고전압 환경 안정적 전력공급 구현, 수입 의존도 낮춰
절연형 모터제너레이터 개발, 맞춤 설계·국내 유지보수 가능
한국원자력연구원이 개발한 고전압 전력공급장치. 이번 성과로 제작 비용은 해외 제품 대비 약 70% 절감됐으며, 납기는 10개월에서 3개월 이내로 단축됐다. [사진=한국원자력연구원]
반도체 공정 핵심 장비 국산화 성과가 나왔다. 국내 연구팀이 이온주입장치에 쓰이는 고전압 전력공급장치를 독자 개발하며 제작 비용을 70% 줄이고 납기 기간도 7개월 이상 단축했다.
한국원자력연구원(원장 주한규)은 이재상 양성자과학연구단장 연구팀이 이온주입장치에 사용되는 절연형 모터제너레이터(MG-SET)를 독자 개발했다고 17일 밝혔다.
이온주입 기술은 반도체와 첨단 소재 제조에서 필수 공정으로 꼽힌다. 수만~수십만 볼트의 고전압으로 이온을 가속해 소재 내부에 주입함으로써 전기적 특성과 표면 성질을 정밀하게 제어할 수 있기 때문이다.
문제는 이 과정에서 필요한 전력 공급 방식이다. 이온주입장치는 고전압 상태에서 작동하기 때문에 일반 외부 전원과 직접 연결할 경우 전압 차이로 인한 방전이나 장비 손상, 안전 사고 위험이 크다.
이를 해결하기 위해 사용하는 장치가 모터제너레이터다. 외부 전기로 모터를 구동한 뒤 회전력을 발전기로 전달해 필요한 전압의 전력을 다시 생성하는 방식으로, 고전압 환경에서도 안정적인 전력 공급이 가능하다.
특히 이온주입장치용 장비는 고전압 환경에 놓이기 때문에 모터와 발전기 사이의 전기적 절연이 핵심 기술로 꼽힌다. 두 장치가 전기적으로 연결돼 있을 경우 고전압이 외부로 전달될 수 있어 별도의 절연 구조가 필요하다.
이러한 절연형 모터제너레이터는 국내에 생산 업체가 없어 대부분 해외 제품에 의존해 왔다. 그러나 글로벌 공급망 불안정과 환율 상승 등으로 원가는 해마다 상승하고 납기는 갈수록 길어지면서 국산화 요구가 높아져 왔다.
이에 연구팀은 연형 모터제너레이터를 자체 개발했다. 모터와 발전기 사이에 전기는 통하지 않지만 회전 동력은 전달할 수 있는 절연축을 적용하면서 가볍고 절연 성능이 우수한 나일론 소재를 사용해 전기적 절연을 확보하고 생산 단가는 낮췄다.
또한 발전기와 이온주입장치가 연결되는 구간에는 높은 전압이 걸리기 때문에 전압이 특정 구조물에 집중되면 공기 중으로 전기가 새어나오는 코로나 방전이 발생할 수 있다.
또 다른 기술적 난제는 코로나 방전 억제다. 고전압이 특정 지점에 집중되면 공기 중으로 전기가 새어나오는 현상이 발생하는데, 이는 장비 성능 저하와 안전 문제로 이어질 수 있다.
이를 방지하기 위해 연구진은 전압이 특정 부분에 몰리지 않도록 전기장 분포를 고려해 장치 외부 구조를 설계했다. 전기장은 모서리가 뾰족할수록 한곳에 집중되는 특성이 있어 장치 외부 구조의 모든 부분을 반지름 5cm 이상의 곡면 형태로 만들어 전압을 분산시키고 코로나 방전을 억제하도록 했다.
이번 국산화 성과로 제작 비용은 기존 해외 제품 대비 약 70% 절감됐으며, 납기 기간도 10개월에서 3개월 이내로 대폭 단축됐다. 장비 사양에 맞춘 맞춤형 설계와 국내 유지보수가 가능해지면서 운영 효율성도 크게 개선될 전망이다.
이재상 단장은 "고전압 환경에서 안정적인 전력공급은 이온주입장치의 신뢰성 확보를 위한 핵심 요소"라며 "날로 높아가는 외산 장비의 원가와 납기 부담 속에서 이번 국산화는 기술 자립의 의미 있는 첫걸음이 될 것"이라고 말했다.
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