▲ 허남회 전략기술연구소 신소재그룹 선임연구원<필자 약력=서울대학교 금속공학과 졸업/서울대학교 대학원 금속공학과 석사·박사/전력연구원 전략기술연구소 신소재그룹 선임연구원(현재)/관심 분야= 계면반응과 재료의 전자기 및 기계적 특성

2004년 세계 발전량은 1만6,337TWh로 동년 우리나라 발전량 367TWh의 약 50배에 달한다. 2005년도 IAEA 보고서에 의하면 2030년에는 3만1,813TWh로 2004년도에 비해 2배 정도의 발전량 증가가 전망된다.

변압기 철심재의 사용 증가량은 곧 발전량 증가와 같은 비율로 증가할 것으로 추정되므로 세계 변압기 시장도 큰 폭으로 커지고 있는 형국이다.

또한 세계철강협회에 따르면 방향성, 무방향성 규소강판을 통틀어 2004년도에는 전 세계적으로 735만톤이 생산됐다.

세계 최대 생산국 일본은 217만톤, 중국 156만톤이었고 우리나라는 70만톤 수준으로 동양 3국의 생산량이 세계 생산량의 70%를 차지할 정도로 편중 현상이 심화되고 있다.

변압기용 방향성 규소강판은 우리나라에서 연간 5만톤 정도 생산되고 있고 수요는 약 7만톤으로 2,000억원 규모의 시장이다.

변압기 생산량은 2005년 우리나라는 6,250만kVA이었고 약 6,000억원의 시장이며 발전량 규모로 볼 때 세계 변압기 시장은 약 30조원으로 추산된다.

2004년 기준 국내 송전단전력량은 3249억kWh로써 손실률은 4.46%(135억kWh)에 해당하며 이중 변압기 손실은 약 35%로 큰 비중을 차지하고 있다.

▲ 그림 1. 국내 및 세계 발전량 현황 및 전망

▲ 그림 2. 세계 전기강판 생산 추이 및 한중일 생산량

변압기 손실은 철심에서 발생되는 철손과 권선으로부터 발생되는 동손으로 구분되고 부하율에 따라 그 비율은 달라진다.

우리나라의 경우 변압기 부하율은 평균 40% 정도이고 이때 철손과 동손의 비율은 25 : 75 정도 된다.

철손은 변압기의 부하율에 관계없이 가압된 상태이면 항상 발생하는 손실이고 동손은 부하율에 따라 가변적이다. 결국 한 해 약 1,000억원이 철손 부분에서 열로 증발하고 있는 셈이다.

이러한 상황에서 변압기 철심재의 특성 향상을 통한 손실 저감은 고유가 시대의 필수 연구개발 항목으로 대두되고 있다.

변압기의 동손을 저감시키기 위해 포화자속밀도가 높은 철심재가 출현해야 하는데 이는 언제가 될지 모르는 상황이다.

따라서 손실 저감 기술은 대부분 철심재의 철손을 저감시키는 목적이 대부분이었다.
철손 저감을 위한 연구 개발은 크게 세 가지로 구분할 수 있다.

방향성 전기 강판의 두께를 얇게 해 와전류손을 줄이거나 강판의 표면에 스크래치를 주어 자구미세화를 통한 철손 저감, 강판의 전기저항을 크게 해 철손을 저감시키는 방법들이 대표적이다.

방향성 전기 강판은 1930년대 미국 Armco사의 N. P. Goss에 의해 처음 개발됐다.

그런데 Armco사로부터 방향성 전기 강판의 제조기술을 도입한 신일본 제철은 기존의 전기 강판에 새로운 성분으로서 질화알루미늄을 첨가, 기존 대비 자속밀도도 높고 철손도 매우 낮은 고배향성 방향성 전기 강판의 개발에 성공, 1968년부터 Hi-B라는 상품명으로 세계에서 선도적인 위치를 점하게 됐다.

이 Hi-B는 기존의 방향성 전기 강판 배향도 ~7o에 비해 평균 ~3o 이내로 결정립들이 배향돼 있어 일정한 여자력에 대한 자속밀도가 높다.

