초전도체 활용, 할 수 있는 것들

현재는(23년도) 극저온 상태에서 물질의 저항이 "제로(0)"가 되는 것을 '초전도 현상'이라고 합니다. 극저온에서는 말랑한 물체를 딱딱하게 될 때까지 냉동하는 것으로 -270도 이하의 상태입니다. 초전도체 활용은 네덜란드 과학자 '카멜린 오네스'가 1911년에 초전도 현상을 발견하면서 시작됩니다.

초전도체를 활용하여 우리가 할 수 있는 것들을 총 정리하고 상온 초전도체가 갖는 의미를 정리하였습니다.

 

 

초전도체 Superconductor

초전도체는 저항이 0인 물체입니다. 초전도 현상을 발견한 최초 물질은 수은입니다. -270도에서 저항을 측정하였더니 저항이 0이 되었습니다. 또 초전도체가 되면 자기장이 형성이 되고 물체로 들어오는 자기장을 밀쳐내게 되어 초전도 현상이 발생합니다. 이를 마이스너 효과라고 합니다. 초전도 현상이 발생한 물체는 영구자석 위에서 공중에 뜨게 됩니다.

이처럼 전기저항이 사라지고 자기장이 형성되어 밀쳐 내는 것으로 공중에 뜨게 되는 현상이 초전도체 활용의 핵심입니다. 즉 전기 저항이 제로가 된다는 점과 자기장 형성으로 뜨게 된다는 것이 초전도에서 우리가 할 수 있는 것들의 기본적이고 핵심이 되는 성질입니다.

초전도체 활용을 이해하기 위해서는 마이스너 효과를 이해할 필요가 있는데 외부 자기장이 초전도체 내부를 침투하지 못하는 현상을 말합니다. 초전류가 생성되어 외부 자기장을 밀어내고 양자고정현상이 발생하여 자석 위에서 공중으로 떠오르게 됩니다.

아직은 초전도체는 극저온에서 발생하며 영하 270도의 극저온을 유지하기 위해서는 액화헬륨 또는 저온 냉각이 필요합니다. 따라서 많은 비용과 에너지가 소비됩니다. 현재 과학계에서는 영하 135도에서 초전도현상을 발견하고 이를 고온 초전도체라고 부릅니다. 그렇기에 상온 초전도체가 가능하다면 엄청난 발전이 되는 것입니다.

 

초전도체 활용. 초전도 케이블 

초전도체 활용이 활발하게 연구되는 분야. 구리전선 대체물질로 연구되고 있음.

구리심+초전도체가 여러겹 구리심을 감쌈. 이러한 전선을 3가닥 구성하고 외부에 액체질소와 진공주름관을 두어 극저온을 만들게 됩니다. 이를 통해 초전도 케이블이 형성됩니다. 초전도선은 전기 저항이 없어지게 됩니다.

단 초전도선은 영하 190도 이하로 유지해야 합니다. 현재의 초전도체는 냉각장치가 매우 중요하게 됩니다.

전류를 흘러 보내면 구리선은 발열이 생기게 됩니다. 발열이 있다는 것은 전력 손실이 발생했다는 뜻이며 전류가 흐름에 있어 저항이 생긴다는 것입니다. 처전도 케이블은 저항이 없어 손실 없이 100% 전류가 전달되게 됩니다. 즉, 저항이 없어 전력 손실이 없고, 같은 단면적(같은 굵기의 전선)에 많은 전력을 보낼 수 있어 경제적입니다. 이로써 전기요금이 싸지는 효과가 발생합니다. 송전 효율이 100%가 됩니다.

 

초전도체 활용. MRI 자기공명영상장치

MRI는 인체를 구성하는 물질의 자기적 성질을 측정하여 인체의 내부(뇌, 장기 등)를 촬영하는 방법입니다. MRI의 좋은 영상을 위해서는 자장의 세기가 켜야 합니다. MRI는 자기를 발생시켜 인체의 조직에서 나온 자성을 측정하여 관찰하는 것이기 때문입니다. 즉 강력한 자석이 필요하기 때문에 초전도체를 이용하여 강한 자기장을 만들어 활용하는 것입니다.

초전도체를 활용한 자기석으로 영하 269도의 환경에서 구현됩니다. 따라서 자석이나 금속 물질을 착용하면 안 됩니다. 초전도체를 활용하여 우리는 눈이나 다른 장비로 촬영이나 관찰이 불가능한 곳을 알 수 있게 됩니다.

