상온(고온), 저온 초전도체 뜻과 응용 분야와 앞으로 발전 방향은?

초전도체(superconductor)는 특정 조건에서 전기 저항이 완전히 사라지는 물질로, 전기 전류가 자유롭게 흐를 수 있는 현상이 초전도성(superconductivity)을 나타냅니다. 이러한 물질은 저온 상태에서 주로 나타납니다. 우리가 흔히 알고 있는 금속은 일반적으로 전기 저항이 존재하지만, 초전도체는 특별한 특성을 갖고 있어 전기 저항이 거의나 완전히 없어지는 현상이 발생합니다.

 

초전도체는 1911년 영국의 실험과학자 헤이튼(H. K. Onnes)이 수은(Hg)을 냉각 하여 처음 발견했습니다. 그 이후에도 다양한 초전도체가 발견되었고, 1986년 에는 고온 초전도체가 발견되면서 초전도 연구는 크게 발전하였습니다. 초전도체는 일반적으로 특정 임계 온도 이하에서 초전도 상태에 진입합니다.

 

 

이 임계 온도를 "전이 온도" 또는 "임계 온도(Tc)"라고 합니다. 저온 초전도체는 일반적으로 액체 헬륨의 온도인 -269º C(4K) 이하에서 동작하며, 고온 초전도체는 저온 초전도체보다 상대적으로 더 높은 온도에서 초전도성을 나타냅니다. 고온 초전도체의 전이 온도는 액체 질소의 온도인 -196º C(77K) 이상에서도 발견됩니다. 초전도체의 주요 특성 중 하나는 저항이 사라진다는 점입니다.

 

전기 저항이 없으므로 전기 흐름에 에너지 손실이 거의 없습니다. 이는 초전도체가 매우 효율적인 전기 전달 재료로 사용될 수 있음을 의미 합니다. 이러한 특성은 초전도체의 응용 분야를 다양하게 확장시켰습니다. 초전도체의 응용 분야 중 하나는 전력 전송입니다. 초전도체 케이블을 사용하면 전력을 더 큰 거리로 전송 할 수 있습니다.

 

일반적인 전력 전송 시스템에서는 전기 저항이 발생하여 전기 손실이 발생하지만, 초전도체를 사용하면 에너지 손실 없이 전력을 전송할 수 있습니다. 이것은 전력 공급 효율성을 높이고, 비용을 절감하며 친환경적인 전력 전송을 실현하는 데 도움이 됩니다.

 

또한, 초전도체는 자기장을 생성하는 능력이 뛰어나기 때문에 자기 공학 분야에 서도 폭넓게 응용됩니다. 초전도자선 치료장치나 자기 공진현상을 이용한 자기 고체 공진장치 등의 응용이 있습니다. 높은 자기장을 생성할 수 있는 초전도체를 사용하면 자기 공학 시스템의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 

 

초전도자선 치료장치나 자기 공진현상을 이용한 자기 고체 공진장치 등의 응용이 있습니다. 높은 자기장을 생성할 수 있는 초전도체를 사용하면 자기 공학 시스템의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 높은 자기장을 생성할 수 있는 초전도자기장을 이용한 자성 분리채석(Magnetic Levitation) 역시 초전도체의 활용 분야 중 하나입니다.

 

초전도체에 전류를 흘려보내면 초전도체 내부에 자기장이 생기게 되고, 이 자기장과 외부 자기장 사이에 발생하는 반발력에 의해 초전도체가 떠오르게 됩니다. 이를 이용하여 기차 등의 교통수단이 자선으로부터 떠오를 수 있으며 이를 활용한 고속 철도(Superconducting Maglev Train)가 일부 지역에서 상용화되고 있습니다. 초전도체는 핵 자성 공명 이미징(Nuclear Magnetic Resonance Imaging, MRI) 장치에서 중요한 역할을 합니다.

 

MRI는 의학 영상을 흭득하기 위해 사용되는 기술인데, 초전도체의 자기 공명 특성을 이용하여 세밀하고 정확한 이미지를 얻을 수 있습니다. 초전도자선 감지기(Superconducting Quantum Interference Device, SQUID)는 매우 작은 자기장을 감지할 수 있는데, 이를 이용하여 뇌 활동이나 지하 자기장 등의 측정에 사용됩니다.

