[논문](주)서남의 초전도 사업 현황

이헌주; 장철영

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문제 정의

㈜서남은 고온초전도 제품의 상용화에 기여하는 것을 목적으로 2004년 11월에 설립되었다. 회사 이름도 이를 반영하여 Superconductor, Nano and Advanced Materials의 머리글자를 따서 SuNAM(서남, 瑞藍)이라고 지었다.
서남의 향후 목표는 세계 최고의 2G HTS 선재 제작 기술을 기반으로, 세계 최고의 초전도 관련 기술을 제공하는 회사로 성장해가는 것이다. ‘09년 첫 매출을 기록한 이래로 매년 80%의 연평균 성장율을 기록하고 있으며, ’15년에는 100억원의 매출을 목표로 하고 있다.

가설 설정

f., 4 mm), ii) 자장하 임계전류 400 A 이상(20 K, 10 T), iii) 단위길이 2 km 이상. 또한 선재의 가격을 현재의 약$150/kAm에서 $50/kAm 이하로 낮출 계획이다.

제안 방법

2세대 고온초전도 선재는 금속기판의 전해 연마에서부터 완충층, 초전도층, 보호층 증착 등 전기화학 및 진공증착의 다양한 기술들이 이용된다.(그림 2) 각 단위공정의 최적화 기술은 프런티어 사업을 통해 개발하였으며 reel-to-reel 방식의 연속생산에 적용하기 위해 각 공정의 속도를 최소 360 m/hr(4 mm 폭 기준) 이상으로 일치시켰다. 생산의 전 공정을 in-line화하는 것이 최종 목표이지만 현재는 Al₂O₃/ Y₂O₃ / IBAD-MgO / Epi-MgO / LaMnO₃ 의 모든 완충층은 in-line화시켜(그림 3) 공정시간을 단축하였으며, 대기중에 노출되는 시간을 줄여 횡방향 인장에 의한 벗겨짐 현상(delamination)의 완화를 이루었다.
㈜서남은 해외 업체에 비해 2세대 선재 생산에 뒤늦게 나서기는 했으나, 시작 단계에서부터 우수한 선재를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 양산으로의 확장성이 뛰어나며 빠른 생산속도와 낮은 원가를 구현할 수 있는 초전도층 증착공정을 깊이 고민하여 선택하였다. 동시증발법이 이러한 조건을 충족시키는 방법이라는 결론에 도달하였으며 이것은 서남만의 생각이 아니라 여러 전문가들이 이에 동의하고 있다.
인라인화가 계속 진행됨에 따라 각 단위공정을 마친 시료를 채취하여 측정하는 것이 어려워지고 또한 공정속도를 저하시키기 때문에 인라인 측정장비를 계속 생산장비에 추가시키고 있으며, 최근에는 IBAD 공정에서 RHEED(Reflection High Energy Electron Diffraction) 패턴을 자동으로 분석하여 이온소스를 조절하는 장치와 초전도체의 색상을 감지하여 Gd, Ba, Cu의 증착률을 피드백할 수 있는 장치를 추가하였다.[5] 향후 X-ray 회절분석기 등을 인라인장비에 추가 투입하여 품질을 향상시키고 수율을 높이는 작업을 계속할 것이다.

성능/효과

(그림 2) 각 단위공정의 최적화 기술은 프런티어 사업을 통해 개발하였으며 reel-to-reel 방식의 연속생산에 적용하기 위해 각 공정의 속도를 최소 360 m/hr(4 mm 폭 기준) 이상으로 일치시켰다. 생산의 전 공정을 in-line화하는 것이 최종 목표이지만 현재는 Al₂O₃/ Y₂O₃ / IBAD-MgO / Epi-MgO / LaMnO₃ 의 모든 완충층은 in-line화시켜(그림 3) 공정시간을 단축하였으며, 대기중에 노출되는 시간을 줄여 횡방향 인장에 의한 벗겨짐 현상(delamination)의 완화를 이루었다.
동시증발법이 이러한 조건을 충족시키는 방법이라는 결론에 도달하였으며 이것은 서남만의 생각이 아니라 여러 전문가들이 이에 동의하고 있다.[1] KAIST 및 전기연구원과 함께 개발한 EDDC 방법은 동시증발법의 장점에 대한 확신을 주었으나 장선재의 연속 생산에는 적합하지가 않았기에 전기연구원 및 서울대와 함께 RCE-DR이라는 공정을 개발하였다.[2] 이 방법은 ReBCO 초전도체의 상평형도 상에 존재하는 액상성분의 도움을 받아 초전도상이 형성되기 때문에[3] 원래 의도했던 연속공정을 매우 빠른 속도로 진행시킬 수 있어 생산속도 측면에서 또 한번의 도약을 가져다 주었다.
기판은 Hastelloy와 STS 310S 두 가지 종류가 있으며 보호층은 은까지만 입힌 것, 구리도금이 추가된 것, 황동 혹은 STS 라미네이션 된 것 등이 있다. 또한 Kapton 절연도 가능하며 주문자의 요구에 맞춰 코일을 권선하여 판매하는 것도 가능하다. 또한 초전도 전류리드도 제작하고 있다.
고온초전도체가 세라믹이라는 한계를 극복하고, 비록 단면이 테잎 형태이기는 하지만, 선재로 가공되기 시작하고, 1세대 선재의 생산원가 절감의 근본적 한계인 은을 적게 사용하는 2세대 선재가 출현하면서 관련 종사자들은 초전도기기의 시대가 성큼 다가올 것으로 기대하였으며 전력회사등 예상수요자들에게 장밋빛 전망을 전파하였다. 그러나 2세 대선재의 성능, 생산량(수급), 가격 등 모든 면에서 예상을 하회하는 실적을 보이자 기기 개발자, 수요자, 연구지원기관(정부 등) 모두의 외면을 받게 되었다.

