그래핀의 열소산 능력, 세계 최초 검증
네이처 자매지 <사이언티픽 리포트> 온라인판 논문 게재

김형대 원자력공학과 교수 연구팀이 비등 열전달 상황에서 나노신소재인 그래핀을 활용하면 열전달 효율과 한계점이 증진된다는 사실을 밝혀냈다. 연구팀은 이번 연구에서 그래핀에 의한 열소산 능력을 세계 최초로 검증했는데, 이 과정에 김형대 교수가 보유한 적외선 열화상 기법이 활용됐다. 연구 결과는 9월 3일 네이처 자매지인 <사이언티픽 리포트(Scientific Reports)> 온라인판에 게재됐다.

“그래핀의 열소산 기술화 가능성 보여준 연구”
비등은 액체에 열이 전달돼 일정 온도(한계점)에 도달하면 끓어올라 표면에 기포가 형성되는 현상으로, 한계점을 넘어서는 열이 발생하면 열전달 표면이 순간적으로 녹는다. 따라서 비등 열전달을 주요 에너지 전달 원리로 사용하는 화력·원자력 발전소의 경우, 한계점을 높이거나 열을 소산시켜 효율을 높이는 것이 중요하다.

연구팀은 그래핀이 기존 물질보다 10배 이상 열전도도가 뛰어나다는 점에 착안, 그래핀을 비등 표면에 적용해 비등 효율을 약 78%, 비등 열전달 한계점을 약 60% 증진시켰다. 김형대 교수는 “그래핀은 열전도도가 우수해 이론적으로 열소산 능력이 있을 것이라는 예측이 있었는데, 이를 검증한 사례가 없었다”면서 “그래핀을 열전달 분야에 적용해 기술적으로 실용화될 수 있는 가능성을 보여준 최초의 연구”라고 설명했다. 이번 연구 결과는 휴대전화, 태블릿 PC 등 집적도가 높은 전자기기에서 발생하는 국소적인 열 문제를 해결하는 데 도움이 될 것으로 기대된다. 김 교수는 원자력 분야에도 이를 적용할 계획이다. 원자력 발전소의 경우, 열이 갑자기 한쪽으로 집중되면 큰 사고로 이어질 수 있어 발전소 운영을 위한 설계와 안전성 측면에서 한계점을 획기적으로 높일 수 있는 기술이 필요하기 때문이다.

이번 연구는 한국연구재단, 에너지기술평가원의 지원으로 안호선 인천대 기계시스템공학부 교수 연구팀, 김무환 포스텍 첨단원자력공학부 교수 연구팀이 공동으로 진행했다.

적외선 열화상 기법 이용해 메커니즘 밝혀
그래핀의 열소산 능력 검증 과정은 적외선 열화상 기법을 이용한 상변화 열전달 메커니즘 연구 방법에 의해 가능했다. 김형대 교수는 “그동안 연구를 진행하면서 물질의 표면에 다른 물질이 있을 때 어떤 현상이 일어나는지 관찰을 많이 했는데, 과정을 확인하기 어렵고 현상이 일어나는 원인을 알 수 없는 경우가 많았다”면서 “그 원인을 파악하기 위해 2~3년간의 측정 기법 개발 연구를 통해 적외선 열화상 기법을 개발했다”고 전했다. 적외선 열화상 기법은 열화상 카메라로 대상체를 찍기만 하면 된다. 전체 면적을 스캔하면서 과정을 찍는 방법으로, 1ms(1/1000초)당 한 방울씩 기포가 생기는 비등 현상과 같이 복잡한 메커니즘을 밝혀내는 데 활용할 수 있다. 이 기법의 우수성을 인정받아 김형대 교수는 내년에 열리는 ‘Boiling and Condensation’ 학회 기조연설자로 초청받았다.