 

요약하자면, 초전도체는 특정 조건에서 전기 저항이 사라지는 현상을 나타내는 물질로, 저온 상태에서 주로 발견됩니다. 초전도체는 전력 전송, 자기 공학, 자선 치료장치, 고속 철도, 의료 영상 등 다양한 분야에서 응용됩니다. 초전도체의 발견은 효율적이고 지속 가능한 기술의 발전에 기여하였으며, 연구와 기술의 발전으로 더 다양한 초전도체 응용 분야가 개척될 것으로 기대됩니다.

 

초전도체의 역사와 발견 과정

초전도체의 역사와 발견 과정은 과학과 기술의 진보에 따라 단계적으로 뤄졌습니다. 다음은 초전도체의 주요 발견과정과 역사적 입니다.

 

1. 헤이튼의 수은 초전도체(1911년)

• 1911년, 헤이튼은 수은을 매우 낮은 온도로 냉각하여 전기 저항이 사라지는 현상을 발견했습니다.
• 헤이튼의 실험에서 수은이 -269º C(4K) 이하의 온도로 냉각되었을 때 그 전기저항이 완전히 없어지는 것을 확인했습니다.
• 이것은 초전도성의 처음인 저온 초전도체의 발견이었습니다.

2. 초전도체의 상용화와 금속초전도체(1950년대 - 1960년대)

• 1950년대부터 1960년대에는 다양한 금속 초전도체가 발견되었습니다.
• NBTi 및 Nb3Sn과 같은 합금은 상업적으로 사용되었으며, 상당한 비용 효율성과 높은 임계 온도를 제공했습니다.
• 이러한 초전도체를 사용하여 초전도 자선(Cyclotron) 및 초전도 전기기(Coils)를 개발하여 자기장 생성과 가속기 기술에서의 응용에 큰 영향을 미쳤습니다.

3. BCS 이론과 잠재적인 응용 분야 발견(1950년대)

• 바리 데인(Bardeen), 존 쿠퍼(John Cooper), 로버트 쉬리퍼(Robert - Schrieffer)는 1957년에 잠재적인 철강 도체의 초전도성 현상에 대한 이론인 BCS 이론을 개발했습니다.
• BCS 이론은 전자-전자 상호작용을 설명하며, 이를 통해 초전도체의 동작 원리에 대한 이해를 가능하게 했습니다.
• BCS 이론은 초전도체 연구와 발전에 큰 영향을 미쳤으며, 이를 통해 높은 온도 초전도체의 개발에 대한 동기부여가 이루어졌습니다.

4. 고온 초전도체의 발견(1986년)

• 1986년에는 스위스의 K.A. 뭘러(K. Alex Muller)와 J.G. 베드너(John Georg Bednorz)가 일산화구리(La2-xSrxCu04) 같은 산화물의 고온 초전도체를 발견했습니다.
• 이러한 발견은 이전에 알려진 초전도체들보다 훨씬 높은 온도의 액체 질소의 온도(-196º C 또는 77K)에서도 초전도 현상이 일어남을 나타냅니다.
• 이 발견은 고온 전도체의 역사적인 이정표로 인정받았으며, 고온 초전도체의 연구와 개발을 촉진시켰습니다.

5. 높은 온도 초전도체의 연구와 개발

 

• 1986년의 고온 초전도체 발견 이후, 전 세계적으로 초전도체 연구가 활발하게 진행되었습니다.
• 다양한 물질이 고온 초전도체로 발견되었고, 초전도체의 재료 및 구조에 대한 이해가 늘어났습니다.
• 초전도체 재료의 설계 및 합성 기술의 개선으로 인해 임계 온도가 점차 증가하였고, 그 결과로 실용적인 고온 초전도체가 개발될 수 있게 되었습니다.

초전도체의 발견과 연구는 과학과 기술의 진보에 의해 점진적으로 이루어져 왔습니다. 이러한 발견과 연구는 초전도체의 응용 분야를 개척하고 현대의 초전도 기술과 응용에 중요한 영향을 미쳤습니다.

