초전도체란 무엇인가?

‘상온 초전도’  세계 첫 성공? 한국 연구진 논문에 물리학계 시끌....이라는 신문을 어제 보았는데, 제일 먼저 제눈에 들어온 것은 자석 위에 띄어 있는 사진이었습니다. 이게 무엇인지 궁금증이 생겨서  상온 초전도란 무엇인지, 아니 우선 초전도체란 무엇인지, 어떻게 활용되고 있는지 알아보려고 합니다.

조선일보에서 발취, 초전도체

1. 전도체와 초전도체의 뜻

초전도체를 알아보기 전에, 우선 전도체란 무엇이지 알아보겠습니다. 전도체란 전기를 흐르게 하는 물질을 이야기합니다. 전기를 흐르게 하는 물질은 전자를 지니고 있는데 이 전자가 전기를 운반하는 입자입니다. 전기를 통과할 때 일정한 전압이 필요하고, 전기저항이 존재합니다.

 

초전도체란 전기저항이 완전히 없는 물질로 매우 낮은 온도에서만 가능합니다. 초전도체는 전자를 이동시킬때 저항이 없기 때문에 전류가 흐를 때 에너지가 소모되지 않습니다. 초전도체는 전기를 매우 효율적으로 운반할 수 있고, 여러 분야에 응용되고 있습니다. 

초전도체는 전자를 전달하는 물질로 구조는 매우 간단합니다. 전자가 통과 할 수 있는 금속성 원자로 배열되어 있어서 전기 전달능력이 높습니다. 초전도체는 전자의 자유 이동으로 인해 전기저항이 거의 없어 전기를 전달하는 속도가 매우 빠릅니다. 단 초전도체는 매우 낮은 온도에서만 효과를 발휘하므로 저온 기술이 필료하고 자기장과 상호작용을 위해 자기장 차단장치가 필요합니다. 전기전달능력이 매우 높고, 에너지 손실이 적어 전기적이 효율성이 뛰어나기 때문에 특수한 분야에서 많이 사용되고 있습니다.  초전도체는 저온에서만 작동가능하여 냉각시스템이 필요하고, 자기장에 매우 민감하여 자기장 방어장치를 설치해야 됩니다.  제작과 유지 보수 비용이 높습니다. 

 

초전도체는 전기를 전달하기 위한 재료입니다. 초전도체의 구조는 매우 간단합니다. 초전도체는 전자를 전달하는 물질로, 전자가 통과할 수 있는 금속성 원자가 배열되어 있습니다. 이러한 금속성 원자는 전자를 자유롭게 움직일 수 있도록 하기 때문에, 전기 전달 능력이 매우 높습니다.  초전도체는 특정 온도(Tc) 이하로 냉각되면 저항이 0으로 전기를 전도할 수 있는 물질입니다. 그들은 또한 강한 자기장을 생성하고 초전도 상태에 있을 때 자석 위로 부상할 수 있습니다. 비싸고 매우 낮은 온도가 필요한 초전도체는 전력 전송, 의료 영상 및 운송과 같은 분야에서 많은 잠재적 응용 분야를 가지고 있습니다.

2. 초전도체의 발견

초전도체(superconductor)는 전도체로서, 초전도 전이 온도(superconducting transition temperature, Tc)라고 하는 특정 온도 이하에서 모든 전기 저항을 상실하는 물질을 말합니다.  1911년에 네덜란드의 물리학자 오너스(H. K. Onnes)에 의해서 처음으로 이 현상이 발견되었습니다. 일반적으로 금속성 도체(metallic conductor)인 구리나 은은 전기 저항은 온도가 낮아짐에 따라 점차 감소하지만, 초전도체의 경우에는 Tc 이하로 냉각되면 갑자기 저항이 0인 완전 도체 (perfect conductor) 가 되고 특징적으로 외부의 자기장(magnetic field)을 배척하는 마이스너 효과(Meissner effect)가 나타나고, 한 번 발생한 전류는 에너지 손실 없이 무한히 흐릅니다.

