초전도체가 뭐지? 문과생이 읽어보다

 

 

요즘 연일 세간을 떠들석하게 만들고 있는 초전도체, LK-99. 뭐지? 하는 생각에 며칠을 망설이다가 글을 써봅니다. 문과생이 읽어보다, 라지만 끝이 안 날 수도.......

 

초전도체는 저항이 완전히 사라지는 특별한 물질로, 매우 낮은 온도에서만 작동합니다. 초전도체의 놀라운 특성은 다양한 분야에서의 활용 가능성을 제공하지만, 여전히 낮은 온도에서의 작동과 관련된 비용 및 기술적 한계가 있습니다. 이 글에서는 초전도체의 개념과 특징, 응용 분야에 대해 간단히 소개하겠습니다.

 

 

초전도체란 무엇인가?

• 초전도체란 일정한 낮은 온도 이하로 냉각될 때 전기를 완전히 저항 없이 통과시키는 물질을 말합니다.
• 이 현상은 초전도 현상이라고 하며, 1911년 네덜란드의 과학자 헤이케 카메를링 온네스(Heike Kamerlingh Onnes)가 수은을 극저온으로 냉각시켜 발견했습니다.
• 초전도 현상은 일반적인 전도체와 달리 전기 저항이 0이 되므로, 전류 손실이 없이 전력을 전송할 수 있습니다.
• 초전도 현상은 임계온도(critical temperature)라고 하는 특정한 온도 이하에서만 발생합니다.
• 임계온도는 초전도체의 종류에 따라 다르며, 대부분의 초전도체는 절대 영도(Kelvin)와 가까운 매우 낮은 온도에서만 작동합니다.
• 예를 들어, 수은의 임계온도는 4.2K(섭씨 -268.8℃), 나이오븀의 임계온도는 9.3K(섭씨 -263.7℃)입니다.
• 이러한 초전도체를 저온 초전도체(low-temperature superconductor)라고 합니다.
• 그러나 1986년부터 고온 초전도체(high-temperature superconductor)라고 불리는 새로운 종류의 초전도체가 발견되기 시작했습니다.
• 고온 초전도체는 저온 초전도체보다 상대적으로 높은 온도에서 작동할 수 있으며, 일부 고온 초전도체는 액체 질소(-196℃)로 냉각할 수 있습니다.
• 예를 들어, 구리산화물(cuprate) 계열의 고온 초전도체는 138K(섭씨 -135℃)까지 작동할 수 있습니다.
• 고온 초전도체는 저온 초전도체보다 냉각 비용이 적게 들고, 상용화에 유리한 장점이 있습니다.

• 하지만 아직까지 상온 초전도체(room-temperature superconductor)는 발견되지 않았습니다.
• 상온 초전도체는 저항 없이 전기를 전송하는 물질로, 상온에서 작동할 수 있습니다.
• 상온 초전도체가 개발된다면, 전력 저장 및 전송, 고속 교통, 양자 컴퓨팅 등 다양한 분야에서 혁신적인 기술과 장치를 개발할 수 있을 것입니다.
• 그러나 상온 초전도체를 개발하는 것은 과학자들에게 남아있는 도전 과제 중 하나입니다.

초전도체의 특징과 응용 분야

초전도체는 저항 없이 전기를 전송하는 것 외에도 다른 놀라운 특징들을 가지고 있습니다. 초전도체의 주요 특징과 응용 분야는 다음과 같습니다.

특징	설명	응용 분야
영저항(Zero Resistance)	초전도체는 일정한 온도 이하로 냉각될 때 전기 저항이 완전히 사라짐 이 때문에 전류 손실이 없이 전력 전송 가능	전력 저장 및 전송, 슈퍼컨덴서(superconductor), 슈퍼코일(supercoil)
명왕성 효과(Meissner Effect)	초전도 상태에서의 초전도체는 외부의 자기장을 완전히 배제 이 현상은 초전도체가 자기부상(hover) 효과를 나타내게 하여, 자기부상 기차와 같은 분야에서의 활용 가능성을 제공	자기부상 기차(maglev train), 자기부상 장난감(maglev toy), 자기부상 스피커(maglev speaker)
플럭스 고정(Quantized Flux)	초전도체 내부의 자기장은 정량화된 플럭스 혹은 자속의 배수로만 존재 초전도체 기반 센서에서 정확한 측정 가능	자기력 측정 장치(SQUID), 자기력 센서(magnetic sensor), 자기력 균형계(magnetic balance)
조셉슨 효과 Josephson Effect)	두 개의 초전도체 사이에 매우 얇은 절연체가 있을 때, 전자들이 절연체를 터널링을 통해 끊임없이 이동 이 현상을 활용한 조셉슨 접합(Josephson junction)은 초고속 스위칭 속도와 초저전력 소모량을 가지는 초전도 컴퓨터의 핵심 부품이 될 수 있음	초전도 컴퓨터(superconductor computer), 양자 컴퓨터(quantum computer), 양자 비트(qubit)

 

• 이 외에도 초전도체는 의료, 통신, 군사 등 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다.
• 예를 들어, 초전도체를 이용한 MRI(Magnetic Resonance Imaging) 장치는 인체의 조직과 기관을 세밀하게 촬영할 수 있으며,
• 초전도체를 이용한 통신 위성은 지구와 우주간의 신호 전송을 향상시킬 수 있습니다.
• 또한, 초전도체를 이용한 레이저 무기는 고출력의 에너지 빔을 발사할 수 있습니다.