후속연구

인라인화가 계속 진행됨에 따라 각 단위공정을 마친 시료를 채취하여 측정하는 것이 어려워지고 또한 공정속도를 저하시키기 때문에 인라인 측정장비를 계속 생산장비에 추가시키고 있으며, 최근에는 IBAD 공정에서 RHEED(Reflection High Energy Electron Diffraction) 패턴을 자동으로 분석하여 이온소스를 조절하는 장치와 초전도체의 색상을 감지하여 Gd, Ba, Cu의 증착률을 피드백할 수 있는 장치를 추가하였다.[5] 향후 X-ray 회절분석기 등을 인라인장비에 추가 투입하여 품질을 향상시키고 수율을 높이는 작업을 계속할 것이다.
서남은 현재 세계 최고 성능의 선재를 제작하는 회사이지만 초전도시장이 대규모로 형성되지 않으면 최고 성능의 선재가 의미가 없다는 것을 자각하고, 국내외를 가리지 않고 대형 초전도 프로젝트 개발에도 힘쓰고 있다. 이를 위해서 각계각층의 전문가들을 영입하고, 중국, 러시아 등 선재 기반기술이 비교적 취약한 나라를 중심으로 당사와 MOU 체결 등을 진행하고 있으며, 더 나아가 이들 국가의 대형 초전도 프로젝트에 참여하게 될 것이다.
또한 선재의 가격을 현재의 약$150/kAm에서 $50/kAm 이하로 낮출 계획이다. 이를 위해서는 현재의 12 mm 폭 공정으로는 가능하지 않기 때문에 120 mm 이상의 폭을 처리할 수 있는 공정 및 장비를 개발할 것이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

㈜서남이란?

㈜서남은 고온초전도 제품의 상용화에 기여하는 것을 목적으로 2004년 11월에 설립되었다. 회사 이름도 이를 반영하여 Superconductor, Nano and Advanced Materials의 머리글자를 따서 SuNAM(서남, 瑞藍)이라고 지었다.

SuNAM은 프런티어 사업의 성과를 바탕으로 2008년에 무엇을 유치하였는가?

프런티어 사업의 성과를 바탕으로 2008년 대형국가연구개발실용화사업에 선정되어 투자를 유치하였으며 2009년 초에 처음으로 pilot 생산설비를 안양공장에 설치하였다. 프런티어사업을 통해 개발한 초전도층 증착공정(EDDC, Evaporation on Drum in Dual Chamber)의 한계를 극복하고 장선재를 연속적으로 생산하기 위한 연구가 지속적으로 이루어져서 RCE-DR(Reacctive Co-evaporation – Deposition and Reaction)이라는 독자적인 공정을 개발하였으며 2010년 가을에는 현재의 안성공장에 자리잡게 되었다.

2세대 선재가 기기 개발자, 수요자, 연구지원기관(정부 등) 모두의 외면을 받게된 이유는?

고온초전도체가 세라믹이라는 한계를 극복하고, 비록 단면이 테잎 형태이기는 하지만, 선재로 가공되기 시작하고, 1세대 선재의 생산원가 절감의 근본적 한계인 은을 적게 사용하는 2세대 선재가 출현하면서 관련 종사자들은 초전도기기의 시대가 성큼 다가올 것으로 기대하였으며 전력회사등 예상수요자들에게 장밋빛 전망을 전파하였다. 그러나 2세 대선재의 성능, 생산량(수급), 가격 등 모든 면에서 예상을 하회하는 실적을 보이자 기기 개발자, 수요자, 연구지원기관(정부 등) 모두의 외면을 받게 되었다. 10년에 가까운 시간 동안, 선재의 원활한 공급이 기기의 활발한 개발로, 기기의 선재 수요가 다시 선재의 가격하락으로 이어지는 선순환 고리를 만들어 내는 데 실패한 것이다.

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