1986년에 발견된 고온 초전도체(high-temperature superconductor)은 페로브스카이트(perovskite) 구조를 갖는 몇 가지 구리 산화물 세라믹(ceramic) 물질의 Tc가 90K(-183℃) 이상임이 밝혀졌다. 초전도체는 물리, 화학, 재료과학 분야에서 은 연구를 촉진해 왔고, 자기 부상 열차, 초고속 컴퓨터, 에너지 손실 없이 송전하는 전력선 개발을 이끌어 갈 것으로 기대된다.

3. 활용

현재 사용되는 대부분의 물질은 전기 에너지가 전기전도체를 통과 할 때 일부 전기에너지가 열로 소비되어 전력손실이 발생할 수밖에 없습니다. 일반적으로 사용하는 구리, 알루미늄, 실리콘 등은 전기저항이 존재하고 이로 인한 에너지 손실률은 전기저항 값과 전류밀도에 따라 결정됩니다. 전력손실이 비교적 낮은 그래핀과 탄소 나노튜브의 경우는 다량생산이 어려워 전력 전송이 어렵워서 구리와 알루미늄이 널리 사용되고 있습니다. 

 

초전도체를 사용한 전기선은 전기 손실이 거의 없어 멀리 떨어진 장소에서도 대량의 전력을 전송할 수 있고, 자기장을 생성하는데 매우 유용합니다. 자기장을 이용하여  자동차용 제동 시스템, 의료용 MRI, 발전소용 발전기 등에 활용할 수 있습니다. 강한 자기장은 특히 의료용 MRI(Magnetic Resonance Imaging)로 활용할 수 있는데, MRI는 인체 내부 구조를 더욱 세밀하게 확인할 수 있습니다.  또한 자동차용 제동 시스템에서도 강한 자기장을 활용하면 더욱 안전하고 효율적인 제동이 가능해 집니다.

 

초전도체의 원리는, 전자가 동일한 방향으로 움직이며, 서로 상호작용하여 전기 저항이 없어진다는 것입니다. 우리에게 친환경적이고 에너지 효율에 최강자이지만, 저온에서만 동작하고 냉각시스템이 필요하다는 것, 그리고 자기장에 민감하여 자기장 방어장치를 설치해야 해서 제작과 보수 비용이 많이 든다는 단점을 모두 없앨 수 있는 것이 상온 초전도체라는 것임을 알게 되었고, 이것이 개발되고, 재현된다면 혁명적인 물질이 개발되었다고 생각이 듭니다.

 

상온 초전도체가 개발되어 일상생활이 활용된다면 에너지를 낭비 없이  효율적으로 극대화하여 사용할 수 있게 될 겁니다. 

운송수단으로 초전도 재료를 사용하여 최소한의 마찰로 초고속으로 이동 가능한 부상열차를 만들 수 있고, 의료영상인  MRI는 강력한 자기장으로 신체 내부 장기 및 조직의 상세한 이미지를 짧은 시간 안에 생성하는 것이 가능합니다. 또 에너지 효율적인 컴퓨터 장치를 만들 수 있는데, 초전도 장치는 기존의 것보다 훨씬 빠른 속도와 낮은 전력 소모로 동작할 수 있게 해 줍니다. 뿐만 아니라 항공 우주나 에너지 생성 등 다양한 곳에서 상온 초전도체가 사용될 수 있습니다.

 

아직 상온 초전도가 재현된 경우가 없고 논문들만 발표된 상태이지만 우리나라 과학자들이 좀 더 힘내서 꼭 성공했으면 좋겠다는 생각이 들었습니다.  이번 기사를 읽고 " 상온 초전도"에 대해서 처음 접하게 되었지만 좋은 결과로 우리 실생활에 성 활용되었으면 좋겠다는 생각이 들었습니다. 

 

아래 링크는 제가 읽은 신무 기사 링크를 첨부했습니다.

 

https://www.chosun.com/economy/science/2023/07/27/XNBHBSWPL5DD5GGOOZWVNA3F5Y/

‘상온 초전도’ 세계 첫 성공? 한국 연구진 논문에 물리학계 시끌