NbTi(니오비탈) 초전도체는 대표적인 양자 물질입니다. 뛰어난 종합적인 성능 덕분에 전 세계 초전도체 사용량의 80% 이상을 차지하고 있습니다. 오랫동안 중국에서는 자기공명영상(MRI), 대규모 과학 프로젝트 등 많은 첨단 응용 분야에 필요한 NbTi 소재를 수입에 의존해 왔으며, 이로 인해 가격이 매우 높았습니다. 그러나 첨단 의료용 고자기장 초전도 MRI, 고속 펄스 고에너지 가속기, 첨단 광원, 고속 자기부상, 양자 컴퓨팅 등과 같은 새로운 초전도 응용 분야가 빠르게 발전함에 따라 NbTi 소재의 성능과 산업화 가능성에 대한 요구 사항이 점점 더 엄격해지고 있습니다. 높은 임계 전류 밀도(J), 우수한 열 안정성, 낮은 교류 손실을 갖는 NbTi 초전도 장선로를 얻고 대량 생산하는 것은 국제 초전도 분야의 경쟁이 치열한 핵심 과제가 되었습니다. 새로운 기술을 개발하고 산업화해야 합니다.
본 프로젝트는 20년 이상 연구 개발에 매진하여 NbTi 자속 고정 제어 기술과 와이어의 종합적인 힘-열-전자기 안정화 기술에 대한 체계적인 연구를 수행했습니다. 이 기술을 통해 고성능 NbTi 초전도 소재를 개발하고 대량 생산하여 국내 공백을 메우는 데 크게 기여했습니다. 고성능 NbTi 초전도 와이어는 전 세계적으로 널리 응용되어 2024년에는 세계 시장 점유율 55% 이상을 차지하며 세계 1위를 기록했습니다. 주요 과학적 혁신은 다음과 같습니다.
특수 "시효 열처리 + 냉간 변형" 기술을 도입하여 높은 임계 전류 밀도 와이어 자속 고정 제어 기술을 개발했습니다. 나노 스케일의 α-Ti 판상 석출상과 고밀도 전위를 효과적인 피닝 센터로 활용하고, 중온, 장시간, 다중(385°C x 40시간 x 5회) 시효 열처리 및 대변형 냉간 변형을 통해 플럭스 피닝 센터의 크기와 분포를 제어하여, 4.2K 및 5T에서 임계 전류 밀도(J)를 국제 토카막 핵융합 실험로(ITER)에 사용된 와이어 대비 13% 증가된 3251A/mm2까지 향상시켰다.
Nb 인공 피닝 기술을 개발하여 효과적인 피닝 센터의 밀도를 높였다. 최초로 최대 ~30%의 Nb 함량과 균일하게 분산된 피닝 센터를 갖는 NbTi 다중 코어 초전도 와이어를 제조하였다. 전체 자기 플럭스 고정 중심(α-Ti + Nb)이 약 50% 증가했으며, 4.2K 및 2T에서의 임계 전류 밀도(Jc)는 67% 증가한 8778 A/mm2에 도달했습니다. 상부 임계 자기장을 향상시켜 임계 전류 밀도를 높이기 위해 Ta 도핑 기술이 개발되었습니다. 최초의 고균일성 및 고함량 Ta(10wt.%) NbTiTa 합금이 제조되었고, 중온, 단시간, 소수 사이클(385°C x 5시간 x 3회) 시효 열처리 조건이 개발되었습니다. 4.2K 및 9T에서의 임계 전류 밀도(Jc)는 47% 증가한 787 A/mm2에 도달했습니다. 이 기술의 성공적인 개발은 NbTi 초전도 소재가 새로운 응용 분야에 완전히 부합할 수 있는 기술적 기반을 마련했습니다.
