 200mm 길이로 절단하고, 10mm 길이의 접촉 영역을 설정하여 그 사이에 금속 메쉬를 위치시켰다. 이렇게 구성된 샘플을 초전도 코일의 권선 방향과 동일하게 겹쳐 놓은 상태에서 전류를 인가하였다. 본 실험에서 사용된 초전도 선재는 구리를 안정화 재료(Stabilizer)로 사용한 SuNAM사의 SCN04150 모델이다. 접촉 영역은 평평한 GFRP 블록 위에 위치시키고, 코일 권선 시 발생하는 압력을 모사하기 위해 절연된 구리 블록을 위에 두어 회전 가능한 나사를 통해 압력을 가하였다. 접촉 영역에 가해지는 압력은 토크 렌치와 로드셀을 사용하여 정확히 측정하고, 동일한 압력을 지속적으로 인가할 수 있도록 시스템을 설계하였다. 이를 통하여 다양한 금속 메쉬 형상과 압력 조건에서의 접촉저항 변화를 체계적으로 분석할 수 있었다.

Fig. 3. Schematic of an actual contact area between conductors

Fig. 4. Schematic of the contact resistance measurement system

2.3 실험 과정

본 실험은 4단자법을 활용하여 전류-전압을 측정한 뒤, 옴의 법칙을 통해 접촉저항을 계산하였다. Fig. 5는 접촉저항 측정 실험의 전체적인 개요도를 나타낸다. 먼저, 금속 메쉬의 조건에 따라 선재와 메쉬를 시스템에 설치하고, 동일한 압력을 가하기 위하여 토크 렌치를 사용하여 3 N·m의 토크를 인가하였다. 이때 접촉 면적에 인가된 압력은 15 MPa로 측정되었다. 준비된 실험 시스템을 액체 질소에 넣고, 초전도 선재의 온도를 임계온도 이하로 낮추고 액체 질소에 샘플을 넣을 때 발생한 기포를 소멸시키기 위한 안정화 작업을 10분 이상 진행하였다. 이후 액체 질소에서 발생하는 기포의 유무를 통해 접촉저항 시스템이 안정화되었음을 확인하였다. DC 전원 장치를 사용하여 60초 동안 10 A의 전류를 인가하여 접촉면적의 Tap 전압을 측정하였으며, 이때 인가 전류는 단계적으로 0.1 A/s씩 상승시켰다. 실험의 신뢰성을 높이기 위하여 각 조건별로 새로운 샘플을 사용하여 10회의 반복 실험을 수행하였고, 실험 결과는 평균값과 표준편차를 이용하여 분석하였다^[8].

Fig. 5. Schematic of a contact resistance experiment

3.1 Mesh 번호 변화 따른 접촉저항 결과

본 연구는 무절연 코일의 단점인 자기장의 충전 지연 현상을 개선하고자 금속 절연물을 활용하여 접촉저항을 제어하는 방법을 연구하였다. 이를 위하여, 먼저 금속 절연물이 없는 상태에서 접촉저항을 측정하여 기본 조건을 설정한 후, 다양한 조건에서의 접촉저항 변화를 비교하였다. 이후 메쉬 번호가 접촉저항에 미치는 영향을 확인하기 위해 동일한 스테인리스 스틸 재질의 STS 304 메쉬를 초전도 선재 사이에 삽입하여 무절연 조건과 비교하며 측정하였다. Fig. 6에는 메쉬 번호에 따른 접촉저항 변화를 시각적으로 나타내었다. 실험 결과, STS 304 메쉬의 경우에는 메쉬 번호가 증가함에 따라 접촉저항이 증가하다가 특정 값을 초과하면 다시 감소하는 경향을 보였다. 이는 메쉬 구조의 조밀도가 접촉저항에 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다. STS 316 메쉬는 STS 304와 비교하여 메쉬 번호 변화에 따른 접촉저항의 변화 폭이 상대적으로 작았으며, 실험 결과의 편차는 다소 크게 나타났다. 금속 절연물이 없는 무절연 조건과 비교했을 때, STS 304 메쉬 번호 300에서는 접촉저항이 약 1,000배 증가하는 극대값이 나타났으며, 반면 STS 304 메쉬 번호 8에서는 약 500배의 낮은 접촉저항 증가량과 작은 표준편차가 나타남을 확인하였다.

