1.1. 연구의 배경

의료용 중입자 치료 시스템에서 사용되는 가속기 자석은 치료 빔의 위치와 에너지를 정밀하게 제어하기 위해 빠른 자장 변화에 대한 시간적 응답 특성이 요구된다^[1]. 특히 치료 과정에서는 자장의 크기와 분포를 짧은 시간 내에 반복적으로 조절해야 하므로, 자석은 고속 충·방전 운전 조건에서도 안정적인 전기적 및 기계적 특성을 유지해야 하며, 이는 가속기 자석 설계의 핵심적인 요구 사항이다^[2]. 현재 의료용 가속기 시스템에는 주로 저온초전도 (Low-Temperature Superconductor, LTS) 자석이 적용되고 있으나, 액체헬륨 냉각이 요구되는 복잡한 운용 구조와 높은 유지 비용이 주요한 해결 과제로 남아 있다^[3]. 또한 자장 충·방전 속도가 제한될 경우 자장 안정화에 소요되는 시간이 증가하여 치료 빔의 에너지 및 궤도 설정 시간이 지연되고, 반복적인 에너지 전환이 요구되는 치료 운용 과정에서 빔 스캐닝 효율 저하 및 치료 시간 증가와 같은 제약이 발생할 수 있다^{[4, 5]}. 이러한 한계로 인해 액체질소 온도 영역에서도 높은 임계전류밀도를 유지할 수 있는 고온초전도 (High-Temperature Superconductor, HTS) 자석 기술이 차세대 가속기 자석의 핵심 기술로서 연구 및 응용 측면에서 활발히 연구되고 있다. HTS 자석은 냉각 시스템 단순화와 운용 비용 절감 측면에서 장점을 가지지만, 권선 구조 및 절연 방식에 따라 전기적·열적 특성이 크게 달라질 수 있다. 특히 HTS 코일에 널리 적용되어 온 무절연(No-Insulation, NI) 권선 구조는 턴간 접촉저항이 매우 낮아 급격한 전류 변화 시 전류가 인접 턴으로 우회하는 전류 분류 (Current bypass) 현상이 발생하여 자기장 응답 지연을 초래하는 것으로 보고되고 있다^{[6– 8]}. 이러한 특성은 빠른 자장 응답이 요구되는 가속기 응용에서 설계 시 고려해야 할 제약 사항이며, 이를 보완하기 위한 대안으로 절연 권선 구조를 고려할 수 있다. 현재 절연 권선 구조에는 주로 Polyimide 필름이 사용되고 있다. Polyimide는 절연 강도가 우수하지만, 40–60μm 수준의 필름 두께와 접착층 구조로 인해 HTS 선재의 곡률 변화 시 국부적인 응력 집중이 발생할 가능성이 있다. 또한 Polyimide의 낮은 열전도도는 국부 발열 분산에 한계가 있으므로, 극저온 운전 조건에서의 절연 신뢰성에 대한 추가적인 검토가 필요하다^[9]. PTFE는 낮은 마찰계수와 우수한 화학적 안정성을 갖는 고분자 재료로, 스프레이 공정을 적용할 경우 수십 μm 이하 두께의 절연 코팅층 형성이 가능하며, LN₂ 환경에서의 절연 특성이 실험적으로 확인된 바 있다^[10]. 이러한 PTFE 코팅 절연 구조는 별도의 접착층이 없으므로, 권선 시 선재에 가해지는 기계적 영향을 최소화할 수 있어 구조적으로 유리하다. 그러나 PTFE를 HTS 코일 절연물로 적용한 연구는 제한적이며, 특히 극저온 환경과 반복적인 열 사이클 조건에서의 기계적 안정성, 절연 내력, 그리고 초전도 선재 특성에 미치는 영향에 대한 체계적인 실험 검증은 충분히 보고되지 않았다.

본 연구에서는 PTFE 코팅 절연 기술을 REBCO (Rare-Earth Barium Copper Oxide) 선재에 적용하고, 코일 제작에 앞서 절연 코팅층 자체의 적용 가능성을 실험적으로 검증하였다. 이를 위해 PTFE 코팅층의 액체질소 환경 내 기계적 안정성, 냉각·가열 반복 환경에서의 온도 사이클 신뢰성, 평판 및 곡면 구조에서의 절연파괴 특성, 그리고 코팅 전·후 임계전류 (Ic) 변화를 정량적으로 평가하였다. 또한 동일 조건에서 제작한 Polyimide 절연 샘플과의 비교를 통해, PTFE 코팅 절연 구조가 기존 Polyimide 절연 방식의 한계를 보완할 수 있는 가능성을 분석하였다.