고온 안정성이 뛰어난 NbTi 초전도선의 새로운 구조 설계 및 제조 기술을 개발하여 높은 구리 함량과 우수한 열 안정성을 갖는 새로운 유형의 NbTi/Cu 초전도선을 개발했습니다. "초전도 코어 + U자형 구리 슬롯 와이어" 연속 매립 용접 도체 설계 및 제조 기술을 발명했습니다. 코어 와이어와 U자형 구리 슬롯 와이어의 무결점 용접을 위해 낮은 가공 속도와 높은 정밀도를 갖춘 복합 특수 공구를 사용하는 내부 순환식 구리 솔더 코팅 구리 슬롯을 자체 개발했습니다. 최초의 온라인 매립 용접 구리 코팅 특수 장비를 설계 및 개발하고, 표면 활성화, 매립 용접 및 온라인 비파괴 검사를 통합한 생산 라인을 구축했습니다. 길이 10,000m, 구리 함량 최대 55, 잔류 저항 최대 263의 고함량 구리 초전도선이 대량 생산되었습니다. 절연 강도를 유지하면서 기계적 및 열적 특성을 향상시키는 폴리에스터 필라멘트 직조 절연 기술 및 장비 개발에 성공했습니다. MRI용 고온 안정형 NbTi 초전도선 연간 5,000톤 생산 라인을 구축했습니다. 초미세 코어 NbTi 초전도선 도체 구조 설계 및 가공 기술을 개발했습니다. Cu5Ni 합금을 기저 소재로 사용하여 노화된 NbTi 코어선과 우수한 소성 협동 변형을 달성할 수 있는 초미세 코어 NbTi 초전도선 도체 구조 설계 및 가공 기술을 제안했습니다. 이 기술은 높은 저항 특성으로 인해 초전도선의 와전류 손실을 효과적으로 감소시킵니다. 초미세 코어 복합체용 냉간 나사 조립 및 가공 기술이 개발되어 99.999%의 높은 소성 변형률에서 4성분 협력 변형 문제를 완벽하게 해결했습니다. 360° 단거리 비틀림 및 고정밀 꼬임 기술과 전용 장비가 개발되었습니다. 고속 꼬임, 저속 풀림, 고정밀 조정을 통해 직경 1.9μm, 토크 6mm의 초미세 코어 와이어 NbTi 초전도 와이어를 최초로 꼬는 데 성공하여 높은 전단 응력 하에서의 와이어 파손 및 큰 단락 전류 밀도(J) 저하 문제를 해결했습니다.
마지막으로, 세계 최초로 가장 많은 코어 수(75,276개)와 가장 가는 코어 와이어(1.9μm)를 가진 NbTi 초전도 장선로를 성공적으로 제작했습니다. 4.2K 및 ±3T 조건에서 ITER에 사용된 와이어 재료와 비교했을 때, 교류 손실이 68% 감소하여 19.9mJ/cm2에 도달했으며, 이는 교류 자기장 환경에서 고속 자기 부상 및 고속 펄스 가속기와 같은 응용 분야에 대한 핵심 재료의 안정성을 보장합니다. 4. 양자 컴퓨터용 초전도 동축 케이블 조립 기술 이 프로젝트는 롤링 변형 중 NbTi 튜브의 자동 센터링을 가능하게 하는 "자동 센터링" 롤링 기술을 개발하여 직경 0.86mm, 벽 두께 0.10mm의 고균일성 튜브를 얻었으며, 벽 두께 공차는 ±3μm에 불과하여 NbTi 튜브의 고정밀 가공 기술적 문제를 완전히 해결했습니다.
고정밀 네스팅 기술과 특수 장비를 개발하여 절연 후 내부 도체를 모세관 튜브에 삽입하고, "자체 동축화" 케이블 제조 기술을 개발했습니다. 이 기술은 동축 케이블에 2%의 낮은 가공률로 드로잉을 수행하여 NbTi 모세관 튜브의 균일한 소성 변형을 달성하고, 내부 및 외부 도체의 편심률을 5μm에 불과하게 하여 3개 구성 요소(내부, 외부 도체 및 절연층)의 동심도 제어 문제를 완전히 해결합니다. 마침내 직경 0.86mm(외부 도체 벽 두께 0.10mm, 내부 도체 직경 0.20mm)의 NbTi 동축 케이블이 양산되었습니다. 5GHz에서 신호 감쇠율은 0.2dB/m 이하로, 일본 제품(0.5dB/m 이하)보다 우수하여 국내 기술 격차를 해소하고 초전도 동축 케이블의 활용을 저해하던 상황을 타개했습니다. 이 케이블은 중국에서 초전도 양자 컴퓨터 분야에 적용되고 있습니다.