상온 초전도체의 발견과 난제

• 초전도체는 일정한 온도 이하로 냉각될 때만 작동합니다. 이러한 온도를 임계온도(critical temperature)라고 합니다.
• 일반적으로 임계온도가 높을수록 냉각 비용이 낮아지고 응용 가능성이 높아집니다.
• 초전도 현상은 1911년에 발견되었으나, 그 원리는 1957년에 바르데인(Bardeen), 쿠퍼(Cooper), 슈리퍼(Schrieffer)가 제안한 BCS 이론에 의해 설명되었습니다.
• BCS 이론은 저온에서 전자들이 짝을 이루어 쿠퍼 쌍(Cooper pair)을 형성하고,
• 이 쌍들이 서로 상호작용하여 저항 없이 전류를 흐르게 한다고 설명합니다.
• BCS 이론은 저온에서만 작동하는 금속 계열의 초전도체를 설명할 수 있었으나,
• 고온에서 작동하는 복합산화물 계열의 초전도체를 설명할 수 없었습니다.

초전도체

초전도체

 

• 1986년에 베드노르츠(Bednorz)와 뮐러(Muller)가 복합산화물 계열의 초전도체를 발견하면서, 고온 초전도체(high-temperature superconductor)라는 새로운 분야가 열렸습니다.
• 고온 초전도체는 액체 질소(-196°C) 정도의 온도에서 작동할 수 있으며,
• 임계온도가 100K 이상인 것을 말합니다.
• 고온 초전도체는 금속 계열의 초전도체보다 임계온도가 훨씬 높기 때문에,
• 냉각 비용이 낮고 응용 가능성이 높습니다.
• 그러나 고온 초전도체의 원리는 아직 밝혀지지 않았습니다.
• 고온 초전도체는 복잡한 구조와 성분을 가지고 있으며, 쿠퍼 쌍 이외의 다른 요인들이 초전도 현상에 영향을 미칠 수 있습니다.
• 상온 초전도체(room-temperature superconductor)는 고온 초전도체보다 더 높은 온도에서 작동할 수 있는 초전도체를 말합니다.
• 상온 초전도체는 일반적으로 273K 이상의 온도에서 작동할 수 있는 것을 말합니다.
• 상온 초전도체가 발견된다면, 냉각 비용이 없어지고 응용 가능성이 무한대로 확장될 것입니다.

 

상온 초전도체를 발견하는 것은 과학자들에게 남아있는 도전 과제 중 하나입니다. 상온 초전도체가 발견된다면, 인류의 문명과 삶의 질을 혁신적으로 개선할 수 있을 것입니다.

 

상온초전도체의 이점

 

초전도체의 임계온도가 높을수록 다음과 같은 이점이 있습니다.

• 냉각 비용이 낮아집니다.
• 초전도체는 임계온도 이하로 냉각될 때만 작동하기 때문에, 임계온도가 높을수록 냉각에 드는 비용이 줄어듭니다.
• 예를 들어, 금속 계열의 초전도체는 액체 헬륨 정도의 온도(4K)에서만 작동하기 때문에, 매우 비싼 냉각 장치가 필요합니다.
• 반면, 고온 초전도체는 액체 질소 정도의 온도(77K)에서 작동하기 때문에, 비교적 저렴한 냉각 장치로 충분합니다.

 

응용 가능성이 높아집니다.

• 초전도체는 저항 없이 전기를 전송하는 물질로, 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다.
• 예를 들어, 초전도체는 MRI(자기 공명 영상), 자기부상열차(Maglev), 초전도 발전기, 초전도 컴퓨터 등에 사용될 수 있습니다.
• 임계온도가 높을수록 이러한 응용 분야에서의 성능과 효율이 향상될 수 있습니다.

초전도체의 활용

초전도체는 다양한 분야나 제품에 사용되고 있습니다. 예를 들면,

• 에너지 저장 및 분배: 초전도체는 전력을 효율적으로 저장하고 전송하는 데 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 초전도 케이블은 대도시 부하 밀집 지역의 전력망 구축에 활용될 수 있습니다12.
• 의료: 초전도체는 자기 공명 이미징 (MRI) 장비와 같은 의료 기기에 사용되며, 강력한 자기장을 활용하여 높은 해상도의 내부 이미지를 생성합니다13.
• 과학 연구 및 실험: 초전도체는 고에너지 물리학, 양자 컴퓨팅, 초전도 센서 등과 같은 과학적인 연구와 실험에 필수적인 역할을 합니다14.
• 운송 수단: 초전도체는 자기부상 열차와 같은 혁신적인 운송 수단에 사용되며, 지면으로의 마찰 없이 효율적으로 열차를 운행할 수 있습니다34.

더 자세한 내용은 아래의 링크를 참고하세요.

1: 초전도체란 무엇인가? 초전도체에 대한 활용 및 전망 - 카야만 … 3: 초전도체의 활용전망에 관한 탐구 : 네이버 블로그 4: 초전도 전자기 세라믹 전력응용기술 동향 - Korea Science 2: 초전도체는 어떻게 활용되는가 : 네이버 포스트

 

 

 

초전도체 - 미래 산업의 주역과 혁신 기술 (2023 최신) - 용's 블로그

 

 

https://www.economidaily.com/view/20230810180070680

[과학기술] 韓 개발한 상온·상압 초전도체 'LK-99', '해프닝' 그칠까 | 이코노믹데일리

 

 

결론

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상온 초전도체를 발견하는 것은 과학자들에게 남아있는 도전 과제 중 하나입니다. 상온 초전도체가 발견된다면, 인류의 문명과 삶의 질을 혁신적으로 개선할 수 있을 것입니다.

이상으로  요즘 한국과 세계를 떠들썩하게 만들고 있는 초전도체에 대해 간단히 알아보았습니다.

마이너스 효과도 알아봐야하는 건가? 나, 문과 나온여잔데.......