한국기초과학지원연구원(KBSI)은 연구장비개발부 이계행·최연석 박사 연구팀이 포항공과대학교(POSTECH) 연구팀과 열전도성 접착제를 개발해 저온용 초전도 코일의 열적 안정성을 세계 최고 수준으로 확보하는 데 성공했다고 7일 밝혔다.
초전도 코일은 임계온도 이하에서 저항이 0이 되는 특징 때문에 상전도 코일에 비해 전기적, 열적 손실없이 더 높은 전류를 흐르게 함으로써 고자기장을 발생시킬 수 있으며 동일한 크기의 자기장을 발생시킬 때 코일의 부피를 상대적으로 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
이번 연구에 활용된 초전도 코일은 다층 솔레노이드 형상을 갖는 구조로 권선기(winding machine)를 이용해 초전도 선재를 원통형태의 보빈(bobbin)에 감아 제작됐다.
이 과정에서 초전도 코일의 열전도도를 높임은 물론, 기계적 형상을 유지하기 위해 초전도 코일의 각 층에 접착제가 도포된다.
초전도 코일 제작에 사용되는 기능성 접착제 시장은 미국 Emerson & Cuming사의 열전도성 에폭시 접착제가 독점하고 있지만 고자기장 기술의 핵심요소인 초전도 코일의 성능, 신뢰성 및 내구성 향상을 위한 연구개발이 가속화되면서, 열 방출과 열 충격완화에 필요한 초전도 코일의 제작에 권장되는 기능성 접착제의 열전도도 개선이 매우 시급한 실정이다.
공동연구팀은 물과 친화력이 적은 질화붕소(boron nitride)의 소수성을 친수성으로 개질할 수 있는 방법을 개발하고, 개질된 질화붕소를 이용하여 기존 상용 에폭시 접착제의 열전도도를 획기적으로 높이는데 성공했다.
개질된 질화붕소의 가장자리에 존재하는 하이드록시기(hydroxyl group)는 접착성 성분인 에폭시와의 친화력을 높임으로써 에폭시 내 질화붕소 입자의 분산성을 개선한다. 주사전자현미경에 의한 미세구조 분석을 통해 에폭시 내 열전도성 입자들의 균일한 분포가 열전도도 증가에 주요 요인임을 알아냈다.
개질된 질화붕소를 혼합 제조한 접착제는 기존의 상용 에폭시 접착제 보다 열전도도가 2배 이상 향상됐으며 개질된 질화붕소가 혼합된 접착제를 도포한 초전도 코일이 상용 에폭시 접착제를 도포한 초전도 코일에 비해 상전도영역 전파속도(normal zone propagation velocity)와 냉각속도(cooling rate)가 각각 66%, 13% 개선됐다.
KBSI 최연석 박사는 “본 연구는 질화붕소의 표면을 손쉽게 대량으로 개질하는 방법을 개발한 것으로, 저온용 초전도 코일 권선에 접착제를 직접 적용했으며, 액체헬륨이라는 실제 환경에서 열적 안정성이 개선되었음을 확인했다는 점에서 큰 의미가 있다”고 설명했다.
KBSI 이계행 박사는 “후속연구로 개질된 질화붕소를 국내 기업에서 제작하는 초전도 코일에 적용해 성능 및 안전성을 평가하는 테스트 절차를 협의 중에 있다”며 “이번 연구는 개질하는 기술에만 한정되어 있기 때문에 국내에서 생산할 수 있는 다양한 소재에도 본 기술을 적용함으로써, 기능성 소재를 국산화하기 위한 연구를 기획하고 있다”고 말했다.
