반도체·첨단소재용 이온주입장치 전력기술 국산화…비용 70%·납기 7개월↓

한국원자력연구원

한국원자력연구원이 이온주입장치의 고전압 환경에서도 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 절연형 모터제너레이터(Motor-Generator Set, MG-SET)를 독자 개발하는 데 성공했다. 원자력연 제공

반도체와 첨단 소재 제작에 쓰이는 장비인 이온주입장치에 안정적으로 전력을 공급하는 장비가 국산화됐다. 제작 비용은 70%, 납기 기간은 7개월 이상 줄일 수 있어 첨단 산업 분야의 해외 의존도를 크게 줄일 것으로 평가된다.

한국원자력연구원 양성자과학연구단은 고전압 환경에서도 이온주입장치에 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 장비인 절연형 모터제너레이터(MG-SET)을 독자 개발하는 데 성공했다고 17일 밝혔다.

이온주입 기술은 반도체와 첨단 소재 제작 분야에 널리 쓰이는 핵심 공정이다. 수만~수십만 볼트(V, 전압의 단위) 수준으로 이온을 가속해 소재 내부로 주입하는 원리다. 이온 주입으로 소재의 전기적 특성이나 표면 성질을 조절한다.

이온주입장치는 고전압에서 작동하기 때문에 수백 볼트 수준의 일반 전원과 연결하면 장치가 손상되거나 안전 문제가 발생할 수 있다. 모터제너레이터는 이를 해결하기 위해 외부 전기로 모터를 먼저 돌리고 회전력을 발전기로 전달해 필요한 전압의 전기를 재생산해 공급하는 장치다.

모터제너레이터 속 모터와 발전기가 직접 연결되면 높은 전압이 모터나 외부 전원장치로 전달될 수 있기 때문에 두 장치를 전기적으로 분리하는 절연 구조가 필요하다. 절연형 모터제너레이터를 생산하는 국내 업체가 없어 그동안 해외 제품에 의존했다. 최근 공급망 불안정과 환율 상승 등으로 국산화 요구가 높아졌다. 

원자력연 연구진이 개발한 절연형 모터제너레이터. 원자력연 제공

원자력연 연구팀은 모터와 발전기 사이에 전기는 통하지 않지만 회전 동력을 전달하는 절연축을 적용했다. 가볍고 절연 성능이 우수한 나일론 소재를 사용해 생산 단가를 줄였다.

발전기와 이온주입장치 연결 구간에 걸리는 높은 전압으로 공기 중에 전기가 새어 나오는 코로나 방전이 발생하기도 한다.

연구팀은 전압이 특정 부분에 몰리지 않도록 장치 외부 구조의 모든 부분을 반지름 5cm 이상의 곡면 형태로 만들어 문제를 해결했다. 전기장은 모서리가 뾰족할수록 한 곳에 집중되는 특성이 있다는 사실을 응용한 것이다.

연구팀이 개발한 절연형 모터제너레이터는 해외 제품 대비 제작 비용이 약 70% 절감됐고 납기는 10개월에서 3개월 이내로 단축됐다. 사용 장비에 따른 맞춤형 설계와 국내 유지보수도 가능해졌다. 이온주입장치뿐 아니라 고전압 전력 공급이 필요한 첨단 분야 등 다양한 장비로 확장 가능하다.

이재상 원자력연 양성자과학연구단장은 "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 밝혔다.

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]