초전도체 관련 내용 알아보기

오늘은 최근 뜨거운 관심을 불러 일으키고 있는 상온 초전도체 관련 내용에 대해서 알아보겠습니다.

 

 

1.초전도체 일반

  물리학과 재료과학 분야에서 중요한 역할을 하는 초전도체는 특정 온도 이하에서 전기 저항이 사라지거나 거의 없어지는 물질을 말합니다. 이러한 특성은 실리콘 등의 일반적인 반도체 물질에서는 볼 수 없는 현상으로, 초전도체는 매우 낮은 온도, 보통 액체 질소 또는 액체 헬륨 온도 이하에서 동작합니다. 이로 인해 전기 에너지를 효율적으로 전달하거나 저장하는 데에 많은 활용 가능성을 가지고 있습니다.

 

 

2.초전도체의 역사

  초전도체의 시작은 20세기 초반으로 거슬러 올라갑니다. 1911년에 네덜란드의 영국 출신 물리학자인 헤이크 카메를링 온네스가 수은의 저온 전기 저항에 대한 연구에서 초전도 효과를 처음 발견했습니다.

그러나 당시에는 이러한 현상을 충분히 이해하고 활용할 수 있는 기술적 지식과 재료가 부족하여 연구가 더 이상 진전하지 않았습니다.

1940년대와 1950년대에 들어서면서 초전도체의 이해가 발전하면서 처음으로 초전도체가 정의되고 이에 관한 많은 이론적 연구가 진행되었습니다.

1957년에는 바로 로버트 슈리퍼(Robert Schrieffer), 존 바덴(J. Robert Schrieffer), 존 바르든(John Bardeen) 세 과학자가 BCS 이론(Bard-Cooper-Schrieffer theory)을 제안하여 초전도체의 수퍼콘덕션 현상을 설명하는 데에 성공했습니다.

이 이론은 초전도체의 수퍼콘덕션을 전자들의 쌍띠 형성과 관련된 현상으로 이해하는 데에 중요한 역할을 합니다.

1961년에는 다이아몬드촉매로 표면을 갖는 알루미늄이 퓨처리스틱 이론에 의해 초전도가 되는 것이 실험적으로 처음 보고되었습니다.

이후 많은 초전도체가 발견되고, 1986년에는 IBM 연구소에서 고온 초전도체인 철-비스무트-스트론튬-칼슘-구리(Fe-Ba-Ca-Cu-O)계열의 화합물을 발견하면서 고온 초전도체 연구가 크게 활성화되었습니다. 이후 더 높은 작동 온도를 갖는 초전도체가 발견되면서 초전도체 연구는 계속 발전해 오고 있습니다.

 

 

3. 초전도체의 활용방안

  1)전력 전송 및 저장

    초전도체는 전기 전송과 저장에서 매우 유용하게 사용됩니다. 초전도체의 특성 때문에 전기 저항이 없거나 매우 낮기 때문에 전력 전송 시에 발생하는 에너지 손실을 크게 줄일 수 있습니다. 높은 전기 전도성을 활용하여 전력 손실을 최소화하고 장거리 전력 전송을 효율적으로 수행할 수 있습니다. 또한, 초전도체를 이용한 고용량의 전기 저장장치인 초전도자기 저장장치(SMES: Superconducting Magnetic Energy Storage)가 개발되어 에너지의 효율적인 저장과 빠른 방출이 가능해집니다.

   2)자기 공명 이미징 (MRI)

    초전도자기 공명이미징(MRI)은 의학 영상 분야에서 널리 사용되는 중요한 기술입니다. 초전도자기 공명 이미징 장치는 강력한 자기장과 높은 전류를 사용하여 뛰어난 이미징 성능을 제공합니다. 뇌, 심장, 관절 등 내부 구조의 높은 해상도 이미지를 얻을 수 있으며, 무해하고 비침습적인 방법으로 진단에 큰 도움을 줍니다.