2.1. 코팅 공정 및 샘플 준비

PTFE 코팅은 OKS사의 PTFE 스프레이를 사용하여 수행하였다. 코팅 대상은 REBCO 선재, STS 304 Tape와 Plate로 선정하였으며, 분사 거리는 약 20 cm로 일정하게 유지하였다. 분사 시간은 약 2 s로 설정하고, 분사 후 10min 동안 자연 건조하는 과정을 1회 코팅 사이클로 정의하였다. 이러한 조건에서 3회, 6회, 9회의 반복 코팅을 수행하여 총 세 종류의 PTFE 코팅 샘플을 제작하였다. 형성된 코팅층의 두께는 3개 샘플의 주사전자현미경(SEM) 촬영을 통해 측정하였다. 측정 결과, 3회, 6회, 9회 코팅 시편의 평균 두께는 각각 약 10μm, 19μm, 30μm로 확인되었으며, 코팅 횟수가 증가함에 따라 평균 두께가 선형적으로 증가하였다. 코팅 후 각 시편의 두께를 마이크로미터를 이용하여 중앙부 및 엣지부 복수 지점에서 측정한 결과, 중앙부와 엣지부 간의 두께 편차는 측정 범위 내에서 유의미한 차이를 보이지 않았다. 이를 통해 스프레이 코팅 공정에서 엣지 집중(edge effect) 없이 균일한 도포가 이루어졌음을 확인하였다. 본 연구에서는 PTFE 코팅 절연층 형성 여부와 코팅 횟수에 따른 절연 특성 변화를 중점적으로 분석하였다.

2.2. 기계적 안전성 평가

PTFE 코팅층의 기계적 안정성을 평가하기 위해, STS 304 Tape를 사용하여 굽힘 및 꺾임 시험을 수행하였다. STS 304 테이프는 REBCO 선재와 형상이 유사하여 코팅층의 기계적 특성 평가에 적합하므로 샘플 재료로 선정하였다. 시험은 상온 환경에서 테이프에 반복적인 굽힘 및 국부적인 꺾임 변형을 인가하여, 코팅 횟수에 따른 코팅층의 손상 여부를 관찰하였다.

Fig. 1. Comparison of PTFE-coated STS tape conditions: (a) STS tape with triple PTFE coating, (b) PTFE coating after bending, and (c) PTFE coating after folding

실험 결과, Fig. 1에 나타낸 바와 같이 굽힘 및 꺾임 변형 이후에도 코팅층의 균열, 박리 또는 국부적인 탈락과 같은 구조적 손상은 관찰되지 않았다. 이러한 경향은 3회, 6회 및 9회 반복 코팅 샘플 모두에서 공통적으로 확인되었다. 동일한 기계적 시험을 액체질소(LN₂) 환경에서 수행한 결과에서도, 극저온 조건에 따른 코팅층의 외관 변화나 부착력 저하는 관찰되지 않았다. 이는 PTFE 코팅층이 극저온 환경에서도 기계적 변형에 대해 안정적으로 유지되며, 반복적인 열수축과 기계적 응력이 발생하는 환경에서도 구조적 건전성이 충분히 확보됨을 시사한다. 한편, 굽힘 및 꺾임 변형 과정에서 코팅층 외측에는 인장 응력이 집중되는 것으로 추정되나, 육안 및 광학 관찰 범위 내에서 코팅층의 박리나 균열은 확인되지 않았다. 이는 PTFE 코팅층이 모재와의 부착력 및 자체적인 유연성을 통해 인장 응력을 흡수할 수 있음을 시사하며, 실제 HTS 코일 권선 시 선재에 가해지는 굽힘 하중 조건에서도 절연층의 구조적 건전성이 유지될 것으로 판단된다.

2.3. 냉각·가열 반복 열 사이클 성능 평가

PTFE 코팅층의 기계적 안정성을 평가하기 위해, REBCO 선재와 형상이 유사한 STS 304 Tape를 사용하여 상온 및 액체질소(LN₂) 환경에서 굽힘 및 꺾임 시험을 수행하였다.

Fig. 2. Comparison of PTFE-coated REBCO conductor conditions: (a) before thermal cycling, (b) during thermal cycling, and (c) after 20 thermal cycles

실험 결과, Fig. 2에 나타낸 바와 같이 3회, 6회, 9회 코팅 샘플 모두에서 변형 이후에도 균열, 박리 등의 구조적 손상은 관찰되지 않았다. 굽힘 및 꺾임 시 코팅층 외측에는 인장 응력이 집중되는 것으로 추정되나, 육안 및 광학 관찰 범위 내에서 손상이 확인되지 않은 것은 PTFE 코팅층이 모재와의 부착력 및 자체적인 유연성을 통해 이를 흡수할 수 있음을 시사한다. 이는 실제 HTS 코일 권선 조건에서도 절연층의 구조적 건전성이 유지될 것으로 판단된다.

