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기업지원성과 사례
占쏙옙占쏙옙占쏙옙 “혈액 검사만으로 암 진단하는 시대 ‘성큼’…생기원과 함께 했기에 가능” |
占쏙옙占쏙옙占� 독자 기술로 개발한 전극 신소재, 한국 넘어 세계로 뻗는다 |
占쏙옙占쏙옙占쏙옙 생기원과 함께 탄소섬유강화플라스틱 공정기술 국산화 향해 ‘한 발짝 더’ |
독자 기술로 개발한 전극 신소재,
한국 넘어 세계로 뻗는다
한국생산기술연구원 한국희소금속산업기술센터 박경태 박사-비츠로이엠 VI개발파트 이일회 과장
생기원 박경태 박사(오른쪽)와 비츠로이엠 이일회 과장 ©한국생산기술연구원
최근 정부가 신재생에너지 발전 비중 증대를 내용으로 하는 에너지전환 정책을 추진하면서 72.5kV급 송변전 설비가 각광 받고 있다. 한전은 당장 올해부터 태양광과 풍력 등 신재생에너지를 접속할 72.5kV급 송·변전설비 건설 사업을 시작한다. 이 송·변전설비의 고압진공차단기(Vacuum Circuit Breaker) 핵심 부품인 진공인터럽터(Vacuum Interrupter)의 전기 차단 성능을 높이고 수명을 늘리기 위해서는 접점 재료가 되는 합금 신소재 개발이 필수적이다.
업체에 역제안해 72.5kV급 송변전 설비 VCB-VI 전기접점 합금 신소재 개발
한국희소금속산업기술센터 박경태 박사는 전력기기 전문기업인 비츠로이엠과 함께 초고압 진공인터럽터 내 전기차단 물성향상을 위한 전기 접점 신소재를 독자 기술로 개발했다.
이 합금 신소재로 진공인터럽터의 아크 냉각 및 절연 성능과 차단 성능을 높이는 시험 평가에도 성공해 소재 국산화 신기술을 비츠로이엠 측에 이전하고 있다. 비츠로이엠을 포함한 국내 진공인터럽터 3대 메이저 기업에서는 접점 소재를 대부분 해외 수입에 의존하고 있어 국산화 요구가 크다. 금번에 개발한 접점은 기존 소재를 강화한 신소재인데다, 해외에서 점차 사용량이 많아지는 ‘중간 전압’ 제품이어서 세계적으로 대체 수요 역시 높다고 박 박사는 강조한다.
“접점 소재는 지금까지 독일, 오스트리아, 중국 등지에서 만든 것을 수입할 수밖에 없었습니다. 최근 들어 신재생에너지 증가에 따른 연계 발전소 수요가 커졌고, 안전 등의 문제로 대형 전력 설비가 님비(NIMBY)의 대상이 됐다는 점을 알게 돼 전기 접점 국산화 사업을 해 보자고 생기원에서 기업에 역으로 제안했습니다. 비츠로이엠의 모회사인 비츠로테크가 전력 설비로는 굴지의 회사이기 때문에 국산화하면 파급효과가 클 것으로 보고 제안하게 된 것입니다.”
생기원 박경태 박사가 새로 개발된 접점 소재에 대해 설명하고 있다. ©한국생산기술연구원
비츠로이엠은 중전기기와 차단기, 개폐기 등에 특화된 기업이다. 전기 차단 설비 가운데 평상시 흐르던 것에 비해 과전류가 흐르는 것을 차단해 주는 인터럽터(Interrupter)는 가스나 오일 등을 매질로 활용한다. 그래서 해당 설비 사용과 폐기에 따른 환경오염 문제가 만만찮다. 비츠로이엠이 만들고 있는 진공 인터럽터는 차단(절연) 매질을 별도로 사용할 필요 없이, 진공 상태 자체를 이용하기 때문에 온실가스 발생률이 0%로 훌륭한 대안이다.
전극 신소재…국내외 규모 큰 ‘중간 전압’ 송변전 설비 시장 진출 효과
기존 석탄화력이나 원자력 등 대형 발전소에서 만들어진 전기는 765kV 또는 345kV 급으로 송전돼 154kV 급으로 변전하는 과정을 거쳐 수용가로 공급된다. 소형 수용가는 154kV에서 22.9kV로 전압을 한 단계 더 낮춰 전력을 공급하므로 전력 손실이 불가피하고, 전압이 급강하하면 최종 수용가에 도달시키는 데에 비효율적이다. 더구나 대형 송‧배‧변전 시설은 안전 등의 문제로 주민들이 건설을 꺼리는 경우가 많다.
이 때문에 건설이 비교적 간편한 ‘중간 전압’ 설비 필요성이 대두돼 왔고, 최근 신재생에너지 발전이 전국 각지에 급격히 늘어나면서 이와 가까운 곳에 ‘중간 전압’ 송변전 설비 접속 수요가 창출되고 있다. 실제로 유럽과 동남아 등 해외에서는 이와 같은 50~90kV 가량의 중간 전압 설비가 많이 사용되고 있어, 비츠로이엠의 입장에서는 국내외 규모가 큰 시장에 진출하는 효과가 있다.
