연구 (Research)

핵융합 장치인 TOKAMAK 토로이드코일과 에너지저장장치(SMES)용 토로이드코일에 사용될 고온초전도 CORC (Conductor on Round Core) 교류용 대전류 케이블의 원천기술을 개발하고 있습니다.  여러 가닥의 고온초전도 선재를 적층하고 전위시켜서 교류 전류가 인가될 때 가능한 균등한 전류분포가 가능하도록 설계하고 제작하는 기술의 개발을 목표로 합니다. 이 기술은 미래 에너지를 위한 핵심 동력으로, 극한 환경에서 코일의 성능을 극대화하며 인류의 지속 가능한 에너지 확보와 효율적인 에너지 관리에 필수적인 역할을 할 것입니다. 

교류손실 측정기술 개발은 초전도 전력기기의 상용화를 저해하는 교류손실 문제를 해결하기 위한 핵심 기술 확보에 중점을 둡니다. 개발된 교류손실 측정 시스템은 시변 외부 자기장을 인가하는 마그넷, 자화량 측정을 위한 픽업/캔슬 코일, 시편의 3축 이송 시스템, 그리고 측정 데이터를 손실값으로 변환하는 MATLAB 코드 등으로 구성됩니다. 궁극적으로 이 기술은 저손실 대전류용 복합도체 개발에 기여하여 초전도 발전기, 리액터, 에너지 저장장치(SMES) 등 다양한 고효율 교류 전력기기 개발에 활용될 수 있으며, 이는 냉각 설비의 설치비 및 운용비 절감에도 기여할 것으로 기대됩니다. 

고온초전도 CORC 케이블의 접합 기술 개발은 대전류 도체의 실용화를 위한 핵심 기술로, 초전도 케이블의 장선화 및 대용량 자석 모듈화를 가능하게 하는 것을 목표로 합니다. 이 연구는 초전도 소선 간 재현성 있는 접합 기술(STS: Strand-to-Strand)과 대전류 도체와 금속 단자 간 접합(Cable-to-Metal) 두 가지 주요 유형을 포함합니다. 개발의 핵심은 20K 환경에서 1µΩ(마이크로옴) 미만의 매우 낮은 접합 저항을 달성하여 초전도 성능을 유지하고 냉각 부하를 최소화하는 것입니다. 이러한 접합 기술은 광범위한 초전도 응용 분야에 적용될 수 있는 기반 기술입니다. 

고온초전도 무접합 다중코일의 개발은 아직 완성되지 않은 고온초전도 접합기술의 대체기술로써, 무접합 권선을 이용하여 초전도 접합기술 없이 영구전류모드 운전이 가능한 고온초전도 마그넷의 제작 가능성을 검증하는 것을 목표로 합니다. 본 연구로 진행된 고온초전도 마그넷 권선기술, 냉각 및 영구전류 모드 운전기술, 초전도 전원장치 연구와 같은 고온초전도 고자기장 마그넷의 개발에 필요한 핵심 요소기술의 개발은 고자기장 마그넷 개발에 매우 중요한 성과가 됩니다. 이러한 고온초전도 무접합 마그넷은 분석용 고균일, 고자기장 DC 마그넷(NMR, MRI)에 활용될 수 있습니다.

실제 초전도 교류응용기기 개발시 가장 큰 문제는 교류 손실의 발생에 따른 냉각부하의 증가 및 이로 인한 경제성 저하 및 효율 저하이므로, 전력 응용기기에 요구되는 대용량화, 고효율화를 위해서는 고온초전도 교류손실 저감기술에 대한 연구는 필수적입니다. 테이프 형태인 고온초전도 선재의 특성상 교류손실 저감을 위해서는 선재를 분할(Striation)한 다심화(multi-filamentary)가 필요합니다. 현재의 기술 수준으로 폭을 줄이는 유일한 방법은 테이프 선재의 표면에 레이저나 화학적 방법을 이용하여 홈 가공하는 것입니다.

고온초전도 하이브리드 케이블의 개발은 대용량 교류 전력기기에 적용할 수 있는 새로운 형태의 저손실 복합도체를 개발하는 것을 목표로 합니다. 고온초전도 CORC 케이블의 원통형 포머 내에 적층형 직선 도체나 TSTC(Twisted Stacked Tape Cable) 같은 도체를 배치함으써, CORC의 포머 부피에 의한 도체의 공간적인 비효율성을 해결하고 코일로 권선시 권선영역의 전류밀도를 크게 증대시킬 수 있습니다. 또한, 현재 연구되고 있는 대전류 도체의 단점들을 보완하여 직류 및 교류 전력응용 분야에 폭 넓게 적용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

고온초전도 에너지저장장치(SMES)는 초전도 코일에 전류를 저장함으로써 전기에너지를 자기장 형태로 보존하고 필요 시 빠르게 방전할 수 있는 에너지저장장치입니다. 고온초전도체는 저항이 거의 없기 때문에 에너지 손실 없이 장시간 전류를 유지할 수 있으며, 밀리초 단위의 빠른 응답성과 높은 출력 특성을 가집니다. 이를 통해 전력 품질 개선, 주파수 안정화, 부하변동 대응 등의 분야에 활용될 수 있습니다. 향후 스마트그리드 및 고신뢰 전력망에서 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대됩니다. 

고온초전도 한류기는 전력계통에서 고장 시 발생하는 과도한 전류를 빠르게 제한하기 위해 개발된 차세대 보호장치입니다. 고온초전도체는 평상시에는 무저항 상태로 전류를 흐르게 하고, 임계전류를 초과하면 정상 저항 상태로 전이되어 고장전류를 억제합니다. 이러한 빠른 응답 특성은 기존 기계식 차단기보다 효율적인 보호 기능을 제공합니다. 고온초전도 한류기는 배전망, 산업설비, 송전망 등에서 적용이 가능하며, 전력계통의 신뢰성과 효율성 향상에 기여할 수 있습니다. 

고온초전도 전초전도 동기기는 회전자와 고정자에 고온초전도체를 적용하여 전류밀도를 높이고 전기저항 손실을 줄인 고효율·고성능 회전 전기기기입니다. 기존 동기기에 비해 크기와 무게를 줄이면서도 동일하거나 더 높은 출력을 낼 수 있으며, 고속 운전 및 고효율 운전이 가능합니다. 특히 선박 추진, 풍력 발전, 산업용 고출력 모터 등에서 적용성이 높습니다. 고온초전도체의 강한 자속밀도는 철심의 사용을 줄일 수 있어 기기의 소형화와 경량화에 기여합니다. 향후 에너지 고효율화 및 전력기기 경량화의 핵심 솔루션으로 주목받고 있습니다.

고온초전도 변압기(HTS Transformer)는 기존 구리 코일 대신 고온초전도체를 사용하여 전력 손실을 줄이고 부피와 무게를 크게 줄일 수 있는 변압기입니다. 초전도체는 전기저항이 거의 없어 에너지 손실이 적고, 높은 전류밀도를 처리할 수 있어 소형·고용량 설계가 가능합니다. 또한, 에너지 효율이 높고 친환경적이며, 소형화와 경량화가 가능해 도심 배전망 및 특수 산업설비에 적합합니다. 냉각 시스템의 안정성과 비용 문제는 주요 기술적 과제이지만, 미래 스마트 전력망과 고효율 송배전 시스템의 핵심 요소로 기대를 모으고 있습니다.