초전도체란? 초전도체의 종류는? 어디에 활용하나요?

 

초전도체(Superconductors)가 뭔가요?

 

 

초전도체는 특정 온도인 임계 온도 이하에서 전기 저항이 제로가 되는 현상을 나타내는 물질입니다. 이러한 물질은 영점 근처에서 전류가 흐를 때 에너지 손실 없이 전류를 전달하는 놀라운 특성을 갖고 있습니다. 초전도체는 1911년 영국의 화학자 헤일로가 먼저 발견하였으며, 그 이후로 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.

 

초전도체의 가장 특징적인 특성은 영점 또는 임계 온도라고 불리는 특정 온도 이하에서 저항이 제로에 가깝게 감소하는 것입니다. 이 온도를 초전도 전이 온도라고도 합니다. 이러한 영점은 절대 영도인 영하 273.15도인 0 켈빈(-273.15°C)에 가까워질수록 더 강력하게 나타납니다.

 

 

 

초전도체의 동작 원리는 정확히 이해되지 않았으며, 이는 양자역학적 효과로 설명됩니다. 초전도체의 전자들은 반대 방향으로 이동하며 특정한 패턴으로 쌍을 이루는데, 이를 쿠페르 쌍이라고 합니다. 쿠페르 쌍은 두 전자가 서로 역학적으로 결합되어 어떤 힘도 받지 않는 상태로 존재합니다. 이로 인해 전자들은 마치 유체처럼 움직이며, 에너지 손실 없이 자유롭게 전류를 흘려보낼 수 있습니다.

 

 

초전도체에는 어떤 종류가 있나요?

 

 

초전도체는 다양한 소재들로 구성되며, 각 소재의 특성에 따라 다양한 종류로 나눌 수 있습니다. 초전도체의 종류는 주로 사용하는 재료와 초전도 상태에 따라 구분됩니다.

 

고온 초전도체 (High-Temperature Superconductors):
고온 초전도체는 상대적으로 높은 온도에서 초전도 상태를 나타내는 물질들을 말합니다. 이러한 초전도체들은 1986년에 처음 발견되었으며, 높은 온도에서의 초전도 특성을 가지므로 액체 질소와 같은 비교적 저렴한 냉매를 사용하여 냉각할 수 있습니다. 가장 유명한 고온 초전도체는 YBCO(Yttrium Barium Copper Oxide)와 BSCCO(Bismuth Strontium Calcium Copper Oxide) 등이 있습니다.

 

저온 초전도체 (Low-Temperature Superconductors):
저온 초전도체는 상대적으로 낮은 온도에서 초전도 상태를 나타내는 물질들을 가리킵니다. 이러한 초전도체들은 더 낮은 온도에서만 초전도 상태를 유지하기 때문에 액체 헬륨과 같은 냉매를 사용하여 매우 낮은 온도로 냉각해야 합니다. 예를 들어 Nb-Ti(니오브-티타늄) 합금과 Nb3Sn(니오브-주석) 합금은 저온 초전도체의 대표적인 예입니다.

 

철 기반 초전도체 (Iron-Based Superconductors):
철 기반 초전도체는 철이 주요 구성 요소인 초전도체를 가리킵니다. 2008년 이후에 발견되었으며, 고온 초전도체와 저온 초전도체 사이에서 온도적으로 중간 정도의 초전도 특성을 나타냅니다. 이러한 초전도체들은 다양한 철 기반 화합물로 구성되며, 높은 온도에서 상대적으로 높은 초전도 전이 온도를 보여줍니다.

 

엔트로피 기반 초전도체 (Entropic Superconductors):
엔트로피 기반 초전도체는 압력을 사용하여 초전도 상태를 유발하는 물질을 말합니다. 저온에서는 비정상적인 금속 상태이지만 높은 압력을 가하면 갑자기 초전도 상태로 전이하는 특징을 가지고 있습니다.

 

 

초전도체는 어느 분야에 활용되고 있나요?

 

초전도체는 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 그 특별한 특성을 활용하여 현대 기술과 산업에 다양한 혁신을 가져왔습니다. 주요한 활용 분야들은 다음과 같은데요.

 

전력 전송과 저장:
초전도체는 전기 저항이 없으므로 전력을 손실 없이 전달할 수 있습니다. 이를 이용하여 전력 전송 효율을 높이는데 사용됩니다. 초전도 전송선은 전기 에너지를 긴 거리를 이동시키는데 적합하며, 에너지 손실을 최소화하여 더 효율적으로 전력을 공급합니다.

자기 공명 이미징(MRI):
초전도체는 강력한 자기장을 생성할 수 있으며, 이러한 특성은 자기 공명 이미징(MRI) 분야에서 중요한 역할을 합니다. MRI는 의학에서 사용되며, 의료 진단에 매우 유용한 이미지를 생성합니다.

자기 부력열차:
초전도 기술은 자기 부력을 이용하여 높은 속도로 무선으로 이동하는 부력열차를 개발하는데 사용됩니다. 이러한 기술은 미래 교통 분야에서 빠른 이동과 에너지 효율성을 제공할 수 있습니다.

물질 연구:
초전도체는 고에너지 물리학 연구 및 물질 연구에 널리 사용됩니다. 물질의 특성을 연구하고 이해하는 데에 초전도체가 많은 도움을 줍니다.

현대 응용 분야:
초전도체는 SQUID (Superconducting Quantum Interference Device)와 같은 높은 정확도의 센서, 전자 소자 및 초전도 케이블과 같은 현대 기술에도 적용됩니다.

항공우주 산업:
초전도체는 항공우주 산업에서도 중요한 역할을 합니다. 초전도 솔레노이드는 제트 엔진의 강력한 성능을 구현하는 데 사용되며, 더 경량화된 고속 비행기를 만들 수 있게 합니다.

핵자기 공명(NMR):
핵자기 공명은 화학, 생물학, 물리학 등 다양한 분야의 연구에서 사용되는 중요한 분석 기술입니다. 초전도 기술을 이용하면 높은 자기장을 쉽게 생성하여 더 정확한 분석을 할 수 있습니다.

 

 

초전도체 기술은 계속해서 발전하고 있는데
최근 상온 상압 초전도체 (LK-99)를
국내 연구진이 합성했다는 뉴스로 전 세계의 관심이 뜨겁습니다.

새로운 초전도체 소재의 발견과 기술적인 혁신을 통해
더 다양하고 확장된 응용 분야가 나타날 수 있으며
이러한 발전은 산업과 과학 분야에서
더 높은 효율성과 혁신을 이끌어내는데 기여할 것으로 기대됩니다.