초전도선재를 이용하면 대전류를 손실 없이 통전할 수 있고 초전도 코일의 형태로 만들면 대공간에서 강자장을 발생시킬 수 있는 등의 장점이 있기 때문에 1960년대부터 초전도선재에 대한 많은 연구 개발이 이뤄졌다. 냉각으로 액체헬륨을 사용하는 Nb-Ti, Nb3Sn 등의 금속계 초전도선재는 극세다심선의 형태로 상용화돼 MRI, NMR, 핵융합장치, 입자가속기용 초전도자석에 사용되고 있으나 액체 헬륨을 사용하는 불편함과 비경제성으로 인해 한편 1986년을 기점으로 임계온도가 높은 구리산화물계 초전도체가 발견되면서 BSCCO, YBCO 물질을 선재로 가공하기 위한 연구개발이 활발하게 이뤄졌다.

◆ 초전도 선재의 종류 = 1세대 초전도선재는 고온초전도선재를 만드는 방법으로 먼저 성공한 것은 파우더 인 튜브(PIT)법을 사용했다. 비스무트, 스트론튬, 칼슘, 구리 산화물 분말을 조성비대로 섞고 은(銀)튜브에 충진해 만든 복합체를 인발-신선-압연 등의 기계가공과 열처리를 반복해 테이프 형상의 초전도선재를 제조한다, 그러나 이러한 방법으로 만든 초전도 선재에는 두 가지 문제점이 있다, 첫째는 매트릭스 소재로 은을 사용하기 때문이 초전도선재의 원가를 낮추기 어렵다는 것이고, 둘째는 초전도 응용을 위해서 임계전류밀도(Ic)는 높을수록 좋은데 임계 전류 밀도가 낮다는 것이다. 외부 자장과 임계전류밀도 특성 관계를 보면 초전도선재에 인가되는 외부 자장값이 높아질수록 선재의 Ic는 감소하는 경향을 보이는데 1G인 BSCCO 선재는 동작온도가 77K에 가까울수록 자장에 대해 Ic가 급격하게 감소하는 특징을 보인다. 높은 외부 자장하에서도 Ic가 크게 감소하지 않는 초전도선재를 제조할 수 있으면 고온초전도기기를 실용화하는데 아주 유리하다고 할 수 있다.

1세대 초전도선재는 2000년 미국의 AMSC(American Superconductor Corporation)社에서 최초로 상용화를 시작했고 일본의 Sumitomo社에서는 2008년 상용화를 개시했으나, 한계 가격이 200달러/kAm으로 초전도 케이블 선재로서의 가격 경쟁력을 상실했다.

1세대 선재의 문제점을 해결하기 위해 개발된 2세대 고온초전도 선재는 유연한 금속기판 위에 증작된 다층의 박막구조로 이뤄져 있으며, 흔히 Coated Conductor(이하 CC)라고 부른다. 1990년대부터 CC를 상용화하기 위한 미국, 일본 등의 연구 개발이 경쟁적으로 이뤄지면서 케이블, 변압기, 모터 등의 초전도기기를 제작하던 연구 동향이 CC를 사용하는 쪽으로 그 경향이 많이 바뀌고 있다. 2세대 초전도선재는 2001년 최초 개발 이후 2007년에 미국의 AMSC社와 Superpower社에 의해 상용화가 시작됐으며, 한계 가격이 50달러/kAm 이하로 동(銅) 가격보다 저렴해질 가능성이 확보됐다.

◆ 주요 개발 업체 및 연구 동향 = 미국 SuperPower社는 1㎞급 선재에서 282A/㎝-w의 임계전류를 달성했고, 고자장용 CC를 개발해 77K에서 1.38T를 발생시키는 코일 개발에 성공했다. CC 성능의 주요 지표인 Ic×L값이 SuperPower社에 의해 최초로 30만Am를 넘어선 것도 의미가 크다고 할 수 있다. 또한 SuperPower社는 Planarized Ytrria 기판 테이프를 이용해 임계전류 Ic가 140A/㎝에 이르는 초전도층 증착에 성공했다고 보고했다. 그러나 SuperPower社의 연간 생산 능력은 10㎞ 이하로서 양산 능력 확보가 시급할 것으로 판단되며, 현재 한계 가격이 40달러/kAm 수준에 그치고 있다.

AMSC社는 업계 최고 생산 공정을 확보하고 있으며, 500m급 CC에서 최소 100A/m의 Ic 성능을 달성했다. 또한 1회 코팅의 박막만으로 120A/m의 Ic 특성을 달성하는 것을 향 후 목표로 하고 있다. 특히 연간 1000㎞의 양산 능력을 보유하고 있고, 500m 길이의 한계 가격 또한 최저 수준인 20달러/kAm 까지 낮춰 현재 전 세계 2세대 초전도 선재 시장의 75%를 점유하고 있다.