메쉬 번호가 증가할수록 메쉬를 구성하는 격자의 수가 늘어나면서 동일한 면적에서 초전도 선재와 메쉬 간 접촉면적도 증가한다. 하지만 낮은 메쉬 번호에서는 메쉬 구조가 다소 불균일하여, 겉으로 보이는 접촉면적에 비하여 실제 전류가 흐르는 접촉점의 수가 적다. 이러한 경우에는 접촉저항의 값이 증가하게 된다. 메쉬 번호가 일정 수준 이상으로 증가하면 동일한 면적 내에서 더 많은 격자가 형성되어 격자의 크기가 매우 작고 조밀해져 육안으로는 확인이 어려울 정도가 된다. 이로 인하여 메쉬를 구성하는 선의 수가 증가하고, 선의 두께가 얇아지면서 접촉면은 더욱 균일해진다. 높은 메쉬 번호에서는 외관상 접촉면적이 동일하더라도 접촉점 간 접촉이 더 많아져 실제 전류가 흐를 수 있는 경로가 증가하게 된다. 이로 인하여 선재 간 접촉저항이 감소하는 효과가 나타나며, 이는 고밀도 메쉬가 접촉저항 제어에 효과적일 수 있음을 의미한다. 즉, 낮은 메쉬 번호에서는 접촉면적 대비 실제 전류가 흐르는 접촉점의 수가 적어 접촉저항이 증가하는 반면, 높은 메쉬 번호에서는 접촉면이 균일해져 접촉저항이 감소하는 결과를 보인다.

Fig. 6. Experimental results of contact resistance depending on mesh number

3.2 선재간 압력 변화에 따른 접촉저항 결과

초전도 코일 제작 과정에서 선재의 인장 강도에 따라 선재 간 접촉 압력이 달라지게 되는데, 이는 초전도 코일의 접촉저항에 중요한 영향을 미친다^[9]. 특히, 무절연 조건과 비교했을 때 STS 304 메쉬 300 조건에서 접촉저항의 변화가 가장 크다는 점을 확인할 수 있었으므로, 압력 조건에 변화를 주었을 때 접촉저항 변화를 관찰하기에 적합할 것으로 판단하였다. 이에 따라 STS 304 메쉬 300 조건에서 가해지는 압력을 변화시키며 접촉저항의 변화를 측정하였다. Fig. 7은 압력 변화에 따른 STS 304 메쉬 300의 접촉저항 변화를 나타낸다.

본 실험은 동일한 조건에서 각 압력별로 10회씩 반복하여 진행하였고, 토크 렌치와 로드셀을 사용하여 정확한 압력이 인가되도록 조정하였다. 실험 결과, 접촉면적에 가해지는 압력이 증가할수록 접촉저항이 감소하는 경향이 명확히 나타남을 알 수 있었다. 특히, 15 MPa 이상의 압력이 가해졌을 때 접촉저항이 급격하게 감소하는 현상이 관찰되었는데, 이는 강한 압력이 인가될수록 실제로 전류가 흐를 수 있는 접촉점의 수가 증가하면서 접촉저항이 줄어들기 때문이다. 압력이 증가할수록 접촉점의 수가 늘어나면서 전류가 흐를 수 있는 경로가 확대되고, 그 결과 접촉저항이 줄어들게 된다. 그러나 일정 압력 이상에서는 접촉점의 수가 포화 상태에 도달하여 더 이상 접촉저항이 감소하지 않는다^[10]. 최대 및 최소 압력 조건에서의 접촉저항을 비교했을 때, 약 0.5배 정도의 저항 감소가 관찰되었다.

따라서 단순히 접촉저항의 증감을 고려한다면, 선재 간에 가해지는 압력이 낮을수록 접촉저항이 상승할 것으로 예상된다. 다만, 초전도 코일의 기계적 강도와 선재 풀림 현상 등의 요소들도 함께 고려하여 적절한 압력 조건을 설정하는 것이 중요하다. 이러한 분석을 통하여 초전도 코일의 성능을 최적화하기 위한 기준을 도출할 수 있을 것이다.

Fig. 7. Experimental results of contact resistance depending on pressure