이번에 개발된 소재는 이 같은 72.5kV급 송변전 설비의 핵심 어셈블리인 고압진공차단기, 그 중에서도 핵심 부품인 진공 인터럽터의 전극 접점을 만드는 소재다. 전기 접점 역시 진공 인터럽터의 핵심부라고 할 수 있다.
이 접점의 종전 소재인 구리(Cu)-크롬(Cr) 합금은 수입품인 데다 내용착성이 약해 수명이 짧다. 접점이 닫힐(ON) 때 아크(arc)에 의해 접점이 녹아 달라붙어 용착이 될 수 있으며, 접점이 열릴(OFF) 때 긴 아크시간에 의해 접점의 손상이 심해 차단성능이 저하될 수 있다.
새로 개발한 접점 소재는 적정 부하 이상의 과전류를 차단하고, 적정 부하의 전류가 인가되면 개폐하는 기능을 오랫동안 유지한다. 박경태 박사는 기존 소재를 기반으로 내열성과 내용착성(녹아서 달라붙지 않는 성질), 전기전도도 등을 강화해야 한다는 점에 착안해 개발을 진행했다.
연구팀은 먼저 구리-크롬 기존 소재에 타 재료인 몰리브덴을 합금해 물성을 시험했다. 이 소재는 크롬이 적게 들어가고, 합금 소재의 크롬 입자 사이즈가 기존 재료에 비해 현저하게 줄어들었다. 경도는 두 배로 향상되고, 전기 전도도도 20~30% 가량 향상됐다. 밀도는 약간 높아졌다. 이렇게 만들어진 Cu-Cr-Mo 소재에, 지르코니아(ZrO₂)와 알루미나(Al₂O₃) 세라믹 분말을 첨가해 더욱 장점을 살린 신소재가 개발됐다.
송변전 설비 ‘핵심 소재’…생기원 전문 인력이 개발 기간 최소화, 국내외 특허 출원
이 신소재의 구조, 밀도, 전기 전도도, 경도 등을 평가한 결과 기존 소재에 비해 지르코니아와 알루미나를 첨가해 경도가 증가하고 전기 전도도와 밀도는 감소했다. 이 신소재로 특수 형상을 고안해 차단 성능이 월등하게 높은 접점을 만들었다.
실제로 이렇게 만들어진 접점으로 비교 시험을 진행한 결과, 기존 소재는 고정 접점 손상이 덜했지만 접점 표면에서는 구리와 크롬이 고르게 분포되지 않아서 생긴 것으로 보이는 녹아내림 흔적이 발견됐다. 새로운 소재는 진공아크에 의한 접점 손상은 있었지만 기존 소재보다 손상이 덜했고, 열적 전기적으로 성능이 충분해 우수한 차단 성능을 보였다. 박경태 박사 연구팀은 크롬 입자를 더욱 미세화하거나 크롬보다 더욱 내열성이 우수한 소재를 합금하여 적용하면 진공인터럽터 내전압 성능과 차단 성능을 극대화시킬 수 있을 것으로 보고 있다.
“생기원 희소금속센터 연구팀은 전기 접점만 7년 여를 연구개발에 매진했습니다. 접점 소재가 초정밀 기술 영역이라서 원래 5년 이상 걸리는 과제입니다. 하지만 저희는 연구를 제안한 지 1년이 조금 넘어 벌써 시제품을 만들어 냈습니다. 가장 뿌듯한 건, 우리가 개발해서 우리가 라이센스를 가지고 있는 우리 소재라는 점이에요. 가장 중요한 기술은 신소재 합금 비율인데, 이에 대해서는 국내외 특허를 출원했습니다.”
생기원 연구팀은 제품 고도화를 위해 향후 추가 과제로 해당 소재 및 인접 소재의 시험 평가를 10회 정도 더 진행하기로 했다. 비츠로이엠도 현재 초고압 차단 설비와 개폐 밸브 설비 개발을 준비 중이다. 또한 국산화할 수 있는 부품이나 소재를 계속해서 발굴해 생기원과 함께 해결 방안을 계속해서 함께 모색하기로 했다.
비츠로이엠 이일회 과장이 진공 차단설비에 관해 설명하고 있다. ©한국생산기술연구원
이일회 비츠로이엠 VI 개발파트 과장은 “이산화탄소보다 2만 배 가량 지구온난화 지수가 큰 육불화황(SF₆) 가스 차단 설비를 대체하는 진공 차단 설비의 핵심 부품 소재 원천 기술을 함께 개발하게 돼 뿌듯하다”고 말했다. 이 과장은 “개발 과제 이외에도 비츠로이엠에서 진행하는 다양한 소재 분석을 생기원 측에서 함께 해주고 있어 협력 관계가 끈끈하게 형성돼 있다”고 덧붙였다.
박경태 박사는 “이번 연구가 완전히 상용화되고, 시제품이 아닌 상용 제품이 양산되면 국산화 소재를 확보했다는 의미 이외에도 세계 각국에 비싼 값으로 수출할 수 있는 아이템이 생기게 되는 것”이라며 “기존 외산 제품을 업그레이드해서 대체할 수 있는 품목이기 때문에 지속적으로 기술을 고도화하겠다”고 말했다.