일본 Furukawa社는 연간 수십 ㎞ 정도의 생산 능력을 가지고 있어 일본 내 R/D용으로만 사용 가능하다. Fujikura社 및 Showa社는 NEDO의 선행 프로젝트에서 YBCO계 선재의 장선화와 고성능화 연구를 수행했다. 또한 ISTEC과의 공동 개발로 500m 길이에서 Ic>300A/㎝-w 특성의 CC를 개발했으며, 이 성과를 바탕으로 SMES, 케이블, 변압기 등의 초전도 전력기기의 Proto-type 실증을 목적으로 하는 ‘Y계 초전도 전력기기 기술 개발’ M-PACC 프로젝트가 2008년 6월에 시작됐다. 이 프로젝트에서는 CC의 양산 기술 개발과 함께 2012년까지 Proto-type 초전도 기기들의 개발·실증을 목표로 사업을 진행 중이다. 또한 CC 개발과 관련해서는 장기적으로 2020년쯤으로 예상되는 초전도 기기의 실용화∙도입 단계에 실질적 사용을 목표로 하고 있다.

최근의 주요 연구 성과를 보면 Fujikura社에서는 175m의 길이에서 Ic>300A로 균일한 특성의 CC를 제조를 성공했으며, 504m 길이에서 350A/㎝-w의 Ic 특성을 달성해 이에 따른 Ic×L값이 17만6400m에 달한 것으로 보고됐다. 또한 Showa社에서는 Ic>310A/㎝-w의 특성에 도달했음이 보고됐다.

국내에서는 21세기 프론티어 DAPAS(Dream of Advanced Power system by Applied Superconductivity technology) 사업에서 2001년부터 CC를 개발하는 연구를 수행하고 있으며 2010년 4월부터 3단계 마지막 4차년도 연구를 진행 중이다. 초전도 기기와 계통적용기술을 개발하는 세부과제들과 CC를 개발하는 세부과제로 구성된 DAPAS 사업에서 한국전기연구원이 CC 상용화 연구 사업을 총괄하고 있고 3단계 사업부터 (주)서남이 참여 기업으로 CC의 생산기술 개발연구를 수행하고 있다.

서남은 최근 CC 생산 라인을 구축했고 금속기판의 전해 연마, 완충층, 초전도층의 증착 공정, 안정화층을 위한 연속구리도금까지 전 공정단계를 제조할 수 있는 기술을 확립해 나가고 있으며 최근 Ic>300A/㎝-w특성의 선재를 300m이상의 길이로 제조하는데 성공했다. 이는 CC성능면에서 세계적 수준의 연구 성과이며, 서남은 DAPAS사업을 통해 외국과는 차별화된 고속화 증착 공정으로 CC의 상용화 개발에 박차를 가하고 있다.

◆ 케이블용 초전도 선재 선택 = 현재 초전도 선재 개발 선두 업체들의 연구·개발 및 상용화 실적을 감안했을 때 초전도 케이블용 선재의 상용화 판단 기준은 초전도 케이블 제작 용이성, 연간 양산 능력, 한계 가격 등이다.

우선 케이블 제작의 용이성 측면에서 AMSC社는 RABiTS(Rolling Assisted Bi-axially Textured Substrate) 기법을 사용하며, MOD(Metal Organic Deposition) 공정으로 초전도 층을 증착해 CC를 제조하고 있다. AMSC社 공정의 핵심은 Superconductor, Substrate 및 Lamination/Stabilizer를 압착, 가열, 냉각 등의 공정을 거쳐 박막/적층 구조로 제작하는 것이며, Substrate로서 YBCO 초전도체(Superconductor) 보다 열팽창계수가 높은 Stainless Steel을 사용해 외부 장력(tensile) 및 휨응력(bending stress)에 대한 초전도 선재의 물리적 특성을 향상했다. 이와 같은 선재의 물리적 성능 향상을 통해 외부의 장력 등으로 인한 초전도 선재의 임계전류 감소 현상을 극복할 수 있고, 또한 초전도 케이블 제작에 적용 시 포머 외부에 초전도 선재를 용이하게 부착할 수 있다. 현재 AMSC社는 이에 대한 특허를 보유하고 있다.

SuperPower社는 IBAD(Ion-Beam Assisted Deposition) Texture Template을 사용하며, MOCVD(Metal-Organic chemical vapor deposition) 공정으로 YBCO 혹은 (Y,Re)BCO 초전도층을 증착하는 구조의 CC를 제조하고 있는데 주로 bare wire 형태로서 외부 장력, 휨응력 등에 대한 물리적 저항력이 약해 초전도 케이블의 포머에 밀착하기 어려우며, 외부의 장력 등으로 인한 초전도 선재의 임계전류 감소 현상이 발생할 수 있다.

Fujikura社는 최근 IBAD-MgO의 고속화에 성공했고 전 길이에서 CeO2층의 In-plane 배향성이 균일한 MgO 기반의 IBAD 기판을 제조하는 기술을 개발했다. Showa社는 세계에서 유일하게 배치식 열처리를 이용해 TFA-MOD법으로 CC를 제조하고 있으나, 양사의 초전도 선재 모두 SuperPower社의 선재와 마찬가지로 물리적 특성이 취약해 초전도 케이블 제작용으로 사용하기에 어려움이 있다.

