고온 초전도체 세라믹의 미래
 편집부(외신)

다양한 전력 제품에 사용될 고온 초전도체의 큰 규모의 상업화를 가능하게 할 새로운 기술을 개발하기 위한 전 세계적인 노력이 계속되고 있다. 이러한 노력의 주된 목표는 저가 에너지의 전송 변형, 발생 조절 그리고 저장하는 데 사용될 구조적으로 신뢰성 있고 경제적으로 유지 가능한 고온 초전도체 구현물의 제조법을 개발하고 만드는 것이다.
연구 활동은 가공 공정의 이해와 변형, 통제 그리고 상업적인 전도체의 대량 생산을 위한 실질적인 방법을 개발함으로써 고온 초전도체의 전기적 성능을 향상시키는 데 초점이 맞춰져 있다. 기다란 고온 초전도체를 제조하는 기술의 최적화가 가장 강조되고 있다. 이러한 관점에서 세라믹 과학과 기술이 주요한 역할을 하고 있다고 할 수 있다.
흔히 2세대 또는 코팅된 전도체라고 불리는 양축방향으로 배열되어 있는 YBa2Cu3O7-x(YBCO)로 코팅되어 있는 기다란 테이프가 큰 규모의 고온 초전도체를 상용화할 수 있는 후보로 지목되고 있다. 2세대 전도체로 만들어진 전력 시스템과 장치는 몇 가지 엄격한 요구사항을 만족시켜야 한다. 전도체는 몇몇 응용 제품에 사용되기 위해서 큰 자기장이 존재하고 있는 상황에서도 반드시 킬로암페어 수준의 전류를 고전압에서 흘릴 수 있어야 한다. 또한 강하면서도 유연해야 하며 극저온에서도 안정해야 한다.
이러한 전도체는 전송 라인, 모터, 발전기, 변압기, 자기 에너지 저장 유닛과 전력 조절 장치에 사용될 것으로 기대되고 있다. 현재 YBCO 코팅 전도체가 대면적 사용을 위해 극복해야 하는 장애물에는 주어진 큰 자기장에서의 낮은 임계전류밀도와 기계적 특성 마진 그리고 기다란 길이(킬로미터 단위)에서 균일한 특성을 갖는 전도체 제조의 효율성 문제가 있다. 향후 10년 후에 생산될 2G 전도체 성능의 목표치 다음과 같다.
.약 1000A/(cm 너비)의 임계 전류
.일반 자기장에서의 15kA/cm2의 공학 임계 전류 밀도
.$10/kA·m의 비용으로 100km/d이상의 용량으로 공장에서 1000m 길이의 제품의 연속 생산 공정이 가능

