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초전도자석용 신소재 제조공법 개발

원자력硏, 액체 글리세린 이용해 전기적 특성 향상시키고 공정 단순화


차세대 전력기기 및 의료기기의 핵심 소재로 사용되는 초전도 자석의 효율을 대폭 높일 수 있게 됐다. 기존 초전도 자석에 비해 높은 효율을 가지는 신소재 이붕소마그네슘(MgB₂)으로 초전도 선재를 만드는 기술이 개발됐기 때문이다.

한국원자력연구원 중성자과학연구부의 김찬중, 전병혁 박사팀은 액체 글리세린을 이용해서 MgB₂초전도 선재에 탄소를 첨가함으로써 MgB2의 전기적, 자기적 특성을 향상시키는 새로운 공정을 개발했다고 밝혔다.

초전도 자석은 일종의 강력한 전자석이다. 따라서 자력을 발생시키기 위해 열과 전기 전도율이 매우 좋은 물질로 가느다란 전선을 만들어야 한다. MgB₂가 선재(초전도 자석의 전선을 만드는 재료)로서 우수하다는 사실은 알려져 있었으나 실용화는 실패해 왔다.

MgB₂는 초전도 온도가 39 K(약 -234 ℃)로 저온 초전도체 중 가장 높고 가격이 저렴하며 가공이 쉽다. 진단용 의료기기인 MRI(자기공명영상장치), 초전도 변압기와 한류기 등 고효율 전력기기 등의 선재(전선)로 널리 사용될 것으로 기대되는 차세대 초전도체다.

MgB₂를 실용화하기 위해서는 MgB₂와 높은 반응성을 갖는 ‘탄소 첨가제’와 혼합함으로써 전기적, 자기적 성질을 향상시키는 과정이 필수적이다. 지금까지 각국 연구진이 다양한 첨가제를 개발했지만 원료와 균일한 혼합이 어렵고 경제성에도 문제가 있었다.







액체 글리세린을 이용한 나노탄소 첨가원리(좌)와 그 같은 기술을 활용해 만든 초전도 선재의 단면도



김 박사팀은 기존의 고체형 탄소에서 벗어나, 세계 최초로 액체 첨가제를 이용해 탄소를 첨가함으로써 공정을 단순화하고 혼합 효율도 높이는데 성공했다. 음식 첨가물이나 의약품에 널리 사용되고 있는 저가의 글리세린을 액체로 녹여 MgB₂원료 분말과 혼합한 것.

그 후 100~200 ℃로 건조시켜 수소와 산소를 휘발시키면서 수 나노미터(nm, 1nm는 10억분의 1미터) 크기의 탄소 분자들만 MgB₂와 결합된 상태로 남도록 했다. 연구팀은 새롭게 개발한 공정을 이용하면 혼합시 발생할 수 있는 입자들의 뭉침 현상을 피하고, 한 번에 대량의 코어 분말 처리가 가능해 원료의 대량생산에 유리하다는 사실을 알아냈다.

또 연구팀은 액체 글리세린 첨가공정 개발과 함께 MgB2 핵심물질을 나노크기로 미세하게 만들어 내는데도 성공했다. 따라서 탄소입자가 코어 물질에 효율적으로 부착되어 MgB₂의 전기적 특성을 수십 배 향상할 수 있었다.

김찬중 원자력연 박사는 “새 공정으로 제조한 초전도 선재가 기존 재료에 비해 월등히 높은 성능을 나타냈다”며 “2011년 상용화를 목표로 2단계 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.

연구팀은 이 신공정 기술에 대해 국내 특허를 출원하고, 초전도 관련 SCI(과학기술논문색인지수) 국제 저널인 ‘초전도체과학기술(Superconductor Science and Technology)’ 2008년 21호에 게재했다. 이 연구는 지식경제부 전력산업연구개발사업 지원을 통해 이뤄졌다. 앞으로 국제특허 확보, 공정 특허 출원 등 진행할 예정이다.

 

 

 



전승민 동아사이언스 기자 enhanced@donga.com



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