   3)자기 부상열처리 (Magnetic Levitation)

    초전도체의 두 특성인 자기 부상과 제로 저항을 활용하여 자기 부상열처리 기술을 개발합니다. 이를 이용하면 자기 부상을 일으켜 기차, 자동차, 자전거 등의 운송 수단의 마찰 저항을 크게 감소시킬 수 있으며, 고속 운송 기술의 발전에 기여합니다. 파워 케이블: 초전도체는 전력 전송 라인에서 많은 장점을 가지고 있습니다. 높은 전기 전도성과 제로 저항을 활용하여 전력 손실을 최소화하고 높은 전력 밀도를 가능하게 합니다. 따라서 더 적은 굴착 작업과 지하 공간을 차지하여 전력 공급을 개선할 수 있으며, 높은 전력 요구가 있는 도시 및 산업지역에서 효과적으로 사용될 수 있습니다.

   4)고속 컴퓨팅

    초전도체를 사용한 초전도 컴퓨터는 전기 신호를 빠르게 처리하는 데에 매우 유용합니다. 초전도체의 높은 전도성과 낮은 에너지 소비로 인해 높은 처리 속도와 효율적인 컴퓨팅이 가능해집니다. 미래의 고성능 컴퓨터에 초전도체 기술을 활용하여 더 빠르고 효율적인 컴퓨팅 환경을 구축하는 연구가 진행되고 있습니다.

   5)기타

    이외에도 초전도체는 전자기기, 센서, 공간 증진기술 등 다양한 분야에서 응용 가능성을 가지고 있으며, 연구와 기술의 발전에 따라 더 다양한 분야에서의 활용이 기대됩니다.

 

 

4.향후 기술 방향성

  금번에 논라이되고 있는 상온 초전도체가 현실화 될 수 있다면 그것은 혁명적인 발견이 될 것입니다. 현재까지의 대부분의 초전도체는 매우 낮은 온도, 대개 액체 질소 또는 액체 헬륨 온도 이하에서만 동작합니다. 이로 인해 초전도체의 응용 가능성이 제한되고, 비용과 기술적인 어려움이 있습니다. 상온 초전도체의 발견은 다음과 같은 긍정적인 영향을 가질 수 있습니다.

   1)에너지 효율성 향상

    상온에서 동작하는 초전도체는 저온에서 동작하는 초전도체보다 더 낮은 에너지 소비로 전력을 전달하고 저장할 수 있습니다. 이는 전력 전송과 저장 시스템의 효율성을 크게 향상시킬 수 있으며, 에너지 손실을 줄여 친환경적인 에너지 솔루션으로 이어질 수 있습니다.

   2)혁신적인 응용 분야 개척

    상온 초전도체는 높은 온도에서도 동작할 수 있으므로 저온에서 동작하는 초전도체보다 더 다양한 분야에서 응용될 수 있습니다. 높은 온도 환경이 요구되는 고온 우주 기술, 고온 화학 산업, 항공 및 우주 산업 등에서 혁신적인 기술 개발이 가능해질 수 있습니다.

    3)기술 발전과 경제적 이익

    상온 초전도체의 발견은 연구 분야에서 새로운 기술과 이론의 발전을 격려하고 새로운 산업 분야의 창출을 도모할 수 있습니다. 이는 고용 창출과 경제적 이익을 가져올 수 있습니다.

    4)더 넓은 사용자 층에 대한 접근성 향상

    상온 초전도체의 개발은 저온 조건에서 동작하는 초전도체의 한계를 극복할 수 있으므로 초전도체 기술을 더 넓은 사용자 층에게 접근 가능하게 할 수 있습니다. 이는 초전도체 기술의 상용화를 더욱 가속화시킬 수 있습니다. 그러나 상온에서 동작하는 초전도체의 발견은 아직 큰 어려움이 따르고 있습니다. 초전도 효과의 원리를 이해하고 상온에서의 동작을 가능하게 하는 재료의 발견이 매우 어렵기 때문입니다. 현재까지는 상온 초전도체를 찾는 연구가 계속되고 있지만, 높은 온도에서도 초전도 특성을 보이는 물질의 발견은 아직 이루어지지 않았습니다. 상온 초전도체의 발견은 초전도체 기술의 새로운 시대를 열 수 있으며, 연구자들이 이를 위해 계속 노력하고 있습니다.

 

 

지금까지 최근 많은 관심을 불러 일으키고 있는 상온 초전도체 관련 내용을 알아보았습니다.