서남은 DAPAS 사업에서 2세대 고온초전도선재를 개발하기 시작한 것은 선진국보다 늦었지만 현재 개발 중인 RCE(Reactive Co-Evaporation) 공정은 특화된 고속공정으로서 가격 경쟁력 면에서 유리하기 때문에 상용화 측면에서는 외국보다 앞서 나갈 수 있는 여지가 많다. 따라서 현재 개발 중인 RCE 공정에 집중해 장선공정으로 안정화시키고 최적화를 통해 결함이 적고 임계전류 성능이 600A(1㎝ 폭 기준)를 넘는 ㎞급 2세대 고온초전도선을 개발한다면 향후 초전도 선재 세계 시장을 주도할 가능성이 높다.

연간 양산 능력 측면에서 AMSC社의 경우 연간 700㎞ 이상의 양산 능력을 갖추고 있으며, 2012년 연간 2000㎞의 양산 능력 보유를 목표로 생산라인 증설에 대규모 투자를 진행 중이나, AMSC社 이외의 업체들은 현재 연간 100㎞ 이내의 선재 양산 능력을 보유하고 있고 향후 생산 라인 증설에 대한 계획도 불투명하다. 따라서 1㎞ 길이의 송전급(154㎸) 및 배전급(22.9㎸급) 초전도 케이블 제작 시 소요되는 초전도선재가 각각 700㎞와 150㎞ 내외임을 감안해 초전도선재 공급 업체를 선정할 필요가 있다. 서남의 경우 현재 초전도선재 및 생산라인 개발 단계에 있어 양산 능력은 갖추는데 최소 3~5년이 소요될 전망이다.

◆ 초전도 케이블용 단말(EB-A)과 중간 접속함(NJB) = 2세트의 단말이 각각 초전도 케이블 양단에 접속된다. 단말의 구체적 사양은 초전도 케이블의 설계기준을 동일하게 적용해 산출된다. 초전도 케이블용 단말은 3상 분기부 및 도체 접속부, 기중 노출부, 도체 인출봉, 외함으로 구성된다.
22.9 ㎸ 초전도 케이블 접속함은 3상 접속재가 1개의 외함에 수납되는 구조로, 케이블간의 전기적 접속을 목적으로 하는 직선 접속함 중 보통 접속함(NJB, Non-Insulated Joint Box)으로 구분된다. 중간 접속함은 도체접속, 보강 절연, 초전도 차폐접속, 외함 등으로 구성된다.

◆ 냉각시스템 = 냉각 시스템은 22.9㎸ 초전도 케이블 시스템을 운전 가능한 온도 범위내로 유지하기 위한 기기로 정의된다.

냉각시스템은 압력 제어기, 순환 펌프, 저온 제어기, 압력 완화 장치, 기액 분리기, 순환 파이프로 구성된다. 각 구성품의 재질은 기계적 강도 및 기능에 따라 동 및 스테인리스강으로 구성된다. 또한 각 구성품을 무인 자동 운전 가능하도록 제어하는 자동제어시스템을 장치할 수 있다. 냉각시스템은 압력제어기, 순환 펌프, 저온 제어기, 기액 분리기, 순환 파이프, 자동 제어 시스템 등으로 구성된다.

압력 제어기는 초전도 케이블 시스템의 압력을 조절하는 용도로 구성되며 사용 압력은 최대 10bar로 제한된다. 순환 펌프는 초전도 케이블 시스템의 초전도 상태 유지 및 절연내력을 유지하기 위한 냉매인 액체질소를 초전도 케이블, 단말 및 중간접속함으로 순환시키기 위한 기기로 각 기기의 구조, 발생 열량 및 단열 조건에 따라서 설계한다.

저온 용기는 단열 용기와 극저온 냉동기 및 열교환기로 구성된다. 초전도 케이블 시스템을 냉각한 냉매를 극저온 냉동기 및 열교환기를 통해 사용 범위에 알맞은 온도인 66~80K로 냉각하는 기능을 수행할 수 있도록 설계한다. 압력 완화 장치는 단열용기와 급격한 시스템의 압력 상승·저하를 완충하는 장치로 구성된다. 초전도 케이블 시스템의 사고전류, 비상운전 등에 따라 온도가 급격히 상승할 경우, 액체질소 압력을 제어 범위인 최대 10bar 이내로 제한할 수 있도록 설계한다.

기액 분리기는 액체질소 순환 및 냉각 과정에서 발생할 수 있는 기포를 제거하기 위한 장치로 액체질소와 기체질소를 분리해 액체질소를 초전도 케이블 시스템으로 공급할 수 있도록 설계한다. 순환 파이프는 초전도 케이블 시스템을 냉각시킨 액체질소 냉매를 냉각시스템으로 전송하는 목적으로 설치한다.

자동제어 시스템은 초전도 케이블의 정상적인 운전을 보장하기 위한 냉각시스템의 운전 조건을 입력해 무인 자동 운전이 가능토록 설계한다. 또한, 인터넷 및 무선(핸드폰)으로 운전상태 감시 및 제어 기능을 포함한다.