3.1. PTFE 코팅 절연파괴 특성

PTFE 코팅층의 절연 내력을 정량적으로 평가하기 위해, 전극 형상이 서로 다른 구– 평판(Sphere–Plane) 구조와 턴–턴(Turn–Turn) 곡면 접촉 구조에서 절연파괴 실험을 수행하였다. 두 전극 구조는 각각 평판 조건에서의 기본 절연 성능과 실제 HTS 코일 권선 시 발생하는 턴간 접촉 조건을 모사하기 위해 선정하였다. 실험 구성 및 주요 조건은 Fig. 3과 Table 1에 정리하였다.

Fig. 3. Schematic of the dielectric breakdown test setup

Fig. 4. Dielectric breakdown test results for sphere–plane electrode configuration

Fig. 5. Comparison of turn-to-turn dielectric breakdown voltages

구-평판 절연파괴 실험 결과를 Fig. 4에 나타내었다. PTFE 코팅 샘플의 절연파괴 전압은 코팅 횟수 증가에 따라 상온 및 액체질소 환경 모두에서 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 전극 형상에 따른 전계 집중의 영향으로 구-평판 구조 대비 절연파괴 전압이 전반적으로 하락하였으며, 이는 PTFE와 Polyimide 샘플에서 공통적으로 관찰되었다. 실험 결과, PTFE 9회 코팅 샘플은 Polyimide 대비 약 80 % 수준의 절연 내력을 나타냈다. 턴-턴 구조에서의 절연파괴 실험 결과는 Fig. 5와 같다. 특히 액체질소 환경에서는 PTFE 9회 코팅 샘플의 절연파괴 전압이 Polyimide 절연 샘플과 유사한 수준에 도달하였다. 이는 구-평판 조건에서 반복 코팅을 통해 형성된 PTFE 코팅 절연층의 실질적인 절연 내력이 확보되었음을 시사한다. 비록 절대적인 파괴 전압은 Polyimide보다 낮으나, 실제 HTS 자석의 정상 운전 전압이 수 mV에서 수 V 수준임을 고려할 때 kV 단위의 절연 내력은 운전 전압 대비 매우 높은 수치로, 충분한 절연 설계 마진이 확보된 것으로 판단된다^[6]. 따라서 국부적인 전계 집중 조건을 감안하더라도, PTFE 코팅은 극저온 HTS 코일의 운전 전압을 견디기에 충분한 절연 신뢰성을 갖춘 것으로 판단된다.

3.2. PTFE 코팅이 REBCO 선재의 Ic에 미치는 영향

PTFE 코팅 공정이 REBCO 선재의 초전도 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해, 코팅 전·후 선재의 임계전류를 4 단자법을 이용하여 측정하였다. 절연 코팅 공정은 국부적인 열적·기계적 영향을 수반할 가능성이 있으므로, 코팅 적용에 따른 초전도 성능 변화를 임계전류 측정을 통해 확인하였다. 임계전류 측정은 액체질소 온도(77 K) 조건에서 수행되었으며, 전압 판정 기준은 국제 표준인 IEC 61788-26에 근거하여 1 μV/cm를 적용하였다^[11]. 모든 샘플은 동일한 전류 리드 구성과 전압 탭 배치를 적용하였고, 측정 조건을 일정하게 유지함으로써 샘플 간 비교의 신뢰성을 확보하였다. 본 시험에서는 서로 다른 3개의 REBCO 선재 샘플을 사용하였으며, 각 샘플에 대해 PTFE 코팅 전·후의 임계전류를 반복 측정하여 결과의 재현성을 확인하였다. Fig. 6과 Table 2에 임계전류 측정 조건과 실험 개략도를 나타내었다. 측정 결과를 Fig. 7에 나타내었다.

Fig. 6. Schematic of the critical current measurement setup

Fig. 7. Change in critical current after PTFE coating

모든 샘플에서 PTFE 코팅 전·후 임계전류 변화는 ± 2 % 이내로 나타났으며, 코팅 횟수 증가에 따른 유의미한 임계전류 감소 경향은 관찰되지 않았다. 이러한 변화 폭은 액체질소 환경에서 수행되는 일반적인 임계전류 측정의 불확도 범위에 해당하며, 본 실험 조건에서는 PTFE 코팅 공정이 REBCO 선재의 임계전류 특성에 유의미한 영향을 미치지 않았음을 의미한다. 따라서 본 연구에서 적용한 PTFE 코팅 공정은 REBCO 선재의 초전도 특성을 유지한 상태에서 절연층 형성이 가능함이 확인되었다.