공초점 레이저 방식으로 안정적 측정
독자적 데이터 분석으로 신뢰성 높여
한국전기연구원(KERI)은 극저온기기연구센터 하홍수·박인성 박사팀이 종이보다 얇고 길이가 수백 미터에 달하는 테이프 형태 '고온초전도 선재' 두께와 폭을 비접촉 방식으로 정밀하게 연속 측정하는 시스템을 세계 최초로 개발했다고 6일 밝혔다.
고온초전도 선재는 특정 온도 이하에서 전기저항이 '0'이 돼 큰 전류를 손실 없이 흘려보낼 수 있는 꿈의 소재다. 주로 핵융합 장치나 의료용 MRI, 고효율 전력기기 등에 쓰이는 강력한 '초전도 자석'을 만드는 핵심 부품으로 수십 마이크로미터(㎛) 두께에 폭은 4~12㎜의 길고 얇은 테이프 형태를 띤다.
초전도 자석은 이 얇은 선재를 수백 번 이상 촘촘하게 감아서 완성한다. 선재 한 가닥 두께 차이는 수 ㎛에 불과하지만 수백 겹 쌓이면 자석 전체의 크기와 형태에 오차를 유발한다. 이렇게 누적된 오차는 자석 특정 부위에 힘을 집중시켜 파손을 일으키거나 자기장을 불안정하게 만들어 장비 성능을 크게 떨어뜨린다.
지금까지는 선재의 정밀 검사를 위해서는 비싼 비용과 시간들 들여 만든 결과물을 일일이 잘라내 단면을 현미경으로 확인해야만 하는 비효율을 감수해야 했다.
KERI는 이러한 난제를 해결하기 위해 영사기 필름처럼 선재를 한쪽 릴에서 다른 쪽 릴로 감아 넘기는 '릴투릴(Reel-to-Reel)' 이송 장치에 '상하 대향형 색채 공초점 레이저 센서'를 결합했다. 잉크젯 프린터 잉크 카트리지가 종이 위를 좌우로 왕복하듯 위아래에 설치된 두 개 레이저 센서가 선재 표면을 좌우로 빠르게 훑으며 양쪽 표면까지 거리를 동시에 측정하는 방식이다.
특히 빛을 보내고 받는 경로가 거의 같은 '공초점 레이저' 방식을 채택해 은이나 구리처럼 빛 반사가 강한 금속 표면도 안정적으로 측정할 수 있도록 했다. 얇은 선재가 흔들림 없이 이동하도록 실시간 장력 제어 및 속도 자동 보정 기술을 적용하고 노이즈를 걸러내는 독자적인 데이터 분석 프로그램을 국내 기술로 구축해 시스템 신뢰성을 극대화했다.
개발한 시스템은 선재가 시간당 100m 속도로 이동하며 진동하는 이송 환경에서도 측정 오차를 초미세먼지보다도 작은 ±1.5㎛ 이하로 억제하는 정밀도를 구현했다. 센서 이동 속도를 초당 4㎜ 이하로 정밀하게 제어하면 반복 측정 오차는 0.2㎛ 이하로 줄어드는 것을 확인했다.
고온초전도 선재뿐만 아니라 이차전지에 쓰이는 구리·알루미늄박, 금속 압연재, 박막 태양전지, 전자소재용 정밀 필름 등 얇고 긴 형태로 연속 생산되는 다양한 첨단소재의 품질 검사에도 즉시 적용할 수 있어 다양한 분야로의 확장이 기대된다.
학계에서도 단순 장비 개발을 넘어 전해연마, 코팅, 구리도금 등 실제 제조 단계별로 선재 형상 변화를 3차원으로 분석하고 공정 개선 방향까지 제시했다는 점에서 크게 주목하고 있다. 까다로운 미국 특허 등록을 포함해 국내외 특허 출원까지 성공적으로 마쳐 확실한 원천 기술을 확보했다.
하홍수 박사는 “이번 기술은 보이지 않는 미세 오차를 생산 단계에서 조기에 찾아내 첨단소재의 품질을 스스로 관리하도록 돕는 스마트 제조 기술의 진정한 출발점이 될 것”이라고 강조했다.
노동균 기자 defrost@etnews.com
