초전도체의 의미와 원리, 활용 방법

초전도체란 무엇일까요? 가전제품, 특히 우리 몸에서 가장 가까이 있는 휴대폰을 사용하다 보면, 시간 가는 줄 모르고 붙잡고 있게 됩니다. 이때 휴대폰은 점점 뜨거워지는데요. 이렇게 열이 발생하는 이유가 바로 전기 저항 때문이라고 합니다. 전기 저항이 없다면 어떨까요? 우리를 불쾌하게 하는 휴대폰의 뜨거운 열도 사라질 것입니다. 이것과 관련된 것이 바로 초전도체입니다.

 

초전도체는 영어로 superconductor, 즉 일반적인 전도체와는 다른 특별함이 있기 때문에 super라는 것이 붙었습니다. 초전도체는 특정 온도 아래에서 전기 저항이 완전히 사라지는 물질을 말합니다. 이 현상은 초전도 현상이라고 불립니다. 초전도체는 전기 에너지의 손실 없이 전류를 전달할 수 있으므로, 다양한 고성능 전자 기기와 초고속 전송 시스템에 사용되는 매우 중요한 물질입니다. 초전도 현상은 오네스에 의해 1911년에 처음 발견되었으며, 수십 년 동안 많은 연구가 이루어져왔습니다.

 

 

 초전도체의 종류는?

초기의 초전도체는 매우 낮은 온도에서만 작동하였으나, 현재는 더 높은 온도에서도 작동하는 초전도체가 개발되었습니다. 이렇게 초전도체는 주로 두 가지 유형으로 나뉩니다.

 

 

1형 초전도체 (Type I superconductors)

비교적 낮은 온도에서 초전도 현상이 나타나는 물질들을 말합니다. 이 초전도체는 대부분의 금속 원소와 몇몇 합금 등으로 구성되어 있으며, 이들은 초전도 현상이 발견된 초기부터 알려져 있는 초전도체입니다.

 

 

2형 초전도체 (Type II superconductors)

이 초전도체는 합금, 산화물, 세라믹 등으로 구성되어 있습니다. 1형 초전도체는 저온으로 만들기까지 비용이 너무 많이 들어 실효성이 낮았던 것에 비하여, 2형은 138K(-135도) 정도에서도 초전도 현상이 나타날 수 있게 되었습니다. 1986년 이후 발견된 고온 초전도체는 대부분 이 유형에 속합니다.

 

 

 

 초전도체의 특징은?

초전도체는 전기 저항이 없습니다. 초전도체는 특정 전이 온도 이하에서 완전히 저항이 없어 전류의 손실이 발생하지 않습니다. 이 특성 덕분에 전기 에너지 손실을 최소화할 수 있습니다. 그리고 초전도체는 외부 자기장을 내부에서 완전히 배제하는 성질을 가지고 있습니다. 이를 메이스너 효과라고 하며, 이 때문에 초전도체는 자기 부상 기술에 활용될 수 있습니다.

 

 초전도체가 사용되는 분야는?

초전도체는 고강도 자석, 레일 전자 기술, 전력 저장 장치, 전력 전송 및 분배 시스템 등 다양한 응용 분야에서 사용되고 있습니다. 또한 초전도체는 양자 컴퓨팅 및 초고속 전자 기술 분야에서도 중요한 역할을 차지하고 있습니다. 연구자들은 여전히 더 높은 온도에서 작동하는 초전도체를 개발하기 위해 노력하고 있으며, 이는 기존 전력 인프라 및 전자 기술의 혁신적인 변화를 초래할 것으로 기대되고 있습니다.

 

자기부상 고속철도

자기부상 고속열차(Maglev)는 순수 초전도 자석을 이용해 열차와 레일 사이에 유지되는 자기부상 기술에 초전도체를 사용합니다. 즉, 철도와 열차 사이에 자기장을 만들어 대기 중에 떠다니는 기술입니다. 우리나라를 포함해서 각국에서 연구하고 있는 상황입니다. 이렇게 함으로써 마찰력이 사라져 기존 철도보다 훨씬 빠른 속도로 운행됩니다. 상하이 자기부상 열차는 대표적인 예로, 상하이 시내와 푸동 국제공항을 잇는 30km 구간을 7분 만에 운행할 수 있습니다.

 

에너지 저장 장치 및 전력 전송

초전도체의 무손실 전류 전달 능력 덕분에 에너지 저장 시스템 및 전력 전송 및 분배 시스템에서 사용할 수 있습니다. 이를 통해 전력 손실을 줄이고 에너지 효율을 높일 수 있습니다.

 

양자 컴퓨팅

초전도체는 양자 비트를 구현하는 좋은 후보인 조셉슨 접속기를 만드는 데 사용됩니다. 이를 통해 기존 컴퓨터보다 빠르게 복잡한 계산을 처리할 수 있는 양자 컴퓨터의 발전에 기여하고 있습니다.

 

자석공명영상 (MRI)

누구나 MRI라는 명칭은 한 번쯤 들어보셨을 것입니다. MRI는 초전도자석을 사용하여 강력한 자기장을 생성하는 의료영상 기술입니다. 강한 자기장은 인체의 수소 원자핵을 정렬시켜 원하는 영역의 고해상도 영상을 얻을 수 있으며, 이를 통해 질병이나 부상을 진단할 때 그 근거를 제공하는 역할을 합니다.

MRI는 방사선인 X-ray에 비해 인체에 무해하고, CT스캐너를 이용한 컴퓨터단층촬영(CT)에 비해 해상도 측면이나 대조도 측면에서 더 뛰어납니다. 그리고 CT에 비해 필요한 각도의 영상을 검사자가 선택해서 촬영할 수 있습니다. 이렇게 장점이 많은 만큼 비싸고 시간이 오래 걸린다는 점을 고려해야 합니다.

 

입자 가속기

초전도자석은 입자 가속기에서 입자들을 고속으로 가속하고, 원형 궤도로 유도하는 데 사용됩니다. 대표적인 예로 유럽 입자물리연구소(CERN)의 대형강입자충돌기(LHC)가 있습니다. LHC는 초전도자석을 사용해 원자핵과 소립자들을 거의 빛의 속도에 근접한 속도로 가속하고 충돌시키는 역할을 수행합니다. 이를 통해 물질과 우주의 기원을 연구합니다.

 

초전도 전력 전송 및 분배

일부 지역에서는 초전도 케이블을 사용한 전력 전송 및 분배 프로젝트가 실험적으로 진행되고 있습니다. 이를 통해 전력 손실을 최소화하고, 전기 공급의 안정성을 높일 수 있습니다. 예를 들어 미국의 롱아일랜드에서는 초전도 전력 케이블로부터 전력을 공급하는 프로젝트가 진행되었습니다.

 

에너지 저장 기술

초전도자석 에너지 저장(SMES) 시스템은 초전도자석을 사용하여 대량의 에너지를 저장할 수 있는 장치입니다. 이런 시스템은 전력의 안정성 유지와 에너지 효율 개선에 도움을 줄 수 있습니다.

 

이 외에도 우주 탐사, 군사 기술, 통신 기술 등 다양한 분야에서 초전도체의 적용 가능성이 탐구되고 있고, 더 효율적이고 고성능의 기술과 시스템에 활용될 수 있는 가능성을 제시하고 있습니다. 그러나 아직 고온에서 작동하는 초전도체의 상업적 활용에 여러 제약이 있기 때문에, 연구와 개발이 지속적으로 이루어져야 할 분야입니다.