초전도 현상은 일정 온도 이하에서 물질의 전기저항이 ‘0’이 되는 현상이다. 이러한 초전도 현상을 나타내는 초전도체를 전력기기에 채택할 경우 전력계통의 손실을 감소시키고 이를 통해 전력계통의 효율성과 신뢰성, 그리고 친환경성을 증가시킬 수 있어 세계 각국에서 초전도기기에 대한 상용화가 활발히 진행되고 있다.

초전도 케이블, 변압기, 한류기 등 초전도 전력기기는 전력계통의 대용량화 및 고장전류 증가 등 국내 전력산업이 당면한 현안을 해결하는 대안이 될 것으로 큰 기대를 모으고 있다. 국내 연구진이 이러한 초전도 전력기기 개발에 필요한 특성평가 장치의 국산화에 성공, 국내 초전도 선재 연구 및 초전도 전력기기 개발에 획기적으로 기여할 것으로 전망된다.

한국전기연구원(KERI·원장 유태환 www.keri.re.kr) 재료응용연구본부 초전도연구센터 손명환 박사팀은 최근‘초전도 전력기기용 전도냉각형 초전도 특성평가장치’의 국산화 개발에 성공했다고 밝혔다.

손 박사팀이 지식경제부의 재원으로 한국에너지기술평가원(원장 이준현)의 지원을 받은 전력원천기술개발사업 중 ‘초전도 전력기기용 전도냉각형 초전도 특성평가장치 개발’ 과제를 통해 개발한 ‘전도냉각형 초전도 특성평가장치’는 냉매를 사용하지 않고 영하 263℃(10K)정도의 극저온뿐만 아니라 3T(Tesla)의 강한 자장 하에서 초전도체의 임계전류를 정확하게 측정할 수 있는 특징을 갖고 있다.

더욱이, 이 장치는 고온초전도체 뿐만 아니라 MgB2 초전도체에 관한 임계전류도 자장을 인가한 조건에서 측정할 수 있으며, 기존의 특성평가장치의 경우 시편 크기가 수 mm 정도이기 때문에 초전도 전력기기를 개발하는 연구자들이 관심을 가지는 초전도 선재에 직접 전류를 흘려서 하는 선재(線材)의 안정성 실험은 할 수 없었다.

이번에 개발된 장치는 이런 단점을 보완하여 25cm 정도의 긴 초전도 선재를 사용할 수 있고, 길이 10cm x 폭 1.5cm 범위에서는 자장 균일도가 1% 이하가 되도록 하여 자장을 인가한 조건에서 고온초전도 선재의 안정성 실험 등에도 활용할 수 있게 되었다. 또한, 인가자장의 방향에 대해 시편 홀더 전체를 회전할 수 있도록 고안하여 임계전류의 자장 방향 의존성을 측정할 수 있다.

손 박사팀이 이 장치를 개발하기 전까지 초전도 전력기기를 개발하는 경우, 임계전류를 측정할 때 액체질소(77K)나 값비싼 액체 헬륨(4.2K)을 냉매로 사용했으며, 운전온도 20~77K 영역 그리고 자장 0~3T 중에서 임계전류값을 정확하게 측정할 수 없어서 연구자들이 많은 불편을 겪었다.

특히, 초전도체의 경우 온도가 내려 갈수록 임계전류값이 증가하는 특성으로 인해 전류도입부에서 주울 열(Joule Heat)이 발생함으로써 200A 이상의 전류를 흘려 실험하기가 매우 어려웠으며, 연구자들은 실험과정에서 임계전류값이 어느 정도인지 항상 궁금한 상태였다.

이 장치에는 히터가 내장되어 있어서 사용자가 원하는 10K이상의 온도로 유지가 가능하고, 외부로부터의 열침입을 최소화하기 위해 2단 냉동기가 장착되어 있다. 아울러, 전류도입부에는 자체 설계 · 제작한 고온초전도 선재를 리드선으로 활용하였으며, 시편 주변에 최대 자장 3T가 인가된 조건에서 시험전류는 300A까지 통전이 가능하다.

손 박사팀은 고온초전도 자석 및 고온초전도 전류리드 그리고 2종의 시편 홀더 등에 관련하여 국내 특허를 5건 출원하였으며, 이 기술을 참여기업인 (주)CVE에 이전하여 고온초전도 자석, 고온초전도 전류리드 및 특성평가장치의 상용화를 추진할 방침이다.

한편, KERI는 초전도 연구 분야에서 해외 선진국의 기술수준과 비교해 손색이 없는최고 수준에 올라 있으며, 핵심 연구분야로 육성해 가고 있다. KERI는 이미 지난 2005년 기존 구리 케이블보다 크기는 3분의 1 밖에 안되면서 송전 용량은 5배 이상 큰 ‘22.9kV 고온 초전도 케이블’을 세계에서 두번째로 개발한데 이어 2009년 세계 최고 수준의 154kV, 1GVA급 초전도케이블을 개발하고 핵심 특허를 확보했다.

KERI는 또 초전도 모터 개발과 함께 세계 최고 용량 고온초전도 전력저장장치(HTS SMES)를 개발했으며, 올초 초전도체를 활용해 오·폐수 정화 속도를 기존보다 50배 높일 수 있는 초전도 자기분리장치를 개발하기도 했다. KERI는 또한 한전이 초전도 전력기기를 실제 전력계통에 설치·운전하면서 기기의 신뢰성을 검증하기 위해 추진하는154kV 이천변전소 초전도 시범사업에도 참여하고 있다.