초전도체의 원리와 활용 : MRI · 핵융합 · 자기 부상 열차까지

 

물리적인 성질을 변형하거나 기존의 특성을 이용한 여러가지 신소재들이 있습니다.

소재분야에서 꽤 오랫동안 이슈 중 하나로 초전도체는 꽤 유명한 물질입니다.

왜 이렇게 오랜 시간동안 연구되고 관심을 받는지 오늘은 초전도체에 대해서 알아봅시다.

 

 

1. 초전도체란

 

• 초전도 현상 : 특정 온도 이하에서 전기저항이 0이 되는 현상
• 초전도체 : 초전도 현상이 일어나는 성질을 가지는 물질을 초전도체라고 합니다.
• 임계온도 : 물리적인 현상이 일어나는 지점을 임계라고 하고 이 경우에는 초전도 현상이 일어나는 온도입니다.

※ 초전도체는 임계 온도, 임계 전류, 임계 자기장 조건을 만족할 때에만 저항이 0이 됩니다.

 

수은(Hg) 역시 초전도 현상이 일어나는데 4.2 K( - 268.95 ℃)까지 낮추면 된다고 합니다.

초전도 현상이 일어날 때 외부에서 자기장을 가하면 초전도체 내부로 자기장이 침투하지 않도록 표면 전류가 형성됩니다.

이 효과가 마이스너 효과(Meissner Effect)로 초전도체 위에 자석을 두면 떠오르게 됩니다.

(자기장이 특정위치에 고정된 플럭스 핀닝(flux pinning) 상태로 안정적으로 부상합니다.)

이것이 우리가 흔히 초전도체 하면 알고 있는 그림을 만듭니다.

 

 

그림 : 마이스너 효과

 

 

 

2. 초전도체의 이용

 

도체에 전기를 흘리면 자기장을 발생시킬 수 있습니다.

도체라고 해도 어느정도 저항이 있기 때문에 강한 자기장을 만드려면 열이 발생합니다.

초전도체는 전기 저항으로 인한 손실은 거의 없지만, 냉각과 교류 조건에서는 추가적인 손실이 발생할 수 있습니다.

전기를 많이 흘리는 것은 어느정도 가능하지만 이 열은 해결하기 어려운 문제입니다.

 

 

① MRI(자기공명영상)

 

자기공명영상을 형성하려면 고강도 자기장이 필요합니다.

(보통 1.5 ~ 3.0 T, 때로는 7.0 T 이상)

일반적인 자석으로는 달성하기가 힘들고 전자석을 활용해도 전기효율이 낮습니다.

초전도체는 전기 효율도 높고 저항으로 발생하는 열도 작아 안정적입니다.

주로 NbTi(니오브 티타늄), Nb3Sn(니오브 주석)을 사용합니다.

액체 헬륨으로 약 4 K 수준까지 냉각되어 초전도 상태를 유지하고 전류를 흘립니다.

 

그림 : 자기공명현상

 

 

 

② 핵융합발전

 

핵융합 발전에서는 고온의 가스인 플라즈마를 형성하고 제어해야 합니다.

이때 강력한 자기장을 만들어 플라즈마가 흩어지지 않도록 합니다.

토카막 구조의 대형 초전도 코일을 사용하여 플라즈마를 자기적으로 가둡니다.

초전도체는 효율적으로 고성능 자기장을 형성하여 에너지 효율과 지속성을 향상시킵니다.

핵융합 발전 분야에서는 이 초전도체를 더 효율적으로 사용하기 위해 코일을 사용합니다.

대형 초전도 자석을 만들어 발전 능력을 키우려고 연구가 활발합니다.

 

그림 : 핵융합 발전

 

 

③ 마그레브 열차(Maglev, 자기 부상)

 

열차를 부상시킨 상태에서 이동시킨다면 마찰로 인한 저항을 제거할 수 있습니다.

초전도 자석을 열차에 장착하고, 궤도에 설치된 유도 코일과 상호작용합니다.

자기부상 열차는 초전도 자석과 유도 전류의 상호작용을 이용하며, 마이스너 효과는 부상 안정성에 일부 기여합니다.

이런 효과로 아주 큰 질량의 열차를 600 ㎞/h 이상으로 움직입니다.

 

그림 : 자기부상 열차

 

 

④ 전력전달 - 초전도 전선

 

기존의 구리선로는 저항으로 인해 멀리 송전을 하다보면 손실이 발생합니다.

초전도체를 사용한 초전도 전선은 이런 손실을 줄여 버릴 수 있습니다.

상용화는 매우 어렵지만 일부 정밀 연구 기계에 적용을 할 수도 있습니다.

 

그림 : 초전도 도선의 구조

 

 

⑤ 양자 컴퓨터

 

양자 컴퓨터는 처리속도가 아주 빠르기 때문에 노이즈에 취약해 질 수 있습니다.

초전도체는 양자 비트를 구현하는 저항이 거의 없는 회로를 구성할 수 있습니다.

양자 컴퓨터 중 일부는 초전도 기반으로 만들어집니다.

앞으로 양자컴퓨터의 시대에는 초전도체의 사용가능여부가 매우 중요한 관점이 될 것입니다.

 

그림 : 양자컴퓨터

 

개인적인 의견입니다만 고용량 통신등 노이즈에 영향을 받는 분야가 많습니다.

당장은 연구하지 않아도 상용가능한 초전도체가 개발되면 많은 분야에서 가져다 연구를 시작할 것으로 예상합니다.

신소재 분야는 특정 목적에서 개발되었다 할지라도 예상치 못한 또 다른 곳에서 사용되는 일이 많습니다.

 

 

 

3. 고온 초전도체

 

이렇게 매력적인 응용분야가 잔뜩 있는 초전도체지만 극 저온에서만 구현되는 문제가 있습니다.

고온 초전도체를 개발하는 다양한 프로젝트가 활발하게 진행되고 있습니다.

고온이라고는 하지만 보통 액체 질소 온도(77K, 약 -196°C) 온도까지를 이야기 합니다.

이 정도만 되어도 비용이 낮아져 적용가능 분야가 매우 넓어질 것으로 예상합니다.

 

 

① 고압조건에서 초전도성

250 GPa(대기압의 약 250만 배)의 고압에서 LaSc₂H₂₄(란타넘-스칸듐 수소화물)으로 상온 초전도성이 보고되었습니다.

마이스너 효과가 확인 이 되었으나 이 고압 역시 만들기 어려운 환경임으로 상용화는 어렵습니다.

그러나 초전도 현상을 이해하여 기술 개발 잠재력을 높였다고 합니다.

 

 

② 각종 초전도체

 

쿠프레이트(cuprate) 계열의 물질이 지금까지 가장 높은 온도에서 초전도성이 확인 되었습니다.

Hg-1223이라고 불리는 물질로 약 134 K (-139 ℃)에서 초전도성이 나왔습니다..

YBa₂Cu₃O₇ (YBCO)는 92 K (-181°C)에서 액체 질소 냉각으로 사용할 수 있습니다.

니켈레이트(nickelates)라는 물질은 불완전한 초전도성이 40 ~ 44 K(- 229 ~ 233 ℃)에서 나타났습니다.

높은 온도는 아니고, 또 초전도성 역시 불안정했지만 제조적으로 안정적인 물질으로 구현되었습니다.

 

 

그림 : 초전도체 원리와 활용