일본산업뉴스요약

초과 수요의 고온 초전도 선재
제조 현장을 통해 알게 된 생산 효율 향상을 위한 비장의 무기

“고온 초전도(HTS)는 기초연구 중 하나에 불과하다”. 기자가 2010년대 후반에 대학에서 배운 초전도는 이러한 이미지였다. 하지만 2020년 이후, 핵융합 발전용을 목표로 한 연구·개발이 활발해지면서 HTS에 사용되는 선재에 큰 수요가 생겨났다. 초전도 모터라는 응용처도 검토되고 있는 등, HTS 선재의 존재감은 점점 더 커지고 있다.

이러한 변화를 전달하기 위해 기자는 HTS를 활용하는 기술 및 응용처 등에 대한 특집 기사를 집필했다. 취재 과정에서 기자는 HTS 선재 수요에 대해 공급 측이 힘겹게 대응하고 있다는 사실을 알게 되었다. HTS 선재는 일반적인 금속 선재와 같은 인출 가공법으로 만들 수 없어 대량 생산에 적합하지 않기 때문이다. 본래 만드는 자체가 어렵다. “선재 내부 결정의 방향(방위)이 조금이라도 어긋나면 전류가 흐르지 않게 된다”(초전도 기술 연구자)라고 한다.

주요 응용처인 핵융합 발전은 아직 연구개발 단계이지만, 코일에 사용되는 선재 길이는 표준 핵융합로 1기당 1만 km 이상에 달한다고 한다.

그렇다면 제조가 어려운 HTS 선재는 어떻게 만들어지는 것일까? 기자는 제조 공장을 찾아 그 현장을 살펴보았다.

-- 기판의 표면 거칠기는 2나노 이하로 --
찾아간 곳은 HTS 선재를 전문으로 생산하는 Faraday Factory Japan(도쿄)의 공장이다. 가나가와(神奈川)현 자마(座間)시에 있다. Faraday Factory Japan은 2012년부터 HTS 선재를 출하해 왔으며, 2025년에는 연간 약 3,000km의 HTS 선재를 공급했다.

HTS 선재의 제조 공정은 다음과 같다. 먼저, ‘하스텔로이(Hastelloy)’라고 불리는 니켈 합금의 선재 기판을 준비한다. 선재 기판은 폭 12mm의 테이프 형태이다.

적층하기 전에 선재 기판의 하스텔로이 표면을 평탄하게 만든다. 표면 거칠기를 2나노미터(nm) 이하로 한다. 구연산을 사용해 기판 표면의 불순물을 씻어낸 뒤, 전해 연마를 통해 평탄하게 만든다.

평탄하게 만든 선재 기판에 산화막을 적층하고 그 다음에 중간층을 쌓아 올린다. 중간층은 초전도를 담당하는 층은 아니지만, 초전도층의 품질에 영향을 미치는 중요한 요소이다. 중간층의 결정 방위를 정렬함으로써 그 위에 설치되는 초전도층을 특정 결정 방위로 정렬할 수 있게 된다. ‘IBAD(Ion Beam Assisted Deposition)’라고 불리는 이온 빔을 이용한 방법으로 중간층에 해당하는 산화 마그네슘을 증착한다.

초전도층의 적층은 ‘펄스레이저 증착법(Pulsed Laser Deposition)’을 사용한다. 고 에너지의 펄스레이저로 원자의 결합을 절단하고, 초전도층이 되는 구리 산화물을 수 마이크로미터(μm) 두께로 성막한다. 중간층의 산화마그네슘에 따라 초전도층의 결정이 특정 방위로 정렬된다. 기자가 증착 챔버 내부를 보았을 때, 붉은 보라색 빛으로 인해 눈이 부셔 선글라스가 필요할 정도였다.

Faraday Factory Japan의 리 CEO에 따르면, “조성과 두께, 미세 구조를 엄밀하게 제어한 초전도층을 제조할 수 있다”라고 한다. 고 에너지 레이저를 사용함으로써 성막에 사용되는 챔버 내부의 오염도 억제되어 청소 시간이 짧아진다고 한다.

이와 같은 정밀한 성막 공정을 거친 뒤, 보호막 역할을 하는 은과 구리로 외부를 코팅하고 품질 검사를 진행한다. 선재의 두께와 전기 저항이 확인된 완제품을 약 2km 단위로 릴에 감아 출하한다.

-- 모든 공정을 하나의 라인으로 --
Faraday Factory Japan은 앞서 언급한 모든 제조 공정을 하나의 라인으로 통합하는 구상을 그리고 있다. Faraday Factory Japan은 현시점에서 산화막과 중간층이라는 두 가지 서로 다른 성막 공정을 하나의 라인으로 통합했다. 앞으로 기판 재료를 준비하는 공정과 초전도층의 성막 공정도 통합. 이를 통해 HTS 선재의 생산 효율을 높일 계획이라고 한다.

HTS 선재의 제조 공정을 하나의 라인으로 통합하는 것은 쉽지 않다. 예를 들어, 각 공정의 챔버 내부의 온도 및 압력, 선재가 통과하는 속도 등 조건이 다르기 때문에 이를 고려해 라인을 설계해야 한다. 리 CEO에 따르면, “아직도 많은 기업들이 성막 공정을 각각 독립된 라인에서 실시하고 있다”고 한다.

기자는 제조 과정을 이렇게까지 오픈해도 괜찮은지 리 CEO에게 질문했다. 그는 “처음엔 우려했지만, 공개해도 쉽게 모방할 수 없을 것이라고 결론 내렸다”라고 공개 이유를 설명했다. 그의 말대로 복수의 성막 공정을 제어하는 방법은 외관 상으로 알 수 없었다. 10년 넘게 HTS 선재 제조의 효율화를 실천해 온 Faraday Factory Japan의 자신감을 엿볼 수 있었다.

제조의 어려움과는 반대로 HTS 선재에 대한 수요는 최근 계속 증가하고 있다. 핵융합 시장이 활기를 띠면서 HTS 선재에 대한 관심이 높아져 연구개발용 생산량이 증가하고 있다. 앞으로 HTS 선재를 효율적으로 제조하는 방법은 점점 더 중요해질 것이다. 그 비장의 무기는 복잡한 성막 공정을 포함한 모든 공정이 하나의 제조 라인으로 통합된 공장이라고 생각한다.

-- 끝 --

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