초전도 기술이란?
초전도 기술이란?
  • 김차식 기자
  • 승인 2020.02.13 22:25
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

- 초전도현상이 나타날 때에는 일정한 자장 아래서 미는 힘과 당기는 힘이 균형을 이루게 된다.
- 초전도체는 공중에 떠서 움직인다.
영하 180℃ 속에서 초전도체를 자석위에 올려놓고 밀면 공중에 떠 있는 사진이다. KBS2
영하 180℃ 속에서 초전도체를 자석위에 올려놓고 밀면 공중에 떠 있는 사진이다. KBS2

우리 삶에 이용하는 전기는 송전 중에 4~5% 정도가 사라진다고 한다. 이런 문제를 해결할 수 있는 방법은 없었다. 초전도 기술을 더한 케이블이 사용된다면 손실률 0%인 전기를 집안에서 받아 쓸 수 있게 된다. ‘전류의 전쟁’ 시대에서 승리하기 위해서이다. 효율전쟁을 끝낼 최후의 기술이다.

빙하기에는 무엇을 타고 다닐까? 영하 180℃ 이하에서만 움직이는 물질이 있다. 이것은 초전도체(특정 조건에서 전류에 대한 저항이 0이며 반자성을 띠는 물질을 말한다)이다. 초전도체를 액체질소에 담근 후 영하 180℃ 이하로 낮춘다.

전기 저항이 0인 것뿐만 아니라 주변 자기장을 완전히 상쇄하는 완전 반자성(마이스너 효과)이 존재해야 초전도체라고 할 수 있다. 초전도체는 특정한 조건에서 전기를 저항 없이 흘릴 수 있는 물질을 의미한다.

초전도체는 자기장을 차단하는 특성이 있어 자석 위에 가까이 가져가면 자석 위에 떠 있게 된다. 완전 반자성체이다. 자기장을 초전도체 밖으로 밀어내는 효과로 나타나는데, 발견자의 이름을 따서 마이스너(Meissner) 효과라고 한다.

초전도체를 자석 위에 올려놓고 밀어준다. 초전도체는 공중에 떠서 움직인다. 이 물질은 영하 180℃ 이하에서 초전도현상을 나타내는 물질이다. 영하 180℃ 이하가 되어야하기 때문에 액체질소를 사용한다.

초전도 현상이 나타날 때에는 일정한 자장 아래서 미는 힘과 당기는 힘이 균형을 이루게 된다. 자장이 균형을 이루게 된다. 초전도체는 매우 센 전류를 흐르게 하여 강한 자기장을 얻을 수 있으므로 떠 있을 수 있게 된다. 이를 이용하여 자기부상열차나 에너지 저장매체 등으로 사용 가능하다.

초전도체는 저항이 없어 전류가 흘러 들어도 전력 손실이 전혀 발생하지 않는다. 대량의 전기를 손실 없이 저장하거나 송전이 가능하다.

초전도체는 직류 전류에 대해 저항이 전혀 없는 완전도체이다. 예를 들어 초전도체로 된 고리에 전류를 흘려주면, 초전도체를 따라 흐르는 초전류는 감쇠하지 않고 영원히 흐르게 된다.

초전도현상(超傳導現象, Superconductivity)이란 어떤 물질이 적절한 조건 하에서 물질의 전기저항(Electric Resistance)이 0이 되고, 자기장을 밀어내는 완전반자성(Perfect Diamagnetism) 특성을 갖게 되는 현상을 말한다. 대체로 그 물질의 온도가 영하 240℃ 이하로 매우 낮다.

초전도현상은 1911년 네델란드의 과학자 H. 카메를링 오네스에 의해 처음 발견되었다. 그는 수은의 전기저항을 측정하는 실험을 하다가 절대온도 4.2K(영하 268.8℃)에서 전기저항이 갑자기 없어지는 현상을 발견, 이를 초전도현상이라고 이름 붙였다.

초전도현상은 크게 두 가지의 특징을 가지고 있다. 하나가 극히 낮은 저항값이다. 일반적으로 도체의 온도가 낮아지면 저항이 작아지는 특성이 있다. 온도가 매우 낮추면 저항이 0이 되는 물질이 있는데 이를 초전도체라고 한다.

부도체와 전도체를 말할 때 ‘전도’라는 단어 앞에 ‘초(super)’라는 표현으로 대단한 전도체임을 알 수 있다. 초전도현상은 특정 조건에서 전기가 어떤 저항도 받지 않고 흐르는 현상이다.

특정 조건이란 낮은 온도, 일정 한계 이하의 자장(임계자장), 그리고 일정 한계 이하의 전류량(임계전류)이 그 조건이다.

낮은 온도는 초전도체가 저항이 0이 돼 많은 전류를 한꺼번에 흘릴 수 있으려면 약 -200℃ 이하의 온도가 필요하다. 초전도체로 전선을 만든 뒤 온도를 낮게 유지해 주면 많은 전류를 저항 없이 보낼 수 있는 것이다.

많이 사용하는 도체인 구리보다 크기와 무게 대비 훨씬 많은 전류를 저항 없이 흘릴 수 있다. 높은 밀도의 전류를 이용할 수 있어 초전도를 사용한다.

구리로 만든 기기에 비해 부피와 무게를 크게 줄일 수 있다. 케이블을 만들거나 전자석을 만들어 모터나 코일에 응용 사용한다.

초전도체는 또한 내부의 자기장을 밀어내는 성질을 가지고 있어 자석 위에 떠오르는 자기부상현상을 나타낸다. 이 두 가지 성질을 이용한 것이 바로 초전도 기술이다.

초전도 기술의 응용사례로 자기부상열차(열차의 밑바닥에 초전도체로 만든 고리가 달려 있는데, 열차가 움직이면 이 고리는 철로 속에 있는 전선 고리에 전류가 흐르게 만든다.

이 때 두 고리 사이에 서로 밀어내는 힘이 작용하게 되어 열차를 뜨게 한다. 열차가 철로에서 몇 cm 정도 뜨게 되면 열차의 속력을 줄이는 마찰력이 매우 작아져서 같은 연료를 이용해서 훨씬 더 빠르고 더 먼 거리를 이동할 수 있게 된다)이다.

MRI 자기공명장치(자기공명영상장치에도 초전도체가 이용된다. 초전도체를 통해 만들어진 강력한 자기장은 더욱 선명한 화질로 우리 인체의 내부를 볼 수 있게 해준다. 이전 촬영기기보다 부작용이 없다는 장점을 가지고 있다.)이다. 처음 초전도체가 발견된 후 MRI가 상용화되기까지 약 100년의 시간이 걸렸다.

최근 기술을 응용한 사례로 초전도 케이블이 있다. 상용화가 빠르게 진행되고 있는 케이블은 저항이 0에 가까운 특징을 이용하여 기존 전선의 재료인 구리보다 송전손실을 1/10로 줄인다.

송전용량은 5배 늘리는 높은 효율로 전기를 운송할 수 있게 해주는 장점이 있다. 또한 작은 부피와 가벼운 무게 때문에, 많은 양의 전기를 사용해야하는 도심지역에 설치된 복잡한 도선들을 깔끔하게 대체해주는 역할을 한다.

1980년대 후반 값싼 액체질소로도 초전도 특성을 나타내는 물질이 발견된 후 지금까지 수많은 연구 개발 활동이 이어졌다. 초전도 기술 상용화의 큰 걸림돌은 높은 가격과 낮은 경제성이다.

초전도 기술 상용화는 머지않은 미래에 가능할 것으로 보인다.


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
0 / 400
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.