전기전자/정보통신

닛케이 일렉트로닉스_26.01호

후루카와전기공업∙교토대학∙KEK, 대전류 교류가 가능한 고온 초전도 소재 개발
타깃은 2040년, 핵융합로와 항공기의 전동화에 기여

후루카와(古河)전기공업이 고온 초전도 기술의 사회 구현을 목표로 하고 있다. 고온 초전도체는 많은 양의 전류를 흐르게 하는 데 뛰어나 산업용 코일로써 소형 핵융합로나 전동 항공기용 모터로의 응용이 기대되고 있다. 후루카와전기공업은 교토대학 등과 협력해 2040년경의 실용화를 목표로 연구개발을 추진하고 있다.

후루카와전기공업이 2025년 10월 16일에 개최한 설명회에서 후루카와전기공업 연구개발본부의 히로세(廣瀨) 초전도사업추진부장은 “사회 구현을 강하게 의식하고 있다.”라고 언급하며, ”과제는 존재하지만, 구현된다면 에너지와 의료 등의 사회적 과제 해결로 이어질 것이다.”라고 밝혔다.

-- 왜 고온 초전도인가? --
고온 초전도 기술은 전기 저항이 제로가 되는 특성을 이용해 손실 없이 전류를 흐르게 한다. 저온 초전도도 마찬가지이지만, 고온 초전도가 좀더 고밀도로 전류를 흐르게 할 수 있으며, 온도 변화에도 강하다. 핵융합로와 의료용 가속기를 소형화하기 위해서는 고온 초전도 기술이 필수적이다.

대표적인 응용 기기인 고온 초전도 코일은 자기장 가둠 방식의 핵융합로에서 높은 자기장을 생성하기 위해 사용된다. 암 치료 장치로 기대를 모으고 있는 의료 가속기에도 입자 가속에 고온 초전도 코일이 사용된다. 또한, 대전류 교류를 흐르게 할 수 있는 고온 초전도 코일이 실현된다면, 산업용 모터에 응용할 수 있어 항공기를 전동화하는 것도 가능할 수 있다.

앞으로 시장 규모가 확대될 것으로 예측되고 있는 고온 초전도체. 미국 Global Market Insights에 따르면, 2034년에 세계 시장 규모가 16억 달러(약 2,400억 엔)에 이를 것이라고 한다.

-- 교류를 흐르게 할 수 있는 SCSC-IFB 케이블 --
후루카와전기공업은 대전류 교류를 안정적으로 흐르게 할 수 있는 ‘SCSC-IFB(Inter-Filament Bridge) 케이블’을 새롭게 개발하고 있다. 교토대학과 산업기술종합연구소, 고에너지가속기연구기구(KEK)와 협력해 실제 사용에 견딜 수 있는 케이블의 구조와 제조 방법을 모색하고 있다. 신에너지·산업기술종합개발기구(NEDO)의 지원을 받아 2026년 3월까지 SCSC-IFB 케이블을 시작(試作)·평가할 예정이다.

SCSC 케이블은 원래 2023년에 후루카와전기공업과 교토대학이 공동으로 개발한 것이다. 테이프 형태의 고온 초전도 선재(REBCO)를 코어 재료에 감아 만든 구조를 취하고 있다. 킬로암페어(kA)급의 교류 전류를 흐르게 하기 위해 가늘게 분할한 REBCO를 나선형으로 감았다.

SCSC 케이블을 산업에 응용할 때 가장 큰 걸림돌은 흐르는 전류의 안정성이다. 기존의 SCSC 케이블은 교류를 흐르게 하기 쉽지만, 흐르는 전류의 안정성에 문제가 있었다. SCSC-IFB 케이블은 REBCO을 특수 가공해 전류의 안정성을 높였다.

-- 초전도 브릿지를 이용해 결함 우회 --
기존의 SCSC 케이블은 약 4mm 폭의 테이프 형태의 REBCO에 홈을 만들어 가늘게 분할해 만든 여러 개의 필라멘트(멀티필라멘트)로 되어 있다. 이 멀티필라멘트의 REBCO 선재를 나선형으로 4겹 감았다. 하지만 분할로 인해 필라멘트가 가늘어지면, 필라멘트에 포함된 국소적 결함으로 인해 전류가 차단되어 흐르지 않는 경우가 있었다.

설계를 지원하는 교토대학 대학원 공학연구과 전기공학 전공의 아메미아(雨宮) 교수는 “이러한 문제를 해결하기 위해 전류가 결함을 우회하는 초전도 브릿지를 만들었다.”라고 해결책을 설명한다. 필라멘트 간이 연결되도록 초전도 브릿지를 만들면, 국소적 결함으로 인해 차단된 전류가 브리지를 통해 인접한 필라멘트로 이동하여 흐르게 된다. 그래서 SCSC-IFB 케이블은 고온 초전도 선재의 품질에 좌우되지 않고 안정적으로 교류 전류를 흐르게 할 수 있다고 한다.

-- 고속 레이저 가공으로 대량 생산 --
SCSC-IFB 케이블에 사용되는 특수한 고온 초전도 선재 ‘IFB-REBCO’는 산업기술종합연구소의 협력 아래 개발하고 있다. 산업기술종합연구소의 레이저 가공 기술을 이용해 고온 초전도 선재 위에 초전도 브릿지를 제조. 구체적으로는, 간헐적으로 출력되는 레이저로 REBCO 표면을 깎아 박음질선과 같은 절개를 넣는다.

초전도 특성에 영향을 주지 않으며, 고속으로 고온 초전도 선재를 가공할 수 있는 조건은 제한적이다. 산업기술종합연구소 연구전략본부 기획부의 나라사키(奈良崎) 실장은 “이것은 매우 도전적인 과제다.”라고 말한다.

브릿지의 폭이나 수 등의 조건으로 SCSC-IFB 케이블의 특성은 달라진다. 나라사키 실장은 “데이터 구동형 레이저로 가공 조건을 효율적으로 찾아낼 수 있다.”라고 말한다. 양산 시스템에 대해서는 갈바노 스캐너(Galvanometer Scanner)를 이용해 레이저를 제어하여 고속 가공하는 방법을 검토하고 있다.

-- 견고한 케이블을 목표로 --
KEK가 SCSC-IFB 케이블의 견고함을 평가한다. 산업 기기에 사용할 때에는 SCSC-IFB 케이블을 가공해 코일로 만든다. 케이블을 가공할 때 필요한 부하가 가해져도 전류가 원활히 흘러야 한다.

KEK는 IFB-REBCO 선재를 코어 재료에 감았을 때 발생하는 특성 변화와 SCSC-IFB 케이블을 구부렸을 때의 특성을 평가한다. 이 외에도 기계적 특성에 대해 산업 기기에 사용되었을 때 예상되는 부하를 재현하고, 케이블이 실제 사용에 견딜 수 있는 조건을 조사한다.

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