KERI, 초전도 선재 3차원 연속검사 기술 개발
수백 미터에 이르는 초전도 선재를 자르지 않고 이동시키면서 표면의 미세한 굴곡까지 3차원으로 확인하는 검사 기술이 개발됐다. 한국전기연구원(KERI)은 상·하 동축 색채 공초점 센서를 이용한 3D 연속 초정밀 검사 시스템을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다. ‘세계 최초’는 KERI가 해당 센서 구성과 진동 보정, 마이크로미터급 정밀도, 3차원 형상화를 결합한 시스템에 대해 제시한 설명이다.
KERI 극저온기기연구센터 하홍수·박인성 박사팀이 개발한 시스템은 테이프 형태의 고온초전도 선재에서 두께와 폭, 표면 형상을 비접촉 방식으로 연속 측정한다. 고온초전도 선재는 특정 온도 아래에서 전기저항이 사라져 큰 전류를 손실 없이 흘릴 수 있는 소재다. 핵융합 장치와 의료용 자기공명영상장치(MRI), 고효율 전력기기에 들어가는 초전도 자석의 핵심 부품으로 쓰인다.
선재는 두께가 수십 마이크로미터(㎛), 폭이 4~12㎜인 얇고 긴 테이프 형태다. 1㎛는 1㎜의 1000분의 1이다. 초전도 자석은 이 선재를 수백 겹 감아 만들기 때문에 한 가닥의 두께가 몇 마이크로미터만 달라도 오차가 누적될 수 있다. 자석 형상이 뒤틀리면 특정 부위에 힘이 몰려 파손되거나 자기장이 불안정해져 장비 성능이 떨어질 수 있다.
기존 접촉식 검사는 선재 표면을 긁거나 오염시킬 가능성이 있었다. 비접촉 검사는 선재를 이송할 때 생기는 흔들림 때문에 긴 구간을 정밀하게 재는 데 한계가 있었고, 일부를 잘라 현미경으로 단면을 확인해야 하기도 했다. 연구팀은 한쪽 릴에서 다른 릴로 선재를 옮기는 릴투릴 장치에 위아래로 마주 보는 색채 공초점 레이저 센서를 결합했다. 두 센서가 양쪽 표면을 동시에 읽고, 실시간 장력 제어와 속도 자동 보정, 자체 데이터 분석으로 진동에 따른 오차를 줄이는 방식이다.
시스템은 선재가 시간당 100m 속도로 움직일 때도 측정 오차를 1.5㎛ 이하로 유지했다. 센서의 폭 방향 이동 속도를 초당 4㎜ 이하로 제어하면 반복 측정 오차는 0.2㎛ 이하까지 낮아졌다. 이에 따라 선재를 절단하지 않고 어느 부분이 얇거나 두꺼운지, 표면이 볼록하거나 오목한지를 실시간 3차원 지도로 확인할 수 있다.
관련 성과는 IEEE 국제학술지에 2024년부터 2026년까지 논문 3편으로 발표됐다. 2025년 연구에서는 12m 길이 구리도금 선재를 길이와 폭 방향으로 10회 반복 측정하고 광학현미경 단면 결과와 비교했다. 2026년 연구는 원금속 기판부터 전해연마, 여러 층의 증착, 슬리팅, 구리 전기도금까지 제조 단계별 두께를 조사했다. 가장자리가 가늘어지는 현상과 전기도금 과정에서 가장자리가 두꺼워지는 ‘도그본’ 형상도 확인했다.
릴투릴 방식으로 초전도 테이프의 폭과 두께를 재는 개념 자체는 이전에도 제시됐다. 2005년 출원된 미국 특허 US 7,854,057 B2는 두 릴 사이에서 장선재의 치수를 측정하고 위치별 프로파일을 만드는 방식을 다뤘다. 이번 성과의 차별점은 상·하 동축 센서의 동기 주사와 진동 보정, 마이크로미터급 측정, 3차원 형상화를 한 시스템에 결합한 데 있다.
KERI는 미국 특허 US 12,487,078 B2도 확보했다. 이 특허는 2022년 12월 5일 우선권을 두고 2023년 8월 7일 출원돼 2025년 12월 2일 등록됐다. 권리자는 KERI이며 발명자는 박인성·김관태·김호섭·하홍수다. 연구팀은 앞으로 측정 데이터를 생산설비와 연결해 도금과 압연 조건을 자동 조절하는 스마트 품질관리 기술로 발전시킬 계획이다. 이 기술은 이차전지용 구리박·알루미늄박, 금속 압연재, 박막 태양전지와 정밀 필름 검사에도 활용할 수 있다.
자료: 한국전기연구원(KERI), IEEE, 미국 특허상표청(USPTO)