기술의 과거와 현재
고온 초전도체는 1986년 Bednorz와 Muller에 의해 발견되었다. 이 발견과 더 높은 온도에서 초전도성을 갖는 산화물과 보라이드(boride) 재료의 발견은 발전, 의학용, 통신용 제품에 사용될 수 있는 초전도체 기반 제품의 상업화 노력에 불을 지폈다.
고온 초전도체가 처음 발견된 지 20년이 지난 지금, 얇고 유연하고 cuprate 기반 초전도체를 킬로미터 길이로 만들 수 있게 되었다. 고전력 전송 라인, 모터 변압기와 한류기(fault current limiter)의 제조와 효율적인 사용이 이미 구현된 바 있다. 고온 초전도체를 포함하여 강력한 자기장을 형성하는 자석의 동작을 성공적으로 시연하였다. 그러나 대형 시장을 유지하기 위한 규모로 생산하기 위해서 넘어야할 산이 많이 남아 있다.
대량 생산 충족을 위한 핵심 사항
고온 초전도체 제품을 생산하는 데 가장 중요한 핵심사항은 시장 표준(즉, 구리-XLPE)에 비교해 적당한 가격/성능을 제공할 수 있는 기다란 길이의 유연한 전도체를 만드는 것이다. 두 가지 사항이 핵심적인 사항이다. 와이어의 제조비용과 구리를 대체하여 얻을 수 있는 장기 투자금 회수가 그것이다. 고온 초전도체의 초저온 요구사항과 동작 신뢰성과 설치/유지 문제를 고려하면 문제는 더욱 복잡해진다.
현재 장비에 적용할 수 있는 전도체 후보는 은을 씌운 BSCCO-2223 테이프(킬로미터 길이로 만들 수 있음)이다. 그러나 이 전도체를 성숙한 산업의 수준으로 만들 때 예상되는 금액이 $200~400/kA·m이다. 이 비용은 구리의 단가가 전도체의 수요가 증가함에 따라 상승된다는 것을 감안하더라도 현재 $10/kA·m 수준인 것을 감안할 때 매우 높은 비용이다.
은을 씌운 BSCCO-2223(소위 1세대 전도체)의 생산 비용 장벽은 넘기 어려운 것처럼 보인다. 그렇기 때문에 1990년도 이후, 경제적으로 생산할 수 있는 고온 초전도체는 양축방향으로 배향되어 있는 YBa2Cu3O7-x 코팅된 전도체(YBCO-CC)에 의존하게 된 것이다.
현재, 세계의 YBCO-CC 선진 제조업체는 100m이상의 길이(센티미터 당 수백 암페어의 전류를 흘릴 수 있음)로 2세대 전도체를 생산하고 있다. 생산 단가 전망도 구리와 비교해 매우 낙관적이다. 이는 매우 고무적인 일이라고 할 수 있다. 그러나 상업적으로 실용적이라고 말할수 있는 YBCO-CC가 만들어지기 위해서는 수많은 연구가 선행되어야 한다.
 1세대 BSCCO-2223과 유사하게, 2세대 YBCO-CC는 세라믹 재료이다. YBCO-CC 개발이 봉착한 문제의 대부분은 세라믹 특성과 관련된 것들이다. cuprate 초전도체는 복잡하고, 여러개의 상을 가지고 있으며 깨지기 쉽고, 어떤 경우에는 휘발성이 있는 재료이다. 2세대 YBCO-CC는 버퍼역할을 하는 방향성 있게 배향된 금속 층위에 초전도체 물질을 성장시킨 것이다. YBCO와 버퍼 층의 격자 일치와 화학적 적합성, 층간 확산 방지, 버퍼 층 전도성과 열기계적인 저항성이 YBCO-CC가 제 성능을 완전히 발휘하기 위해 최적화되어야 한다.
YBCO가 전력 전송과 변전 시장에 진입하기 위해서는 다음과 같은 핵심 성능과 특성이 개선되어야 한다.
.상대적으로 얇은 YBCO 박막(약 1㎛ 두께)에서 높은 전송 전류가 가능해야 한다. 두꺼운 YBCO 막에 적용할 때보다 원천적인 고임계 전류 밀도를 갖는 것이 좋다.
.65나 77K에서 전류 수송 능력이 더 강력한 흐름 고정 센터의 최적화된 입력을 통해서 향상되어야 한다.
.원형이나 줄 형태의 전도체 원소와 같은 새로운 전도체 구조를 통해 교류 손실 문제가 해결되어야 한다.
.단일 버퍼 층을 이용한 구분 공정과 단일 패스 YBCO 증착이 반드시 개발되어야 한다.
.저항성 결합부의 증가 없이 YBCO-CC 테이프 부분의 접합 공정이 반드시 개발되어야 한다.