이처럼 자속밀도가 높아지면 변압기 제작 및 설계 시 동선의 권수가 Hi-B의 경우 재래식 방향성 규소강판에 비해 5% 정도 적어지며 이에 따라 동선에 의한 손실도 5% 가량 적어지게 됐다.

따라서 기술 선진국에서는 좀 더 우수한 자기적 특성을 갖는 철심재료 개발에 대한 노력을 기울여 왔으며 특히 미국의 알레게니 러드럼사에서는 강판의 두께를 얇게 해 철손을 줄이려는 시도를 많이 했다.

그러나 전기 강판의 두께를 얇게 하면 최종 소둔시 인히비터가 결정립의 성장을 억제하는 힘이 약해져 2차 재결정이 불균일하게 일어나고 배향성도 나쁘게 되는 것으로 알려져 있어 그 두께 한도는 현재 0.23mm로 알려져 있다.

그런데 1989년 신일본제철과 일본 동북대학교의 Arai팀은 기존의 2차 재결정법 대신 표면 에너지를 이용한 3차 재결정법으로 0.1mm 이하의 고배향성 방향성 전기 강판을 제조할 수 있다고 발표함으로써 극박 방향성 전기 강판 제조 가능성을 제시했다.

그러나 Arai 박판의 경우 불순물이 거의 없는 극청정강이고 열처리 또한 고진공 분위기에서 수행해야 하며 2단 또는 3단 압연에 의해 최종두께 0.05~0.1mm 까지 압연하는 공정이지만 상용 Hi-B의 경우는 C, Al, Mn, S, N2 등이 일정한 범위로 첨가돼 있고 1단 냉간압연으로 제품이 생산될 정도로 공정이 간단, Arai 박판은 제조 원가의 대폭 상승으로 대량 생산까지 연결되지 못했다.

한편 국내에서는 2001년 한전 전력연구원에서 불순물 편석 제어를 통한 표면에너지 유기 선택적 결정성장법을 개발, 극박 전기 강판 제조에 획기적인 전기를 마련했다.

이 기술은 제강 공정에서 필수적으로 수반되는 불순물인 황의 편석이 최종 자성특성을 결정짓는 커다란 변수임을 확인하고 그 제어를 통해 원하는 자성특성을 갖는 0.1mm 두께의 극박 전기 강판 제조에 성공한 바 있다.

이 기술은 최종 열처리를 기체 분위기에서 수행할 수 있어 대량 생산에 적합한 기술이며 현재 상용화 개발 연구를 수행하고 있는 것으로 알려져 있다.

변압기 손실의 절감은 곧바로 전력회사의 이익으로 회수되는 만큼 선진국에서는 철손의 감소분을 변압기 가격에 포함시키고 있다.

표 1은 주요 국가의 철손 감소분에 대한 비용 보상을 보여주고 있다. 많게는 철손 1kW당 8,500달러까지 보상하고 있으며 평균 4,000달러 정도를 책정하고 있다.

예를 들어 100만원짜리 100kVA급 전력용 변압기의 철손이 209W라고 하면 철손이 50% 절감된 초절전변압기의 가격은 0.209×0.5×4000$=418$ 즉 변압기의 가격을 140만원 정도로 산정해 준다는 의미이다.

최근 국내 최대 변압기 구매처인 한전에서도 그동안 시행됐던 단체수의계약제도를 폐지하고 경쟁체제를 도입한 TOC제도를 시행하고 있다.

이 제도의 장점은 단순히 제품의 가격만을 평가하는 것이 아니라 변압기의 효율을 동시에 평가함으로써 가격과 품질이 우수한 제품을 구매할 수 있다는 것이며 변압기 제조업체의 기술개발과 품질향상을 유도할 수 있고 초절전 철심재료 연구 분야에 대한 관심과 투자가 집중될 것으로 예상된다.

따라서 우수한 품질에도 불구하고 가격경쟁력에서 불리했던 아몰퍼스 전기 강판, 극박 규소강판, 자구미세화 강판 등 고급기술이 적용된 철심재료의 사용이 권장될 것이며 고급 전기 강판 제조분야가 고부가가치 산업으로 성장할 수 있는 계기가 될 것이다.