전력차단 혁신으로 전자개폐기 강화

2015년 11월 2일

ETRI 제공

국내 연구진이 기존 전자기 스위치와 차단기의 크기를 줄이고 성능을 향상시킨 모트(Mott) 소자를 세계 최초로 제작해 100년 된 기술 한계를 극복했다.

한국전자통신연구원 김현탁 박사 연구팀이 모트 MIT(Mott Metal-Insulator Transition) 소자를 기반으로 한 혁신적인 전력 차단 기술을 개발했다.

모트 MIT(Mott MIT)는 모트 절연체가 구조적 상전이 없이 갑자기 금속으로 변하거나 그 반대로 변하는 현상을 의미한다. 연구팀은 앞서 이산화바나듐의 독특한 특성으로 67~85oC의 임계온도에서 제어전류(또는 신호)를 생성하는 모트(Mott) MIT 임계온도스위치(CTS)(혹은 MIT 소자)를 개발한 바 있다. 이후 과전류 발생 시 전류를 차단하는 일종의 전자기 스위치에 MIT 소자가 적용됐다.

과전류가 흐르면 기계적 개폐를 통해 전기를 차단하는 역할을 하는 기존의 전통적인 전자 개폐기는 주전원의 신호를 연결하거나 차단하는 전자 접촉기라는 전자석과 온-오프 기능을 갖춘 열과부하 계전기로 구성됩니다. 온도에 따라 제어되는 오프 스위칭 기능. 과부하 계전기는 크기가 크고 섬세한 고가의 기계식 스위치와 열팽창 계수가 다른 두 개의 별도 금속을 결합한 바이메탈로 구성됩니다. 바이메탈은 열을 가하면 어느 방향으로든 휘어지는 특성을 가지고 있습니다. 바이메탈의 굽힘력은 온-오프 스위칭을 유도하는 기계적 스위치를 제어합니다. 이것을 '백년정전기술'이라 불렀다. 웨스팅하우스는 1924년 바이메탈을 이용한 전력차단기에 대한 특허권을 출원하였다. 그러나 바이메탈은 장기간 사용시 굽힘특성이 변화된다. 따라서 과부하 계전기의 정확도가 떨어집니다. 마지막으로 전자기 스위치의 성능도 저하됩니다. 이는 기존의 전통적인 전자기 스위치의 치명적인 문제이다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 온오프 스위치 센서로 바이메탈 대신 MIT-CTS를 사용했다. 이 경우 기계식 스위치는 전자석을 제어하는 ​​간단한 전기회로로 대체되는데, 이는 기계식 스위치가 전자식 스위치로 변경된다는 의미이다. 따라서 MIT 과부하 계전기는 대형 기계식 스위치를 제거하여 크기를 소형화하고 장기간 환경 온도에 관계없이 정확도를 갖습니다. 따라서 MIT 전자기 스위치는 신뢰성 있고 정확한 전자 스위칭 특성을 갖는다.

연구팀은 개발한 MIT 전자개폐기가 국제표준 60947-4-1과 호환되는 한국기술표준 5.6조, KSC 4504에 규정된 과부하 계전기의 동작 조건을 만족함을 확인했다. 또한, 연구팀은 AC 1KV 이하에서 동작하는 바이메탈을 이용한 차단기를 MIT에서 개발한 전자기 스위칭 기술로 제작한 차단기로 대체할 수 있다는 사실도 실험을 통해 확인했다.

"전송 및 배전 장비 및 시스템을 위한 세계 시장"(Gould Report, 2013)에 관한 시장 보고서에서는 전 세계 전원 스위치 및 회로 차단기 시장의 매출이 2016년에 약 295억 달러에 이를 것이라고 발표했습니다.

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