초전도체 무엇인가? 상온 초전도체 개발 시 노벨물리학상은 따논 당상!

운전 시 에어컨을 켜고 달릴 때와 창문을 열고 달릴 때, 언제가 더 연비 효율이 좋을까요? 시속 40km 이하의 속도일 경우에 창문을 여는 게 연비가 높지만 40km 이상일 때 에어컨을 작동시키는 것이 연비가 높다고 합니다. 그 이유는 공기저항 때문입니다.

공기저항뿐만 아니라 다른 분야에서도 저항을 줄이기 위한 연구가 진행되고 있습니다. 특히 전기분야에서 이야기하는 저항이 없는 도체, 초전도체는 무엇이며, 어디서 활용을 하는지 알아보겠습니다.

최근 국내 연구진이 상온 초전도체(LK-99)를 개발하였다고 논문을 발표하여 많은 관심을 받고 있으며, 초전도체인지 아닌지 검증 중에 있다고 합니다.

 

1. 초전도체란?

초전도체는 특정 온도 아래에서 저항이 사라지는 물질로 알려져 있습니다. 1911년 네덜란드 물리학자인 오너스에 의해 발견이 되었습니다. 금속성을 가진 물질의 전기 저항은 온도가 낮아질수록 줄어드는데, 특정 온도(268.8도)에서 저항이 0 이 되는 것을 말합니다.

초전도체를 발견한 이후 100년 동안, 초전도 현상은 많은 물질과 온도에서 나타났지만 굉장히 낮은 온도에서만 일어났습니다. 

여기서 만약 저온에서 반응하는 초전도체가 아닌 상온 초전도체를 발견한다면 역사적으로 큰 획을 긋게 되는 것이죠.

 

2. 초전도체의 특징

마이스너 효과(Meissner effect)

마이스너 효과는 물질이 초전도 상태로 변하면서 물질의 내부에 침투해 있던 자기장이 외부로 밀려나는 현상을 말합니다. 쉽게 말해 한 물질이 특정온도에 도달하면 자기장을 밖으로 밀어내며 위에 있는 또 다른 물질을 공중으로 띄울 수 있게 하는 효과라고 볼 수 있습니다. 이 마이스너 효과로 초전도체가 공중에 뜨는 현상을 설명할 수 있습니다.

마이스너 효과. 출처. 위키백과

전기저항이 없는 초전도체

여기서 전기저항이 없다는 건 전류를 흘렸을 시 어너지 손실이 없다는 것입니다. 전선으로 전류를 보낼 때 약 20% 이상의 전력 손실이 일어나는데, 초전도체는 저항이 없기 때문에 전력 손실이 거의 없으며, 한번 발생한 전류가 무한히 흐른다면 전력 전송이나 에너지 저장과 같은 분야에서는 많은 이득을 볼 수 있습니다.

 

3. 초전도체의 활용

초전도체를 활용하는 대표적인 예는 자기 공명 영상장치인 MRI입니다. 일반적인 MRI는 큰 기계 안에 들어가 굉음을 들어야 하는 불편함이 있습니다.

MRI를 활용하기 위해서는 강력한 자기장이 필요한데 전자석 코일에 고압전류를 보내는 과정에서 높은 열이 발생합니다. 단지 우리는 단열이 잘 되어있는 MRI 장치에 들어가기 때문에 느끼지 못하며, 기계 안에서는 초전도 현상을 이용하기 위해서 영하 269도의 액체헬륨으로 냉각 작업을 하고 있습니다.

여기서 상온 초전도체가 발견되어 사용이 된다면, MRI 기기 사용, 설치, 보수가 편리해지며 더 정확한 사진 결과물을 볼 수 있습니다.

출처. 네이버 지식백과

 

먼 미래를 배경으로 한 영화나 드라마를 보면 자주 등장하는 자기 부상 열차도 초전도체를 활용한 예입니다. 자기 부상열차는 같은 극끼리 밀어내는 자석의 성질로 움직입니다. 초전도체의 마이스너 효과도 이용이 됩니다. 열차를 공중으로 띄우려면 자석의 세기가 굉장히 강해야 합니다. 강한 자석을 만들기 위해서는 코일을 감아 전류를 흘려주는 방법을 사용하고 있습니다.

초전도체를 사용한 작동 방식이 MRI와 비슷하며, 냉각에 드는 막대한 비용과 설치로 만약 상온 초전도체가 발견되어 사용이 된다면, 안정성과 효율성이 올라 생산성이 상당히 증가하겠죠? 

자기부상열차. 출처. 위키백과

 

 

상온 초전도체를 발견하고 설명이 가능하다면 노벨물리학상은 따놓은 당상!

 

초전도체를 활용하면 다양한 분야에서 사용 및 응용이 가능합니다. 에너지 손실 없이 저장이 가능하며, 자기장을 활용한 연구, 높은 효율의 전기 변환 등 우리가 현재 살아가고 있는 시대에 혁신적인 변화를 줄 수 있는 물질입니다.

현시대는 에너지와 자원의 부족, 특히 지구온난화로 인해 기후가 변화하고 있어 살아가는데 많은 어려움을 겪고 있습니다.

상온 초전도체를 이용하면 분명 효과적으로 대응할 수 있기에 많은 사람들이 관심을 가지고 있지 않을까 하는 생각을 합니다.