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생기원, 초고압용 송·변전설비 핵심 소재 국산화로 기업에 날개 단다

- 생기원-비츠로이엠, 72.5kV 초고압용 고내열·고강도 친환경 진공 차단기 개발

- 진공 차단기 핵심부품인 접점 소재 국산화로 해외 의존 탈피 기대

□ 지구온난화로 인한 이상기후 발생이 늘어남에 따라, 탄소의 실질 배출량을 ‘0’으로 만드는 탄소중립 시대로의 전환이 빠르게 진행되고 있다.

ㅇ 세계 각국과 기업들이 인류 공동의 목표 달성을 위해 협력하는 가운데 우리 정부도‘2050 대한민국 탄소중립’비전을 선언했다.

ㅇ 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, 원장 이낙규)이 비츠로이엠(대표 장택수)과 함께 72.5kV급 초고압 진공 차단기(VCB, Vacuum Circuit Breaker) 중에서 핵심부품인 진공 인터럽터(VI, Vacuum Interrupter)의 전기접점 소재 국산화에 성공했다.

ㅇ 차단기란 평상시에는 열을 잘 전달해 전력을 원활하게 공급하지만, 과부하 및 단락(전선이 서로 붙는 현상) 사고 시에 전류를 신속히 차단(절연)해 아크(Arc, 불꽃)를 소멸시키는 기계장치를 일컫는다.

ㅇ 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.

ㅇ 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.

ㅇ 접점이란 아크 발생 시 전력 차단을 위해 열고 닫히는 부품이다. 일반적으로 전도성이 좋으면서도, 접점이 열로 녹아 달라붙지 않도록 고내열·고강도의 소재를 사용한다.

ㅇ 연구팀은 해외 선진제품이 Cu(구리)와 Cr(크롬)을 배합한 Cu-Cr(크롬동)을 사용한다는 점에서 착안해 Cu-Cr를 기지금속으로한 신소재 개발에 착수했다.

ㅇ 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.

ㅇ 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 내부설계 및 해석 타당성 검증도 마무리했다.

ㅇ 아울러 신소재를 적용한 진공 인터럽터의 진공도, 저항, 절연성능 등을 포함한 공인기관의 차단 성능 평가까지 마쳤다.

ㅇ 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.

ㅇ 비츠로이엠 이일회 과장은“생기원의 기술지원 덕분에 소재 국산화로기업 경쟁력이 강화됐다.”며,“앞으로도 국산화할 수 있는 부품이나 소재를 계속해 발굴해 생기원과 함께 협업해 나갈 것