초전도체는 한 때 우리나라에서도 깊은 관심을 가졌던 과학 기술로 요즘에도 가끔씩 뉴스에 등장하기도 합니다. 이 번 글에서는 초전도체가 무엇인지 그리고 원리와 응용 분야에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.
초전도체(Superconductor)의 발견
초전도체는 1911년 네덜란드의 물리학자 하이케 카메를링 오너스(Heike Kamerlingh Onnes)가 액체 헬륨 속 매우 낮은 온도에서 수은의 전기적 특성을 연구하던 중에 발견하였습니다.
그는 켈빈(Kelvin) 온도 4.19 K(-268.96 °C)에서 수은의 전기 저항이 0으로 떨어지는 초전도 현상을 발견한 것입니다. (0 K = -273.15 °C )
물질의 전기 저항이 0이 되면 전류가 흐를 때에도 에너지 손실이 없기 때문에 당시에는 매우 획기적인 발견이었으며 대부분의 연구는 초전도 현상을 이해하고 동일한 성질을 갖은 다른 물질을 찾는 데에 중점을 두었습니다.
초전도체 원리
일반적인 도체에 전류가 흐르는 경우 전자가 내부의 미세한 결정 구조를 이동하면서 수없이 충돌하여 저항이 생기는데 결국 주울열(Joule Heating, P = I2R)에 의해 전력 손실이 발생하게 됩니다.
그러나 초전도체는 임계 온도 이하에서 전기 저항이 0이 되어 에너지 손실 없이 전류가 자유롭게 흐를 수 있는 초전도성이 나타나며 많은 과학자들이 이에 대해 연구하였습니다.
마이스너 효과 (Meissner Effect)
1933년 발터 마이스너와 로버트 옥센펠트(Walther Meissner & Robert Ochsenfeld)가 발견한 마이스너 효과는 초전도체가 외부 자기장에 대해 반자성을 띠는 현상으로 이는 자기 부상을 일으킨다는 것을 의미합니다.
쿠퍼 쌍 (Cooper Pairs)
존 바딘(John Bardeen), 레온 쿠퍼(Leon Cooper), 로버트 슈리퍼(Robert Schrieffer) 등의 과학자들이 1957년 정립한 BCS 이론(Bardeen-Cooper-Schrieffer Theory, 바딘-쿠퍼-슈리퍼 이론 )으로 초전도성을 설명하였습니다.
특정 조건에서 전자가 쌍(쿠퍼 쌍, 레온 쿠퍼가 발견)을 이루고 격자 구조를 통해 산란 없이 이동하면 충돌에 의한 이동 속도 감소가 없으므로 저항이 0이 된다고 설명하였습니다.
초전도체의 발전
초전도성에 대한 원리 연구와 함께 가장 집중적으로 연구된 항목이 상온에서 초전도성을 갖는 물질 즉 상온 초전도체를 만드는 것이었습니다.
영하 수백 도로 물질의 온도를 낮추기 위해 냉각 시스템을 사용해야 하는 기존의 초전도체는 실제 적용을 가로막는 가장 큰 한계였기 때문입니다.
국내 연구진에 의해서 개발되었다고 알려진 LK-99라는 물질은 상온상압에서 저항이 0이 되는 초전도성을 나타내었다고 발표하였습니다.
앞으로 더욱 심도 있는 연구가 진행된다면 상온 300 K 부근에서도 초전도성을 갖는 물질이 머지않아 개발될 수 있을 것으로 생각됩니다.
초전도체 응용
상온 초전도체가 현실화된다면 전기를 사용하는 모든 곳에 응용할 수 있습니다.
- 초전도 자석을 이용한 핵융합 제어 장치: 핵융합로의 자기 감금 장치에 사용할 수 있습니다.
- 초전도 송전 케이블: 전기 에너지 손실을 최소화하면서 효율적인 전력 전송을 위해 사용됩니다.
- 발전기 및 모터: 초전도 자석은 효율성을 높이고 크기를 획기적으로 줄일 수 있어 다양한 발전기와 모터에 사용됩니다.
- MRI(자기 공명 영상) 장치: 초전도체는 강력하고 안정적인 자기장을 제공하므로 MRI 장치를 한 층 업그레이드합니다.
- 자기 부상 열차: 자기 부상에 초전도 자석을 사용하면 마찰 없이 초고속으로 열차 이동이 가능합니다.
- 양자 컴퓨팅: 초전도체는 양자 컴퓨터용 큐비트에 사용되어 초고속의 저에너지 동작을 가능하게 합니다.
- 입자 가속기: 초전도 자석은 대형 강입자 충돌기와 같은 입자 가속기에 적용할 수 있습니다.
