지구온난화로 인한 이상기후 발생이 늘어남에 따라, 탄소의 실질 배출량을 ‘0’으로 만드는 탄소중립 시대로의 전환이 빠르게 진행되고 있다. 세계 각국과 기업들이 인류 공동의 목표 달성을 위해 협력하는 가운데 우리 정부도‘2050 대한민국 탄소중립’비전을 선언했다.
초고압 72.5kV 송·변전기술 개발도 그 노력의 일환으로 시작됐다. 늘어나는 친환경 신재생에너지 발전량에 따른 활용률을 극대화하겠다는 것. 이와 함께 관련분야 연구 수요도 증가했다.
한국생산기술연구원(이하 생기원)이 비츠로이엠과 함께 72.5kV급 초고압 진공 차단기(VCB, Vacuum Circuit Breaker) 중에서 핵심부품인 진공 인터럽터(VI, Vacuum Interrupter)의 전기접점 소재 국산화에 성공했다.
차단기란 평상시에는 열을 잘 전달해 전력을 원활하게 공급하지만, 과부하와 단락(전선이 서로 붙는 현상) 사고 시에 전류를 신속히 차단(절연)해 아크(Arc, 불꽃)를 소멸시키는 기계장치를 일컫는다.
기존 72.5kV급 이상 초고압 차단기에서는 아크 소멸을 위해 육불화황(SF₆)을 매질(전달 매개체)로 사용했다. 육불화황은 절연 성능은 우수하지만, 지구온난화 지수가 CO₂대비 23,900배로 높다. 때문에 온실가스 사용을 원천적으로 차단하는 진공 안에서 아크를 급속히 확산시켜 소멸하는 진공 개폐장치로 대체되는 추세다.
중소기업 비츠로이엠은 진공 차단기 설계기술은 확보했지만, 핵심 부품인접점 소재를 전량 수입에 의존하고 있어 국산화가 절실했다.
한국희소금속산업기술센터 박경태 수석연구원팀은 72.5kV급 초고압에서 차단 성능을 극대화시킬 수 있는 접점 소재를 개발했다. 접점이란 아크 발생 시 전력 차단을 위해 열고 닫히는 부품이다. 일반적으로 전도성이 좋으면서도, 접점이 열로 녹아 달라붙지 않도록 고내열·고강도의 소재를 사용한다.
연구팀은 해외 선진제품이 Cu(구리)와 Cr(크롬)을 배합한 Cu-Cr(크롬동)을 사용한다는 점에서 착안해 Cu-Cr를 기지금속으로한 신소재 개발에 착수했다.
1년여 간의 연구 끝에 Mo(몰리브덴)을 추가한 최적의 합금비율을 찾아냈다. 크롬이 기존대비 30% 더 적게 들어가지만, 경도가 2배 이상 향상되고 전도성은 20~30%가량 높아졌다.
여기에 약 1%정도의 ZrO₂(지르코니아), Al₂O₃(아루미나)를 첨가하자 구조· 밀도·전기 전도도·경도가 더욱 개선됐다. 이로써 접점 손상은 최소화하면서 차단 성능은 극대화한 신소재 개발에 성공했다.
연구팀은 상용화를 위한 온도·시간·가압력 등의 최적화된 공정 조건을 찾는 한편, 절연 성능 확보를 위한 내부설계와 해석 타당성 검증도 마무리했다. 아울러 신소재를 적용한 진공 인터럽터의 진공도, 저항, 절연성능 등을 포함한 공인기관의 차단 성능 평가까지 마쳤다.
연구팀은 기존 외산 보다 앞선 성능으로 전기접점을 대체할 수 있기 때문에 상용화에 성공한다면, 국내뿐만 아니라 해외로 역수출하는 기회도 열릴 것으로 내다보고 있다.
생기원 박경태 수석연구원은“이번 기술은 초정밀 기술이지만 생기원의 노하우를 바탕으로 5년 이상 걸리는 연구를 1년여 만에 마쳤다”며, “소재 국산화로 기업이 더 높이 비상하는 계기가 되기 바란다.”고 밝혔다.
