초전도체 (Superconductor)
얼마 전에 우리나라에서 상용화 가능한 LK-99라는 상온 초전도체에 대한 논문이 발표되면서 세계적으로 큰 화제가 된 적이 있었죠. 사실 초전도체에 대한 내용은 고등학교 1학년 교과 과정의 통합과학에도 나오는 내용이기 때문에 그 효용에 대해서 많은 사람들이 아는 내용일터, 그래서 더 큰 화제가 되지 않았나 싶습니다.
초전도체(Superconductor)는 말 그대로 초전도 현상을 나타내는 물질을 말하는 것인데요, 그렇다면 초전도 현상이 무엇인지 알아야겠죠. 초전도 현상(Superconductivity)이라는 것은 특정 온도 이하에서 전기 저항이 0이 되는 현상을 의미합니다. 전기 저항이 0이라는 것의 의미는 전류가 아무런 손실이 없이 흐를 수가 있다는 것이죠. 여기서 전기 저항이 0이 되면서 초전도 현상이 나타나는 온도를 임계 온도(critical temperature)라고 하고요, 예를 들자면 납의 경우 7.2K, 수은의 경우 4.2K 정도가 초전도 현상의 임계 온도가 됩니다. 참고로 대부분의 메탈은 임계온도 이하에서 초전도체가 될 수 있으나 모든 금속이 초전도체가 될 수 있는 것은 아닙니다.
[여러 원소의 초전도 현상 임계 온도]
| 원소 (Element) | Tc (Critical Temperature for Superconductor, K) |
| 알루미늄 (Aluminium, Al) | 1.2 |
| 베릴륨 (Beryllium, Be) | 0.03 |
| 납 (Lead, Pb) | 7.2 |
| α-수은 (α-Mercury, α-Hg) | 4.15 |
| β-수은 (β -Mercury, β-Hg) | 3.95 |
| 몰리브덴 (Molibdenum, Mo) | 0.92 |
| 오스뮴 (Osmium, Os) | 0.66 |
| 주석 (Tin, Sn) | 3.72 |
| 타이타늄 (Titanium, 티타늄, Ti) | 0.40 |
| 바나듐 (Vanadium, V) | 5.4 |
| 아연 (Zinc, Zn) | 0.85 |
위의 내용을 보면 절대 온도에 가까운 굉장히 낮은 온도를 만들어야 초전도 현상을 나타내고 유지할 수가 있는데 이러한 조건을 만들고 상용적으로 의미 있는 시간을 유지하는 것에는 경제적인 측면에서 비용의 문제가 있겠죠. 그래서 상업적인 활용은 현재 되고 있지 않는 것으로 이해를 하면 됩니다.
초전도체의 특징과 이용
초전도 현상이라는 것은 전기 저항이 0이 되는 것이므로 저항에 의한 손실을 줄일 수가 있는 실로 엄청난 것인데, 따라서 전류가 흐를 때 열이 발생하지 않게 되고 전력의 손실이 없게 됩니다. 이걸 상온에서 구현할 수 있다고 하였으니 정말 화제가 될만했죠. 관련하여 아래 링크의 손실 전력을 줄이는 방법을 참고해 보면 됩니다.
2023.11.28 - [과학] - 손실전력 계산 방법 및 손실전력을 줄이는 방법
손실전력 계산 방법 및 손실전력을 줄이는 방법
송전선에서의 손실전력 발전소에서 생산된 전력을 전력을 소비하는 곳으로 전달하는 과정을 송전이라고 합니다. 이를 좀 더 좁게 구분할 수 있는데, 발전소에서 생산된 전기에너지를 변전소까
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전력의 손실이 없는 초전도 케이블이라던지 아주 강한 전류를 통해 강한 자기장을 형성시키고 이를 전력의 손실 없이 만든다면 자기공명영상장치(MRI)나 입자 가속기, 핵융합 장치 등에도 활용할 수 있습니다. 또한 전자석끼리 서로 같은 극은 밀어내는 척력이 작용하는 것을 이용한 자기 부상 열차에도 마이스너 효과를 이용할 수 있고요. 마이스너 효과는 아래에 별도 설명하겠습니다.
[초전도체 이용 가능 사례]
- 전력의 손실이 없는 초전도 케이블
- 자기공명영상장치(MRI)
- 입자 가속기
- 전자석을 이용한 모터(전동기)나 발전기
- 핵융합 장치
- 자기 부상 열차 (마이스너 효과)
마이스너 효과 (Meissner Effect)
마이스너 효과는 1933년에 발견되었는데요, 독일의 물리학자인 발터 마이스너의 이름을 딴 것입니다. 자석(Magnet) 위에 초전도체를 놓게 되면, 즉 초전도 현상의 임계 온도보다 낮은 온도에서는 초전도체를 통과하던 자기장이 초전도체 내부에서 방출되어 주위로 휘어지게 됩니다. 이를 반자성(Diamagnetism)이라고 해서 초전도체는 반자성체가 되기도 하는 것인데 초전도체에 외부 자기장을 걸어주면 물질의 내부에 자성 밀도가 0이 되면서 자기장을 초전도체 밖으로 밀어내게 되는 것으로 이해를 하면 되겠습니다. 결국 임계 온도 아래에서 어떤 물질이 초전도체가 되면 자석 위에서 공중 부양이 되는 것, 초전도체가 자석 위에 뜨게 되는 것을 마이스너 효과라고 합니다. 위에 언급하였듯이 상온까지는 아니더라도 유의미하게, 경제학적으로나 기술적으로 비교적 높은 온도에서 구현할 수 있다면 자기 부상 열차에 활용할 수 있겠죠.
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