초전도코일 성능 획기적으로 높여... 소·부·장 기술자립 가시화

열전도성 에폭시 접착제 기술개발로 초전도 코일 열적 안정성 최고수준 개선

POSTECH과 공동연구, Composites Part B:Engineering誌 온라인 게재

 물리적 특성분석장치(PPMS), 자성측정기(MPMS), 진동시편자력계(VSM), 가속기 등에 널리 이용되는 저온용 초전도 코일*의 열적 안정성을 높일 수 있는 열전도성 접착제를 개발함에 따라 분석과학 연구장비 국산화의 핵심요소인 초전도 선재 연구 및 초전도자석 개발에 있어서 세계시장 경쟁력 확보가 머지않을 전망이다.  

  * 저온용 초전도 코일 : 저온용 초전도체(액체헬륨 등을 냉매로 사용하여 초전도성을 띠게 되는 물질)를 원통 모양으로 길게 감아 만든 형상을 가지며, 앙페르의 법칙에 따라 초전도체에 전류가 흐를 때 발생되는 자기장을 원통 내부에 집속 시킬 수 있기 때문에 고자기장(high-mangetic field)이 필요한 응용기기에 활용됨.

 한국기초과학지원연구원(원장 신형식, 이하 KBSI)은 연구장비개발부 이계행․최연석 박사 연구팀과 포항공과대학교(총장 김무환, 이하 POSTECH) 화학공학과 이기라 교수 연구팀이 공동으로 열전도성 접착제를 개발하여 저온용 초전도 코일의 열적 안정성을 세계 최고 수준으로 확보하는 데 성공했다고 10월 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 있다. 또한, 동일한 크기의 자기장을 발생시킬 때 코일의 부피를 상대적으로 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 초전도 코일은 활용되는 연구장비 분야에 따라 솔레노이드(solenoid), 레이스트랙(race track), 토로이달(toroidal) 등 다양한 형상으로 활용되고 있다. 

 이번 연구에 활용된 초전도 코일은 다층 솔레노이드 형상을 갖는 구조로, 권선기(winding machine)를 이용하여 초전도 선재를 원통형태의 보빈(bobbin)에 감아 제작했다. 이 과정에서 초전도 코일의 열전도도를 높임은 물론, 기계적 형상을 유지하기 위해 초전도 코일의 각 층에 접착제가 도포된다. 

 접착제는 열전도 성질을 지니고 있어 코일 내부에 발생되는 열을 외부로 전달하는 기능을 담당한다. 특히, 초전도성 상실 등에 의한 과열사고 방지를 위해 코일 내부의 온도를 외부로 빨리 전도하는 것은 초전도 코일의 열적 안정성을 높이는 중요한 요소이다. 

 초전도 코일 제작에 사용되는 기능성 접착제 시장은 미국 Emerson & Cuming사의 열전도성 에폭시 접착제가 독점하고 있다. 하지만, 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.

그림1. (a) 질화붕소 표면 개질과정(붕산과 질화붕소 혼합액에 초음파에너지를 가해 질화붕소에 붕산을 결합) 및 개질된 질화붕소를 에폭시에 혼합 제조한 복합체가 초전도 코일 내에서 열을 전달하는 과정 모식도, (b) 초전도 코일 실물 사진

 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. 소수성을 갖는 질화붕소는 에폭시와 잘 섞이지 않는 특징이 있다. 열전도성이 우수한 질화붕소와 특유의 화학적 반응성을 지닌 붕산(boric acid)의 혼합액에 초음파 에너지를 쪼이게 함으로써, 친수성이 증대된 질화붕소를 얻을 수 있었다.  

 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.

그림2. 온도에 따른 각 코일의 열전도도_온도 변화에 따라 개질된 질화붕소가 혼합된 접착제를 이용하여 제작한 

초전도 코일(Coil 3)의 열전도도가 가장 빠르다는 것을 알 수 있음.

그림3. 전류에 따른 각 코일의 상전도영역 전파속도(Normal Zone Propagation Velocity)와 시간에 따른 각 코일의 

냉각속도_(a)전류량의 변화에 따라 개질된 질화붕소가 혼합된 접착제를 이용하여 제작한 초전도 코일(Coil 3)의 상전도영역 전파속도가 가장 빨라, 열적 안정성이 향상되었음을 알 수 있음, (b)초전도 코일을 극저온냉매에 침전시켰을 때 

내부온도가 시간에 따라 내려가는 정도를 나타낸 그래프로, 최종온도 대비 36.8% 내려갔을 때의 소요시간을 

시간상수로 정의하여 표현

 특히, 개질된 질화붕소를 혼합 제조한 접착제는 기존의 상용 에폭시 접착제 보다 열전도도가 2배 이상 향상되었으며, 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% 개선되었음을 확인했다.

  * 상전도 영역 전파 속도(normal zone propagation velocity): 초전도체가 전류, 온도, 자기장 등의 변화로 인해 초전도성을 상실하고 부분적으로 상전도성을 띄는 영역이 발생하는데, 이 때 상전도 영역이 인접한 초전도 영역으로 전파되는 속도를 의미함. 상전도 영역 전파 속도는 초전도 코일의 열적 안정성을 판단하는 근거로 사용됨.

사진. 왼쪽부터 KBSI 김준민 연구원(공동 제1저자), 송승현 박사(공동 제1저자),

최연석 박사(공동교신저자), 이계행 박사(공동교신저자), POSTECH 이기라 교수(공동교신저자)

 KBSI 이계행 박사와 POSTECH 이기라 교수 연구팀은 질화붕소의 친수성 표면개질 연구 및 재료의 기초성질 특성분석을 담당했으며, KBSI 최연석 박사 연구팀은 개질된 질화붕소를 이용한 초전도 코일의 제작 및 열적 안정성 평가를 진행했다. 

 이번 연구의 공동교신저자인 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 밝혔다. 

 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 밝혔다.

 이번 연구는 KBSI의 전자기 물성측정 장비개발 사업 및 한국연구재단의 미래소재디스커버리사업 지원으로 수행되었으며, 다학제 공학분야 세계적 권위의 학술지인 Composites Part B: Engineering誌 온라인판[논문명 : Thermally conductive composites with hydroxylated boron nitrides for the efficient thermal management of superconducting coils, IF=9.078, JCR 상위 1%,  KBSI 김준민(공동 제1저자), KBSI 송승현(공동 제1저자), KBSI 최연석(공동교신저자), KBSI 이계행(공동교신저자), POSTECH 이기라 교수(공동교신저자)]에 최근 게재됐다. <끝>