초전도체에 대한 모든 것

초전도체는 특정 온도 이하에서 전기 저항이 0이 되는 물질을 말합니다. 초전도체는 전기 에너지를 매우 효율적으로 전달할 수 있기 때문에, 전력 송전, 자기 부상열차, MRI 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 이 초전도체에 대해 알기 쉽게 안내하는 글입니다.

 

초전도체란 무엇인가요?

초전도 현상은 서두에 말한 것처럼 전기 저항이 0이 되는 현상입니다. 그리고 이렇게 전기 저항이 0이 되는 물질을 초전도체라고 합니다. 전기 에너지를 매우 효율적으로 전달할 수 있기 때문에, 전력 송전, 자기 부상 열차, MRI 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 전력 송전에서 초전도체를 사용하면 기존의 전선보다 100배 이상의 전력을 전달할 수 있습니다. 자기 부상 열차는 초전도체를 이용하여 자기력을 발생시켜 열차를 공중에 띄우는 기술입니다. MRI는 초전도체를 이용하여 강력한 자기장을 발생시켜 인체의 내부 구조를 영상화하는 기술입니다.

 

초전도체는 아직 개발 초기 단계에 있지만, 그 잠재력은 매우 높습니다. 초전도체가 상용화되면 전력 생산, 전력 송전, 운송, 의료 등 다양한 분야에서 혁신을 가져올 것으로 기대됩니다.

 

초전도체의 역사

초전도체는 1911년 네덜란드의 물리학자 카이퍼스와 온스테인에 의해 발견되었습니다. 이후 1930년대 후반에 Fritz와 Heinz London 형제에 의해 최초 이론적 설명이 이루어졌습니다. 이후 1957년 John Bardeen, Leon Cooper, John Schrieffer이 저온에서의 초전도성에 대해 종합적인 이론을 제안했고, 이를 BCS 이론이라고 합니다. 1986에 미국의 물리학자인 베크먼, 리더퍼드, 슐로머가 고온 초전도체를 처음으로 발견하게 됩니다.

 

초전도체의 원리

모든 물질은 전류가 흐를때 일정한 저항을 가지고 있습니다. 그래서 전기를 전달하는 과정에서 언제나 전기 손실이 발생하게 됩니다. 초전도체는 이 저항이 거의 없는 상태입니다. 초전도체가 박동하는 기본 원리는 전류가 흐르는 물질이 특정 온도에서 전기 저항의 없는 상태로 변하는데, 이를 상전이라고 말합니다.

 

상전이는 매우 낮은 온도에사만 일어나는데, 상전이 상태가 되면 물질의 전자들이 쌍을 이루는 상태가 됩니다. 이 상태에서 전기 저항이 거의 없어지고, 전기 전달 손실이 없어지게 됩니다. 그래서 매우 낮은 온도를 유지하여 상전이 상태의 초전도체를 이용해 여러 분야에 사용합니다. 문제는 매우 낮은 온도에서 다른 물질들이 정상적으로 작동할 수가 없다는 것이죠.

 

이 상전이 상태의 물질에 강력한 자기장이 접근하면, 상전이 상태를 유지하게 됩니다. 이게 바로 우리가 흔히 알고 있는 MRI나 자기 부상열차의 원리입니다.

 

초전도체의 장점과 한계

초전도체의 가장 큰 장점은 바로 높은 전기 전달 효율입니다. 즉, 전력 손실을 거의 없이 전기를 전달할 수 있다는 말이죠. 이는 예를 들어 한 개의 발전소에서 100만큼의 전기를 생산하고, 50의 전력이 손실되는 경우가 있다고 가정합시다. 그럼 전기 100만큼 필요한 국가에서는 손실되는 부분을 감안하면 2개의 발전소가 필요합니다. 하지만 초전도체로 전기를 저장하고 이동시킨다면 한 개의 발전소만으로도 충분한 거죠.. 이는 장기적인 에너지 절약, 환경문제를 모두 해결할 수 있습니다.

 

문제는 특정 온도에사만 작동을 한다는 것입니다. 그래서 그 온도를 유지하는 시스템이 필요합니다. 이는 당연히 추가적인 비용을 발생시키고, 추가적인 환경오염 등 복잡한 상황이 벌어집니다. 한계가 명확하다는 것이죠.

 

상온 초전도체와 미래

상온에서 초전도체가 존재할 수 있다면, 우리의 일상은 완전히 바뀌게 될지도 모릅니다. 의료 분야에서는 저비용으로 고화질 영상 진단을 할 수 있어서, 정확한 진단과 치료에 도움이 됩니다. 전력 공급망에서도 혁신을 가져오겠죠. 대용량의 전력을 효율적으로 전달하고 에너지 부족 국가가 사라질지도 모릅니다. 자동차와 철도와 같은 교통시스템은 대대적인 혁명이 일어나 더 빠르고 효율적인 이동수단이 나타나게 될 겁니다.