로드맵 마커
미국 DOE/OE(Department of Energy’s Office of Electricity Delivery and Energy Reliability)는 2세대 전도체의 상업화를 위한 로드맵을 준비, 지속적인 업데이트를 진행해 왔다.
가장 대표적인 2세대 전도체 개발 내용을 설명한 논문이 출판되었다. 고온 초전도체의 응용처와 기술적인 난관을 리뷰한 논문도 잇달아 출판되었다.
2006년 DOE/OE 연간 와이어 개발 워크숍에서 2세대 전도체 개발 상황의 최신 현황이 발표되었다. 1, 4, 9년 동안 개발된 내용이 발표되었다. 대형 시장의 수요를 만족시키기 위해, 각 100km/d의 생산 용량을 가진 몇 개의 공장이 필요하다는 결론이 나왔다. 그러한 고장의 개수는 실제 시장의 규모를 뜻하는 것이다.
요구되는 구체적인 R&D
임계 전류. 임계 전류(Ic)를 목표치에 도달하게 하기 위해서 요구되는 필수적인 요소들이 있다. 평면에 대한 YBCO의 어긋난 각도가 2도 이하가 되게 해야 한다. 현재 얻어진 값은 약 5도 정도이다. 전류 밀도(Jc)는 YBCO 결정립의 어긋난 각도가 증가할수록 반비례하여 감소한다. 그렇기 때문에 YBCO 박막의 결정립계 관련 약한-결합 문제는 2세대 전도체 R&D의 최우선 과제라고 할 수 있다. 더구나 YBCO막 두께 증가에 따른 Jc 감소에 대한 완벽하지 못한 이해도 해결되어야 할 문제 중에 하나라고 할 수 있다. 그렇기 때문에 최대로 가능한 진성 Jc는 YBCO 박막 공정의 중요한 개발 목표로 남아있게 된다.

임계 전류 밀도. 임계 전류 밀도(Je) 향상과 관련된 요소는 자기 장(H)이 1T인 곳에서 유량 고정인 경우 중요하게 여겨진다. 점 결함, 면 결함과 나노입자의 역할이 보다 명료하게 파악되어야 할 필요가 있다. 자기장 방향 각도(θ)에 한 Jc를 얻기 위한 목표가 설정되었다. 감는 동작이 관련된 모터 발전기, 변압기와 같은 경우에 전도체 성능을 최적화하기 위해서는 최대한 균일하게 하는 것이 중요하다. 그렇게 하기 위해서는 다양한 크기와 밀도 숫자와 통제 방법의 유형에도 제조자가 유량 고정 사이트를 넣을 수 있는 공정을 개발하는 것이 필요하다. 바람직한 목표는 어떠한 H에서 최소한 H 값의 1/2 값이며, ab-축에 평행한 c-축에 평행한 Jc를 갖는 유량 고정 프로파일을 얻는 것이다. 더 얇은 두께를 갖는 구조는 Je를 감소시킨다. 이것은 금속 기판의 두께를 최소화하는 것과 버퍼 그리고 캡 층 두께, 안정자 두께 그리고 전체 패키징 두께를 줄이는 것을 포함하고 있다.

연속길이. 고성능 전도체를 1000m까지 연속되게 얻고, 생산 속도 목표를 달성하기 위해서는 공정 장비와 공정 통제에 더 많은 연구가 필요한 실정이다. 온라인 공정 모니터링 도구, 특히 공정 통제 시스템에 주기적으로 피드백하여 잘못되거나 불량이 난 상태를 보정하거나 수정할 수 있는 공정 모니터링 도구가 필요하다.
궁극적으로 순차적인 불량 제거를 위한 ‘태그’ 설치와 생산 쓰레기를 줄이는 데 필요한 접합 기술이 필요하다.

비용/성능. 가장 달성하기 어려운 목표는 비용/성능 목표이다. 가격을 줄이기 위해 원료 준비, 기판 텍스처링, 버퍼 그리고 YBCO 제품, 마감처리와 패키징과 같은 모든 생산 단계를 단순화할 필요가 있다. 이 목표를 달성하기 위해서는 텍스처링 속도 향상과 텍스처된 금속 기판(RABiTS)의 방향성 품질, 완전히 기능화된 화학적 또는 전기화학적 기반의 단일 버퍼 층과 중립 축과 face-to-face 테이프 구조의 최적화가 이루어져야 한다. 이온-빔 보조 증착(IBAD)는 2세대 전도체 텍스처 조절에 사용될 RABiTS를 만들 수 있는 대체 기술이다. 비록 IBAD가 실시간 증착 공정이지만, 만약 현재 최첨단 수준을 넘어 최적화 된다면 BABiTS의 가격 경쟁력이 있을 것으로 예상되고 있다.

