초전도체로 우리가 할 수 있는 것들. 상온 초전도체 활용

국내 연구진이 개발했다는 상온의 초전도체 관련 논문으로 관심이 뜨겁습니다. 상온의 초전도체의 개발이 그렇게 대단한 것인지, 개발되면 우리가 할 수 있는 것들은 무엇이고 어디에 활용되는지 알아보았습니다.

상온 초전도체로 우리 생활은 어떻게 달라지는 걸까요.

 

 

초전도체의 특징

초전도체는 super condcutor라고 하며, 일정한 온도 이하에서 전기 전류가 무저항으로 흐르게 되면 이는 전기 저항이 완전히 사라졌다는 것으로 일반적인 물질이 갖는 저항이라는 것이 없는 특수 물질을 말합니다. 현재는 일정한 온도조건에서만 구현되는 물질로 알려져 초전도 상태가 되는 물질을 초전도체라고 할 수 있습니다.

• 초전도체의 가장 큰 특징은 전류가 흐를 때 저항이 없어 전류가 100% 손실없이 흐르게 되어 에너지 손실이 없는 초전도 상태가 된다는 것입니다. 이로써 초전도체는 전류가 흐를 때 전기 저항이 없고 전기 전류가 지속적으로 흐를 수 있습니다.
• 두번째의 특징은 초전도체를 통과하는 전류는 자기장을 발생시키는데 이를 자기 유발 전류라고 하며 이로 인해 초전도체 주변에는 강력한 자기장이 형성됩니다. 이러한 자기 특성으로 인해 자기 부력으로 저항 없이 물체를 공중에 띄우게 되고 힘을 가하면 저항 없는 표면을 빠르게 이동하게 되는 자기 부상 고속 철도(하이퍼 루프)와 같은 기술이 가능하게 됩니다. 

1911년에 영국의 물리학자 헤이즈와 탈부티에르가 초전도를 발견하고 이후 많은 초전도체 물질들(이리듐, 나이오븀, 타이타늄, 납, 수은 등)이 발견되어 왔습니다. 주로 저온 상태 또는 초고압에서 초전도 상태가 된다고 하며 저온을 유지하기 위해 액체 헬륨이나 액체 질소를 냉매로 활용하여 일정 온도 이하로 낮추어야 한다고 합니다. 일정 온도 이상에서는 일반적인 물질과 같이 초전도 상태가 없이 저항을 갖는 상태로 복귀되므로 활용에 한계가 있어 왔습니다. 극 저온을 유지하거나 극 고압을 유지하는 것은 어려운 일이며 냉각 시스템이나 고압 시스템은 에너지 즉 돈이 많이 들어 활용에 한계가 있는 것입니다.

 

뉴스에 나온 것과 같이 우리나라가 상온에서 작동하는 초전도체를 개발했다면 이는 세계 최초이며 과학계의 꿈이 이루어지는 것이라고 합니다.

 

초전도체로 우리가 할 수 있는 일 - 초전도체 활용

• 전기의 전송 - 초전도체에 전기가 흐를 때 저항이 없는 상태로 전력 전송 시에 전력의 손실이 없고 송출의 효율성이 높아집니다. 초전도체를 이용한 전기 케이블은 더 많은 전력을 손실없이 운송할 수 있기 때문에 전력망의 용량을 향상시키고 전기의 안정적인 공급이 가능하게 됩니다.
• 자기 저장 장치 - 저항이 없으므로 에너지 저장 장치(ESS)에도 활용될 수 있습니다. 초전도체는 높은 밀도로 에너지를 저장이 가능하여 큰 용량의 자기 저장 장치의 개발이 가능하게 됩니다. 태양광으로부터 얻어진 재생에너지인 전기를 초전도체를 활용한 저장장치에 저장하고 초전도체 케이블로 손실 없이 전송하면 전기를 효과적으로 이용 가능하며 안전성도 커지게 됩니다.
• 의료 이미징 - 병원에서 몸속의 질병을 파악하기 위해 단층촬영을 하게 됩니다. 보통 MRI라고 불리우는 의료용 이미징 및 촬영 기계입니다. 초전도체 코일은 강력한 자기장을 생성할 수 있어 눈으로 볼 수 없는 곳을 높은 해상도의 이미지로 구현할 수 있습니다. 의료에 이용하면 현재보다 자세하고 정밀한 신체 내부(뇌, 뼈, 장기 등)의 사진을 찍을 수 있고 의료 진단도 더욱 정확해질 수 있습니다.
• 자기 부상 고속 철도 - 초전도체의 자기 부력으로 레일 접속 없이 부상하여 빠르게 이동이 가능한 열차에 활용할 수 있습니다. 영화에서 보듯이 터널과 같은 공간에 자기 부력으로 저항 없이 고속으로 이동하는 열차를 개발할 수 있는 것입니다. 적은 에너지로 빠른 속도와 흔들림 없는 이동이 가능하게 됩니다. 이를 더욱 활용하면 자기 부상 자동차 등을 개발할 수 있을 것입니다. 
• 추가적인 과학 및 기술 개발 - 초전도체를 과학 및 기술 개발 분야의 다양한 실험기기 및 관측기기의 개발 및 활용이 가능합니다. 초전도체를 활용한 공명 분광기, 중성자 감쇄 실험, 초전도 양지 비트와 같은 컴퓨팅 기술에 활용이 됩니다.

 

아카이브에 발표된 국내 연구진의 상온 초전도체 논문 내용

인산구리를 925도의 고온에서 10시간 구워 얻은 물질을 산화납, 황산화납과 혼합하여 725도의 고온에서 24시간 반응시킨 결과 납을 이용하여 아파타이트라는 구조를 만들고 이 아파타이트 구조는 납 원자 10개로 만들어지면 대칭 구조를 갖게 되는데 일부 원자가 구리로 바뀌면서 부피 수축이 일어나고 이 결과로 인해 초전도 현상이 발생하는 것입니다. 아직은 주장이므로 과학계와 학계에서 실제 검증이 이루어져야 한다고 합니다.

 

앞으로 상온에서 구현이 가능한 초전도체 개발로 우리 생활이 더욱 편리해지고 지금까지 못했던 경험(빠른 이동, 눈으로 볼수 없는 공간의 이미지화, 양자 컴퓨팅 등)을 할 수 있기를 바라봅니다. 또한 우리 과학 기술이 세계적인 기술로 거듭나기를 기원합니다.