초전도체는 쿠퍼 쌍이라는 입자로 형성되어 특정 온도 이하에서는 전기 저항이 없는 물질입니다.
그로 인해 에너지 효율성이 매우 높아 반도체 제조 공정 개선 및 초전도 센서 개발에 사용됩니다.
오늘은 초전도체 란 무엇이고, 초전도체 개발 현황, 응용 분야, 성공 사례를 알려드리겠습니다.
초전도체 란?
초전도체란 쿠퍼 쌍(전자와 전자 사이)으로 된 입자로, 특정 온도(Tc) 이하에서 전기 저항이 완전히 사라져 나타나는 현상을 말합니다.
즉 특정 온도 이하에서 전기 저항이 없어져 에너지 효율 및 전력 손실을 최소화하는 상태를 말합니다.
초전도체 원리
초전도체는 쿠퍼쌍으로 된 입자로 특정 온도 이하에서 전기 저항이 사라지는 현상을 말합니다.
즉 초전도체 원리는 쿠퍼 쌍, 마찰 없이 흐르는 전류, 보스-아인슈타인 응축으로 구성이 되어 있습니다.
- 쿠퍼 쌍 : 전자가 두 개로 형성되어 있는 입자
- 마찰 없이 흐르는 전류 : 특정 온도 이하에서 쿠퍼 쌍 사이에 전기 저항 없이 흐르는 전류
- 보스-아인슈타인 응축 : 쿠퍼 쌍들이 하나의 양자 상태로 응축
초전도체 특징
- 특정 온도 이하 전기 저항이 “0”이 되기 때문에 전기 에너지 손실이 없음. 하지만 특정 온도 이상으로 온도가 올라가면 초전도 현상이 사라짐.
- 외부 자기장을 밀어내는 “반자성”을 가지고 있음
- 전기 전도도와 달리 온도에 따라 다르게 나타나는 “열전도도”를 가지고 있음.
초전도 현상에 영향을 미치는 요인
초전도 현상은 온도와 외부 자기장, 물질의 특성에 강한 영향을 받습니다.
- 온도 : 특정 온도 이하에서만 초전도 현상이 일어나고, 그 이상 올라가면 초전도 현상이 사라짐
- 외부 자기장 : 초전도 현상은 강한 자기장의 방해를 받기 때문에 외부 자기장을 피해야 합니다.
- 물질 특성 : 초전도 현상은 특정한 물질에서만 일어납니다.
초전도체 개발 현황
- 1911년 : 헤이케 카메를링 온네스(네덜란드 물리학자)는 수은이 저온에서 전기 저항이 사라지는 현상을 발견하였고, 이때 최초로 초전도라는 용어를 사용
- 1933년 : 마이스너와 옥센펠트(독일 물리학자)는 마이스너 효과(초전도체 내부 자기장 배척 현상)를 발견
- 1957년 : 바딘, 쿠퍼, 슈리퍼(미국 물리학자)는 BCS 이론 발표 및 쿠퍼 쌍 개념 도입을 시키면서, 초천도 현상에 대한 이해가 크게 향상
- 1986년 : 스위스 IBM 연구 팀은 구리 산화물 기반 고온 초전도체 발견 및 액체 질소 온도 이상에서 초전도 현상 관찰
- 2020년 : 한국 KIST 연구팀 고온 초전도 소재 개발
- 2021년 : 일본 연구팀은 액체 질소 온도에서 작동하는 초전도 마그레브 열자 개발
- 2022년 : 미국 MIT 연구팀은 액체 질소 온도에서 작동하는 초전도 트랜지스터 개발
주요 연구 기관
- 한국 : 한국과학기술원(KIST), 과학기술정보통신부
- 미국 : 에너지부, 국립과학재단
- 유럽 : EU
- 일본 : NEDO
초전도체 응용 분야
산업 분야
- 반도체 제조 공정 개선 : 초전도 소재는 웨이퍼를 정밀한 조작이 가능하여 반도체 제조 공정의 에너지 효율을 상승시키고 생산성을 높일 수 있습니다.
- 초전도 센서 개발 : 초전도체는 극도의 전기 저항 감소 및 자기장에 대한 민감한 반응 속도로 초전도 센서에 필요한 기술입니다.
교통 분야
- 초전도 마그레브 열차 개발 : 초전도 마그레브 열차는 자기장을 사용하여 레일 위를 마찰 없이 달리는 열차입니다. 레일에서 마찰이 발생하지 않기 때문에 기존 열차에 비해 매우 빠른 속도를 자랑하며, 에너지 효율이 매우 뛰어나 환경오염 영향이 적습니다.
- 초전도 비행기 연구 : 비행기 운행 중 많은 마찰이 발생을 하고 그로 인해 비행기 사고 등이 발생을 합니다. 현재 초전도 기술을 이용하여 초전도 비행기를 연구를 하고 있습니다. 아직 초기 단계이지만, 상용화를 하게 되면 기존 비행기보다 뛰어난 효율성 및 안정성을 갖출 것입니다.
에너지 분야
- 전력 손실 감소 : 세계적으로 가장 큰 문제는 에너지 감소입니다. 에너지는 한정이 되어 있기 때문입니다. 하지만 초전도체를 사용하게 되면 마찰이 사라지기 때문에 전력 손실을 크게 감소시킬 수 있고, 이는 미래를 위한 꼭 필요한 기술입니다.
- 에너지 저장 효율 향상 : 에너지 생성도 중요하지만 에너지 저장 기술도 중요합니다. 에너지 저장 기술이 낮다면 에너지 낭비가 심하게 되고 우리가 사용할 수 있는 에너지가 감소하기 때문입니다. 초전도 에너지 저장 시스템은 배터리보다 에너지 밀도가 높아 에너지 저장에 매우 큰 도움이 됩니다.
- 에너지 생성 향상 : 에너지는 화석 에너지, 풍력, 태양력, 핵 에너지 등 매우 다양합니다. 각 에너지를 생성할 때는 마찰이 필수적으로 발생을 하고 그에 따라 에너지 생성에 방해가 됩니다. 초전도 기술은 마찰력이 없기 때문에 에너지 생성에 큰 영향을 미칩니다.
초전도체 성공 사례
- 2022년 미국에서 기존 MRI 보다 강력한 자기장 생성 및 정확하고 선명한 이미지 추출이 가능한 초전도 MRI 개발하여 암 및 심혈관 질환 등을 조기 감지하고 완쾌에 도움을 주었습니다.
- 2021년 일본에서 시속 600km/h 이상으로 움직이는 초전도 마그레브 열차 개발에 성공을 하여 효율적인 인프라 구축 및 상업화를 위해 개발을 진행을 하고 있습니다.
- 2023년 미구에서 배터리보다 높은 에너지 밀도 및 효율성을 가지고 있는 1GW 초전도 에너지 시스템을 개발에 성공을 하였고, 현재 전력망 안정화 및 에너지 저장 솔루션을 진행하고 있습니다.
이외에도 초전도 전력망 및 초전도 센서, 초전도 컴퓨터 등 다양하게 성공을 하였고 계속적으로 개발을 하고 있습니다.
마치며
오늘은 초전도체란 무엇이고, 초전도체 원리 및 개발 현황 등을 알아보았습니다.
초전도 기술은 아직 발전 초기 단계이지만 사람들의 많은 관심을 받고 지속적인 연구를 하고 있습니다.
이로 인하여 우리 미래 사회는 더욱 발전시킬 것입니다.
감사합니다.