 

초전도체의 응용 분야

 

1. 자기공명영상(MRI)
초전도체의 속성 중 하나는 강력한 자기장을 생성할 수 있다는 것입니다. 이 성질은 MRI(Magnetic Resonance lmaging) 검사에서 이미지 생성에 이용됩니다. 초전도체는 강한 자기장을 생성하기 때문에, MRI 방사선을 발생시키는 자연스러운 방법입니다.

 

2. 대전도성 전송선
초전도체의 응용 분 중 하나는 대전도성 전송선입니다. 전기의 손실을 최고화 하고 전기를 보다 효율적으로 전달하는 데 사용됩니다. 대전도성 전송선은 전력 회사에서 발전소에서 전기를 소비자에게 전달하는 데 사용됩니다.

 

3. 자기 부상 추진
초전도체는 자기장을 생성할 수 있기 때문에, 이 성질은 자기 부상 추진(Magnetic Levitation Propulsion)에 이용됩니다. 자기 부상 추진은 진공 튜브에서 레일을 따라 이동하는 차량 시스템입니다.

 

4. 버클랜드 슬리퍼(Buckminsterfullerene)
미국의 화학자인 버클랜드 슬리퍼는 고체 분자 구조물로서, 초전도성을 나타낼 수 있으며, 신소재로 분류됩니다. 버클랜드 슬리퍼는 의학 분야에서 바이러스를 대체하는 새로운 치료제나 발광다이오드(LED) 제조 등의 신기술에 사용될 수 있습니다.

 

초전도체는 기존의 난방 및 전력 전달 기술을 대체하는 새로운 기술로 부상하고 있으며, 더 많은 분야에 보급될 것으로 예상됩니다.

 

초전도체 연구 분야에서 앞으로의 발전 방향은 어떻게 될까요?

 

초전도체 연구 분야에서 앞으로의 발전 방향은 다양합니다. 몇 가지 예를 들자면 다음과 같습니다.

 

1. 높은 온도 초전도체

초전도체의 가장 큰 제한 요인 중 하나는 매우 낮은 온도에서만 동작한다는 것입니다. 따라서, 더 높은 온도에서 동작하는 초전도체를 개발하는 것이 매우 중요 합니다. 현재까지 상용화되어 있는 초전도체는 수소나 헬륨 등의 매우 낮은 온도에서만 사용할 수 있습니다. 새로운 높은 온도 초전도체는 더욱 저렴하고 널리 사용될 수 있는 초전도체 산업의 발전을 이끌 것입니다.

 

2. 초전도체 기반의 컴퓨팅

초전도체 기술은 높은 처리 속도, 낮은 전력 소비, 그리고 낮은 열 생성으로 인해, 미래의 컴퓨터 시스템에서 중요한 역할을 할 것입니다. 초전도체를 이용하여, 수백만 개의 초소형 전자 장치를 담을 수 있는 컴퓨터 프로세서를 만들 수 있습니다. 이것은 컴퓨터의 크기와 성능을 향상시키고, 업계를 혁신시킬 것입니다.

 

3.초전도체를 이용한 신속한 전력 저장 솔루션

초전도체는 전력 효율성과 유지 보수 용이성 때문에 대량에 전력 저장 시스템에 이상적입니다. 초전도체를 이용하여 더 작고 가벼운 전력 저장 장치를 개발할 수 있으며, 이는 전자 기기를 장시간 사용할 수 있게 합니다. 또한, 대향 규모의 전력 저장을 위한 초전도체 기반의 시스템은 전기 차량, 태양광 발전소, 풍력 발전소 등에 중요한 역할을 할 것입니다.

 

4. 새로운 초전도체 소재 및 특성 연구

새로운 초전도체 소재 및 특성의 발견은 초전도체 기술을 발전시킬 수 있는 열쇠입니다. 이러한 연구는 매우 다양한 방법을 통해 이루어질 수 있습니다. 머신 러닝 및 인공지능 기술을 이용하여 새로운 초전도체 소재의 가능성을 예측하거나, 시뮬레이션에 기반한 연구를 통해 이론적인 초전도체 소재를 실제로 합성해내는 연구 등이 있습니다.

이러한 발전 방향은 초전도체 기술을 다양한 산업 분야에 적용하는 것뿐만 아니라, 이를 이용한 새로운 신기술 및 산업을 창출하는 것을 목표로 하고 있습니다.