초전도체

최근 이슈가 되고 있는 초전도체는 매우 낮은 온도에서 전기저항이 0이 되는 현상을 보이는 물질을 말합니다. 1911년 네덜란드의 물리학자 오네스 (Heike Kamerlingh Onnes)에 의해 처음 발견되었으며, 그 이후로 많은 과학자들이 초전도 현상의 원리와 특성에 대해 연구해 왔습니다. 초전도체는 저항이 없기 때문에 전력 손실이 없고, 강력한 자기장을 발생시킬 수 있습니다. 이러한 특성은 전력, 의료, 교통, 핵융합 등 다양한 분야에 활용될 수 있습니다.

종류

초전도체는 온도에 따라 크게 저온초전도체와 고온초전도체로 구분할 수 있습니다. 저온초전도체는 액체 헬륨 온도인 4.2K 이하에서만 초전도 현상을 보이는 금속 또는 합금으로 이루어진 물질입니다. 저온초전도체는 오네스가 처음 발견한 수은부터 시작하여 니오븀, 나이트로겐, 알루미늄 등 다양한 금속과 합금으로 만들어져 왔습니다. 저온초전도체의 장점은 초전도 전이 온도가 잘 정해져 있고, 안정적으로 초전도 현상을 유지할 수 있다는 것입니다. 단점은 액체 헬륨과 같은 저온 냉각제가 필요하고, 비용이 많이 든다는 것입니다. 고온초전도체는 1986년 스위스 취리히 IBM 연구소에서 비금속 산화물에서 발견된 이후로 개발된 산화물 기반의 물질입니다. 고온초전도체는 액체 질소 온도인 77K 이상에서 초전도 현상을 보일 수 있으며, 최근에는 100K 이상에서도 초전도 현상을 보이는 물질들이 발견되었습니다. 고온초전도체의 장점은 비교적 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 액체 질소를 냉각제로 사용할 수 있고, 실용화하기에 유리하다는 것입니다. 단점은 초전도 전이 온도가 잘 정해져 있지 않고, 환경 요인에 따라 변화할 수 있다는 것입니다.

활용 분야

초전도체의 활용 분야는 매우 다양합니다. 가장 대표적인 예로 MRI (자기공명영상 장치)가 있습니다. MRI는 인체 내부의 조직과 기관을 자기장의 변화를 이용하여 영상으로 나타내주는 의료 기기입니다. MRI에는 강력한 자기장을 발생시키기 위해 초전도 전자석이 사용됩니다. 초전도 전자석은 저항이 없기 때문에 원하는 만큼의 전류를 흘려보내고, 강한 자기장을 유지할 수 있습니다. MRI는 초전도 전자석이 없었다면 실용화하기 어려웠을 것입니다. 또 다른 예로 초전도 케이블이 있습니다. 초전도 케이블은 초전도 도선을 통전 층으로 하여, 같은 크기의 기존 구리케이블에 비해 5배 이상의 전류를 통전할 수 있습니다. 초전도 케이블은 전력 손실이 없고, 공간 활용이 효율적이며, 환경 문제를 최소화할 수 있습니다. 초전도 케이블은 대도시 부하 밀집 지역의 효율적/경제적 전력망 구축에 적합하며, 신재생 에너지 발전과 연계한 중저압 초전도케이블을 이용한 직류 송전 등 차세대 고효율 전력망 구축에 기여할 수 있습니다. 그 외에도 초전도체는 한류기 (Fault Current Limiter), 초전도 발전기, 초전도 모터, 초전도 변압기, 초전도 자기부상열차 (Maglev Train), 초전도 컴퓨터 등 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다.

 

초전도체는 전기저항이 없고 강한 자기장을 발생시키는 특성을 이용하여 에너지 효율성을 높이고, 기기의 성능과 안정성을 향상할 수 있습니다. 또한, 환경친화적인 기술로서 이산화탄소 배출 감축과 절연유나 SF6 가스 미사용으로 환경 문제를 해결할 수 있습니다. 현재까지 발견된 고온초전도체들은 아직 상온에서는 초전도 현상을 보이지 않습니다. 그러나 많은 연구자들이 상온에서도 초전도현상을 보일 수 있는 상온초전도체를 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 상온초전도체가 개발된다면, 냉각 시스템 없이도 초전도현상을 유지할 수 있게 되어, 초전도 기술의 실용화와 확산에 큰 도약을 이룰 수 있습니다. 상온초전도체는 인류의 삶을 바꾸는 꿈의 기술로 불릴 것입니다.