2023년 7월 한국의 퀸텀에너지연구소는 상온·상압 초전도체를 개발했다고 발표해 전 세계적으로 관심을 받고 있습니다. 지금 과학계에서는 이 논문의 진위여부를 검증하고 있는 가운데 초전도체가 가지고 있는 특성과 초전도체 활용할 수 있는 응용 분야를 알아보겠습니다.
초전도체란?
초전도 현상은 전기 저항이 사라지고 자기장이 재료에서 방출되는 특정 재료에서 관찰되는 일련의 물리적 특성이며 이러한 특성을 나타내는 모든 물질은 초전도체입니다. 온도가 낮아짐에 따라 저항이 점차 감소하여 절대 영도에 가까운 일반적인 금속 전도체와 달리 초전도체는 특정 온도인 임계온도에서 저항이 갑자기 0으로 떨어져 전기 저항이 0이 되는 물질입니다. 초전도체는 1911년 네덜란드 물리학자 헤이케 카머링온네스에 의해 발견되었습니다. 카머리온네스는 액체 헬륨을 이용하여 수온의 온도를 -269도까지 낮추었고 이때 수온의 전기 저항이 0이 되는 것을 발견했습니다.
◎ 초전도체 특성
초전도체는 전기 저항이 0이 되기 때문에 전기 에너지를 손실 없이 전송할 수 있습니다. 또한, 초전도체는 자기장을 100% 차단할 수 있는 마이스너 효과를 나타냅니다. 물질에 전류가 흐르기 위해선 플러스와 마이너스 성질을 띠는 전자가 이동해야 하는데 전자가 이동할 땐 다른 불순물과 충돌하거나 전자끼리 부딪쳐 저항이 생깁니다. 하지만 초전도체에선 이런 충돌이 없기 때문에 전기저항이 일어나지 않습니다. 저항이 없으면 저항 때문에 생기는 전력에너지의 손실도 사라집니다.
◎ 마이스너효과
마이스너 효과는 초전도체의 중요한 특성 중 하나입니다. 자석이나 전류에 의해 생성되는 공간적 영역으로 그 주변엔 에너지가 생기는데 이 에너지가 작용하는 공간이 자기장입니다. 초전도체 외부에 자기장이 있으면 그 주변엔 크기는 같지만 방향이 반대인 또 다른 자기장이 만들어집니다. 이 경우 외부 자기장은 반대 자기장에 가로막혀 초전도체 내부를 통과하지 못하고 그 바깥으로 흐릅니다. 동시에 자기장과 자기장이 서로를 밀쳐내면서 초전도체를 위로 밀어 올리는 힘이 발생하고 초전도체는 공중으로 떠오릅니다.
◎ 임계온도
임계온도는 특정 물질이 특정 조건에서 초전도 상태로 되는 온도를 말합니다. 임계온도는 물질마다 다르며 일반적으로 매우 낮은 온도에서 나타납니다.
초전도체 응용 분야
◎ 전력 전송
초전도체는 전기 저항이 0이 되기 때문에 전기 에너지를 손실 없이 전송할 수 있고 전류 전달 능력을 향상해 송전 효율을 향상할 수 있습니다. 이 특성을 이용하여 초전도 전력 전송망을 구축할 수 있으며 기존의 전력 전송망보다 효율적이며 환경 친화적입니다.
◎ 자기 부상열차
초전도체는 자기장을 100% 차단하는 마이스너 효과를 나타냅니다. 이 특성을 이용하여 자기 부상 열차를 만들 수 있습니다. 자기 부상 열차는 공중에 떠서 운행하기 때문에 마찰이 없고 소음이 적습니다.
◎ 의료 장비
초전도체는 강한 자기장을 생성할 수 있습니다. 이 특성을 이용하여 더욱 정확하고 효율적인 자기 공명영상(MRI) 장비를 만들 수 있습니다. 의료 영상 진단 장비의 정확성과 해상도를 향상할 수 있습니다.
◎ 컴퓨터
컴퓨터는 수많은 회로가 들어가 있는데 이 회로들은 모두 저항으로 인해 열이 발생하고 그로 인해 제약이 생깁니다. 전기저항이 0인 초전도체를 이용하게 되면 열이 발생하지 않아 회로의 성능을 올릴 수 있고 전력을 많이 사용하는 슈퍼컴퓨터의 에너지를 최소화하며 양자컴퓨터에서는 초전도체가 양자 비트를 만들고 생성, 제어하며 양자 연결과 상호작용을 도와주는 중요한 역할을 합니다.