 

초전도체 활용. 뇌자도 장치와 심자도 장치

뇌자도 장치는 뇌 신경 회로에 미세하게 흐르는 전류에 의해 발생하는 자기장 신호를 측정하여 기능성 뇌질환을 측정하는 장치로 정확한 진단이 가능합니다. 뇌 활동에 따른 신호를 측정하므로 간질의 발생 부위의 정확한 진단, 뇌기능 분포 조사,  수술전후의 뇌기능 분포가 가능합니다.

심자도 장치는 심장질환을 관찰하는 장치로 스퀴드 센서를 통해 심장의 자기장 변화를 감지는 정밀한 장비입니다. 보고자 하는 심장의 자기장과 전류의 분포를 관찰하여 허혈 등의 심장 질환을 진단할 수 있습니다. 태아의 뇌나 심장의 신호도 측정할 수 있습니다. 스퀴드 센서는 초전도 상태에서만 작동을 하게 됩니다. 스퀴드는 초전도 양자간섭소자라고 하며 감도가 매우 좋은 자기센서 입니다. 높은 감도의 센서로 멀리 또는 깊숙이 있는 미약한 신호를 감지할 수 있습니다.

이를 이용하여 멀리 있는 잠수함이나 지하광맥의 검출도 응용 가능합니다.

 

초전도체 활용. 새로운 에너지 핵융합

태양에너지의 비밀은 핵융합 반응이며 이때 고온의 플라즈마가 필요합니다. 핵융합은 수소원자 두 개가 결합하여 헬륨이 만들어지며 에너지를 방출합니다. 수소는 주로 중수소를 이용할 수 있는데 지구의 바닷물에는 무수하게 존재합니다. 핵융합이 가능하면 무한 에너지를 갖게 되는 것입니다.

초전도 기술을 활용하여 핵융이 가능하게 됩니다. 강력한 자석으로 자기장을 만들어서 고온의 플라즈마를 담을 수 있다고 합니다. 핵융합을 위해서는 1억 도 이상의 초고온 플라즈마를 높은 자기장으로 가둬 둘 수 있어야 합니다. 이때 초전도 자석이 이용되게 되는데 초전도 자석은 초전도체를 사용한 전자석으로 극저온에서 운전됩니다.  초전도 자석은 저항이 제로이므로 오랜 시간 동안 핵융합 반응을 일으킬 수 있습니다. 우리나라는 KSTAR라는 연구장비로 핵융합 개발을 추진하고 있습니다.

 

초전도체 활용. 자기 부상열차

초전도체의 마이스너 효과를 이용하여 공중에 부양되어 미끄러지듯 움직이는 자기 부상이 가능합니다. 따라서 하이퍼루프와 같은 빠른 이동수단을 갖게 될 수 있습니다.

 

초전도체 활용, 할 수 있는 것들 (출처: pexcel)

 

상온 초전도체 발명의 의미

초전도체를 상온에서 구현이 가능하다며 앞서 말한 모든 기술이 비용이 거의 들지 않는 방식으로 구현이 가능하게 됩니다.

따라서 무한한 에너지, 전류 이용 효율의 극대화, 저비용의 의료장비, 에너지가 소비되지 않는 이동 수단 등 활용이 무한합니다. 또한 화석연료 사용에 의한 지구온난화, 환경문제, 원자로 등의 문제를 해결할 수 있게 됩니다.

현재 상온 초전도체를 발명했다고 주장하는 '퀀텀연구소'의 LK99 물질은 황산화납(Pb)과 인산구리(Cu)를 1:1로 섞어서 925도로 5시간에서 20시간 구우면 된다고 주장하고 있습니다. 아직은 초전도체로 인정받지 못하고 있으며 많은 국가에서 이론적, 실험적으로 검증하고 있습니다. 개발이 되었다고 해도 상기의 기술로 발전하기 위해서는 아직 많은 개발이 필요하다고 합니다. 하지만 앞으로 가능한 일이며 우리나라의 과학계에서 시작하였다는 것에 큰 의미가 크며 이를 검증하고 개발하는 과정에서  과학적 진전을 이루기를 기대해 볼 수 있습니다. 

 

초전도체 활용을 통해 우리가 할 수 있는 일이 무한이 많으며 효율향상과 가능성이 열리게 됩니다. 상온 초전도체를 우리나라에서 구현하는 그날을 꿈꿔봅니다.