한국전기연구원(KERI) 극저온기기연구센터 하홍수·박인성 박사팀이 종이보다 얇고 수백 미터에 달하는 테이프 형태의 고온초전도 선재 두께와 폭을 비접촉 방식으로 정밀하게 연속 측정하는 시스템을 세계 최초로 개발했다.

고온초전도 선재는 특정 온도 이하에서 전기저항이 ‘0’이 되어 큰 전류를 손실 없이 흘려보낼 수 있는 소재로 핵융합 장치, MRI, 고효율 전력기기 등에 사용되는 초전도 자석의 핵심 부품이다. 수십 μm 두께에 폭 4~12mm의 테이프 형태로 제작되며, 수백 겹을 감아 자석을 만들기 때문에 미세한 두께 편차가 누적되면 자석의 형상과 성능에 영향을 줄 수 있다.

기존 접촉식 센서는 선재 표면을 손상시킬 수 있고, 비접촉식 방식은 이송 중 선재가 흔들릴 경우 정밀 측정이 어려웠다. 이에 따라 긴 선재를 절단해 단면을 현미경으로 검사해야 하는 한계가 있었다.

KERI 연구팀은 릴투릴(Reel-to-Reel) 이송 장치에 ‘상하 대향형 색채 공초점 레이저 센서’를 적용해 선재 양쪽 표면까지의 거리를 동시에 측정했다. 공초점 레이저 방식으로 은·구리 등 반사율이 높은 금속 표면도 안정적으로 측정할 수 있으며, 실시간 장력 제어와 이송 속도 자동 보정, 노이즈 제거용 데이터 분석 프로그램을 적용했다.

개발 시스템은 선재가 시간당 100m로 이동하고, 진동하는 환경에서도 측정 오차를 ±1.5μm 이하로 억제한다. 센서 이동 속도를 4mm/s 이하로 제어하면 반복 측정 오차도 0.2μm 이하까지 낮출 수 있다. 선재를 절단하지 않고 연속 검사하면서 두께·폭과 표면의 볼록·오목한 형상까지 3차원으로 실시간 측정할 수 있다.

이 기술은 고온초전도 선재뿐만 아니라 이차전지용 구리박·알루미늄박, 금속 압연재, 박막 태양전지, 전자소재용 정밀 필름 등 연속 생산되는 다양한 첨단소재의 품질 검사에도 적용할 수 있다. 관련 연구 성과는 국제 학술지인 ‘IEEE Transactions on Applied Superconductivity’에 2024~2026년 총 3편의 논문으로 게재됐으며, 미국 특허 등록(US 12,487,078)을 비롯해 국내외 특허 출원도 완료했다.

하홍수 KERI 박사는 “고온초전도 선재의 미세한 두께 오차도 수백 겹으로 쌓이면 초전도 자석의 성능과 신뢰성에 영향을 줄 수 있다”며 “이번 기술을 첨단소재 생산 단계에서 미세 오차를 조기에 검출하고 품질을 관리하는 스마트 제조 기술로 발전시킬 것”이라고 말했다.