교류 손실. 위의 모든 개발이 완성되었다고 하더라도 고온 초전도체의 교류 손실 문제는 시급을 다투어 해결되어야 할 문제이다. 교류 손실은 열 효과를 발생시켜 고온 초전도체의 송전, 변전 시스템의 전체적인 효율에 영향을 미친다. 이것은 부분적으로 세라믹 문제와 전도체 구성, 디자인의 문제일 수 있다. YBCO 증착 공정을 대체할 수 있는 잠재적인 해결책으로 잉크젯 프린팅이나 또는 얇은 줄의 평해한 어레이를 사진식각으로 형성하거나 적은 가로세로비 형태(원형 필라멘트)에서 양축방향으로 배열된 YBCO의 생산을 꼽을 수 있다.

상업적인 요구사항. DOE/OE 고온 초전도체 프로그램에서 YBCO-CC의 대량 생산을 위해 강조하는 기타 부분은 다음과 같다;
.1$/m의 단가로 제조할 수 있는 얇고(50㎛이하), 강하고, 전도성이 높으며, 비자성 기판(구리 합금 기반일 가능성이 높음)의 개발
.인장-저항 테이프-접합 공정의 개발(접합 저항이 50nΩ·cm이하)
.고전압 극저온 유전 재료 개발
.시효 및 부식 저항성 향상
.안정화 개선과 급냉각 보호
.YBCO 막의 기계적 특성 최적화(예를 들어 c-축 방향의 인장 강도)

신뢰성. 전기 유틸리티 관리자는 YBCO-CC의 가격대 성능비에 많은 관심을 가지고 있다. 이러한 비율은 고온 초전도체 기반의 전기 송전, 변전 장치가 얼마나 많은 전력을 구리와 같이 아무 문제없이 30년 이상의 수명으로 송전, 배전할 수 있는지를 말해주는 척도이다. YBCO-CC 전력 장치는 경쟁 제품인 구리 기반의 제품들 보다 가볍고 작을 것으로 예상되고 있다. 여기서 문제는 지속적인 사용으로 YBCO-CC 시스템이 구리와 똑같이 신뢰성 있고 가격 경쟁력이 있는가 하는 것이다.

개발
2세대 YBCO 코팅된 전도체의 상업화를 위해 세라믹 과학이 해야 할 일은 무궁무진하다. 개발되어야 할 사항 중에서 주요한 것을 나열하면 다음과 같다.
.금속-유기 증착(MOD)과 금속-유기 화학 기상 증착 공정(MOCVD)를 위한 YBCO 막 형성 기제의 상세한 이해
.‘무저항’, 기계적으로 튼튼하고, 신뢰성 있고, 현장에 적용 가능한 테이프-접합 기능 ; ac 감소를 위한 길고  줄무늬 전도체의 잉크젯 또는 사진 식각 공정을 통한 증착
.한번 설치로 30년 지속되는 소형의 지속성 있는 패키징(구리와 비교하여)                                 (Ceramic Bullletin)

그림 2. 일반적인 YBCO-CC의 구조도

그림 3. 유량 고정에 영향을 미치는 결함의 예시 (A) Jc는 자기장의 크기와 자기장 방향에 대한 테이프의 각도()에 따라 결정된다.(B) 면 결함(화살표)은 ab-축 방향에 평행한 H에 대한 유량 고정을 돕는다. (C) c-축 방향에 평행한 H에 나노크기의 포함물(inclusion)

+ 몇몇 단위는 2006년 DOE/OE 와이어 개발 워크숍 동안 발표된 내용을 참고하여 수정하였음. ++ 임계전류(Ic) 성능 변수는 작은 자기장을 형성하는 제품(예를 들어 송전선)에서는 전도체 개발과 관련되어 있음. 공학 임계 전류 밀도(Je)는 2세대 전선의 단위 면적당 전류 수송 능력을 설명하는 척도이다. 이 값은 1000m 유효 테이프-접합 용량이 개발된 상황에서 길이가 모든 생산 제품에 적합하다고 가정한 것이다.

그림 4. 단상 warm-유전체 케이블은 현재 고온 초전도체 케이블의 두 주요한 형태의 제품이다

그림 5. 단상 cold-유전체 케이블은 고온 초전도체 케이블의 또 다른 주요한 형태의 제품이다