초전도체의 원리(저온, 고온 초전도체)

인류 역사 속에서 발견된 물질 중 가장 흥미로운 것 중 하나로 꼽히는 초전도체는 상온 초전도체의 개발이 진행되며 그 가능성이 더욱 커지고 있습니다. 이번 포스팅에서는 먼저 초전도체의 기본 개념과 발견 과정을 설명하겠습니다. 그 다음에는 초전도체의 종류와 그 적용분야와 기술의 혁신에 대해 알아보겠습니다.

 

초전도체란?

모든 물질은 전기를 통하게 했을 때 저항을 가지고 있습니다. 저항이란 전기의 흐름을 방해하는 요소입니다. 방해하면서 손실되는 에너지는 다른 형태로 나타납니다. 예를들어 전구는 밝은 빛, 다리미는 뜨거운 열로 에너지가 전환됩니다. 

 

 

초전도체는 일정 온도 이하에서 저항이 0인 물질을 의미합니다. 단어를 출어보면 '초'(뛰어넘을 초) + '전도체'(전기를 통과시키는 물체)입니다. 

 

 

 

 

초전도체의 기본 개념 및 발견

초전도체는 1911년 네덜란드의 물리학자 헤이케 카메링 옹네스에 의해 처음 발견되었습니다. 그는 수은(금속)을 극저온으로 냉각시켰을 때 전기저항이 사라지는 현상, 즉 초전도 현상을 관찰한 것이었습니다. 초전도체가 아주 낮은 온도가 되면, 전자들이 짝을 이루어 코퍼 페어(Cooper pair)라는 것을 형성합니다. 코퍼 페어가 만들어지면 전자들이 다른 전자와 부딪치지 않고 움직일 수 있기 때문에 전기 저항이 0이 되는 것입니다.

 

 

초전도체의 종류

초전도체는 크게 '고온초전도체'와 '저온초전도체'로 나뉩니다.

 

고온 초전도체

1986년에 발견된 고온 초전도체는 주로 세라믹 물질들로 구성되어 있으며, 기존 저온 초전도체들보다 상대적으로 더 높은 온도에서도 초전도 상태를 유지할 수 있습니다. 여기서 고온이라고 하면 우리 인간이 느끼는 뜨거운 고온으로 생각하는 사람들이 있는데 큰 착각입니다. 무려 77K (-196℃, 액체 질소의 끓는점) 이상에서 관찰되는 초전도체를 고온 초전도체라고 합니다.

 구성 성분으로는 이트륨-바륨-구리-산소(YBCO) 화합물이 고온 초전도체로 널리 연구되고 있습니다. 고온 초전도체의 구체적인 원리는 아직 완전히 밝혀진 것은 아니지만, 전자 상관과 에너지 밴드 구조에 기반한 페로프스카이트 구조의 반도체와 관련된 것으로 알려져 있습니다. 고온 초전도체는 전력 저장, 교통(자기 부상 열차), 의료(MRI 기기) 등 다양한 분야에 응용될 수 있으며, 상온 초전도체 개발에 대한 희망을 주고 있습니다.

 

저온 초전도체 

저온 초전도체는 주로 금속 물질로 이루어져 있으며, 매우 낮은 온도에서만 초전도 상태를 나타냅니다. 이들 저온 초전도체의 바탕이 되는 원리는 BCS 이론입니다. BCS 이론에 따르면, 전자들이 양자역학적 효과로 인해 코퍼 페어라는 전자쌍을 형성해 전기 저항이 0이 되는 현상이 발생합니다. 저온 초전도체의 특성은 일반적으로 켈빈 온도 기준 30K 이하 (-243℃)에서 관찰됩니다. 저온 초전도체는 초전도선, 자기 질량 분석기, 초저온 물리학 연구 등의 분야에서 활용되고 있습니다. 그러나 저온 초전도체로 작동되는 시스템은 외부 온도에 민감하기 때문에 냉각 장치가 요구되어 운영 비용이 상당합니다.

 

 

 

요약하자면, 저온 초전도체는 낮은 온도에서 작동하는 금속 물질로 BCS 이론에 따라 전기 저항이 0이 되는 현상이 발생합니다. 고온 초전도체는 상대적으로 높은 온도에서도 작동하는 세라믹 물질로 진행 중인 연구를 통해 각종 응용 기술 분야에서 활용될 가능성이 커지고 있습니다.

 

 

 

 

 

초전도체의 적용분야

초전도체는 그 특징상 본격적인 상용화가 이뤄진다면 다양한 분야에서 혁신을 가져올 것으로 예상됩니다. 대표적인 분야로는 전력선, 가속기, 자기부상열차 등이 있습니다. 특히 자기 부상열차에서는 초전도체를 이용해 거의 마찰력 없는 주행이 가능하며, 에너지 손실을 극복하고 높은 속도를 구현할 수 있습니다.

 

 

1. 에너지 전송 및 저장

초전도체는 전력 손실 없이 전기를 전달할 수 있기 때문에, 전력 선로와 변압기에서 에너지 전송 및 저장에 활용됩니다. 특히, 도시 전력 그리드에서 초전도체 전력 케이블을 사용하면, 전력 손실을 크게 줄일 뿐만 아니라 공간 절약 및 에너지 효율 향상도 기대할 수 있습니다.

 

2. 교통

초전도체는 자기부상 열차(Maglev)의 핵심 기술입니다. 여기서 자기 부상은 초전도체를 통해 생성된 강한 자기장이 차량과 궤도 사이의 반발력을 만들어내, 마찰력 없이 차량을 공중에 띄워 놓는 원리입니다. 이로 인해 기존 기차보다 훨씬 빠른 속도와 높은 에너지 효율을 얻을 수 있습니다.

 

3. 의료 기기

우리가 병원에 가면 찍게되는 자기 공명 영상(MRI) 같은 의료 기기에서도 초전도체가 중요한 역할을 합니다. 초전도자석은 강력한 정전자기장을 생성하며, 이를 이용해 인체 조직의 구조와 기능을 고해상도로 시각화할 수 있습니다. MRI를 찍을 때 금속물질을 다 제거하는 것도 초전도자석의 자기장을 이용하는 기계 때문입니다. 

 

4. 과학 연구 및 가속기

 

 

초전도체는 입자 가속기와 핵융합 실험에도 사용됩니다. 초전도 가속기는 입자를 아주 높은 속도로 가속시켜 물질의 성질을 연구하는데 사용되며, 핵융합 실험에서는 초전도 자석이 플라스마를 제어하는 데 필요한 강한 자기장을 생성합니다.

 

 

 

마무리

다양한 종류의 초전도체가 개발되어 왔지만, 고온초전도체와 저온초전도체는 그 중 가장 주목받고 있는 분야입니다. 이 글을 통해 독자 여러분은 두 가지 타입의 초전도체와 그 특성에 대해 조금 더 이해할 수 있었기를 바랍니다.