안녕하세요, 송송입니다.
올해 한국을 떠들썩하게 만들었던 초전도체에 대해 알아볼까 합니다. 이번 사건으로 수만은 초전도체 밈이 만들어졌어요.
그럼 초전도체가 뭔데 그렇게 꿈의 기술인지 한번 소개해보겠습니다.
▶ 초전도체
- 임계 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 0인 전도체, 전기가 손실 없이 흐를 수 있는 완벽한 전도체
▶ 초전도체 특징
뭐가 그렇게 좋은데 다들 난리야?
1) 전기 저항 Zero
- 일반적으로 우리가 배선으로 사용하고 있는 도체(구리, 은, 금)는 저항에 의해 열이 발생하고 에너지 손실이 일어나게 됩니다.
전기적 손실이 일어나기 때문에 우리가 도로에서 흔히 보이는 전봇대가 이를 제어해줍니다. 만약 상온 초전도체가 상용화가 일어난다면, 더 이상 전봇대가 없어도 되는 세상이 오겠죠.
▶ 전기저항 Zero 원리
- 금속 내에서는 전자들이 원자와 충돌하면서 저항이 발생하게 되는데요, 초전도체에서는 특정 온도 이하로 내려가면 전자들이 서로 짝을 이루어 쿠퍼 페어(Cooper Pair)라는 상태를 형성하게 됩니다.
# 쿠퍼 페어 : 전자들끼리 유한한 거리 내에서 서로 묶여서 거동하는 현상. 이 상태에서는 전자들이 원자와 충돌하지 않고 이동하기 때문에 전기 저항이 0임
전기 저항이 0이면? 만약 도넛 모양의 초전도체가 있다고 하면, 여기에 전기를 한번 주면 평생 영구적으로 전기가 흐르게 됩니다.
▶ 마이스너 효과(Meissner Effect)
마이스너 효과는 초전도체를 설명할때 매우 중요한 특징입니다.
- 초전도체가 임계 온도(Tc) 아래로 내려갈 때, 초전도 상태에 진입하게 됩니다. 초전도 상태란 내부 자기장이 완전히 사라지는 현상이죠.
외부에서, 자기장을 걸어도 초전도체 내부로 자기장이 침투하지 않으며, 자기장은 초전도체의 표면에서 반발되게 됩니다.
이 현상으로 인해 초전도체는 자기 부상 현상이 나타나게 되죠.
조금 더 자세하게 들여다보자면 다음과 같습니다.
초전도 상태에 있는 물질은 저항이 0이라고 했습니다. 그럼 이 초전도체 표면에는 유도 전류가 흐르겠죠. 이 유도 전류는 렌츠의 법칙에 따라 외부 자기장을 상쇄하는 방향으로 흐르고, 결과적으로는 초전도체 내부 자기장은 0이 되는것이죠.
다시 말해서, 초전도체 표면의 전류가 자기장을 반발시키는 역할을 하게 됩니다.
▶ 초전도체의 활용 분야
1) 의료 분야 : MRI(자기공명영상장치)
- 강력한 자기장을 생성하는 초전도체는 현재 대부분의 MRI 장비에 사용되고 있습니다. 이런 기술이 들어갔으니까 비싸게 받나봅니다..
2) 에너지 (배선, 전력선)
- 전기 손실률이 0%이기 때문에 장거리 송전에 이용될 수 있습니다. 이는 굳이 두꺼운 배선을 특정 거리마다 배치할 필요 없이, 다이렉트로 설치가 가능하죠.
3) 교통 (자기부상열차)
- 오래전부터 초전도체가 상용화가 되면 자기 부상 열차를 이용할 수 있다고 알려져 왔습니다.
다들 오해할 수 있는것은 이미 초전도체는 오래전부터 연구되어왔던 분야입니다. 초전도체 기술은 이미 연구가 많이 이루어졌지만, 상온에서 초전도 현상을 구현해 낼 수 없어 아직까지 우리 일상생활에 잘 볼 수 없는 것 뿐이죠.
▶ 한국의 LK-99란 무엇인가?
고려대학교 연구진이 LK-99라는 상온 초전도체 실현 가능성에 대한 논문을 발표해 잠깐 동안이지만, 세계적으로 화제가 되었었죠.
논문에 따르면, 상온 및 대기압 조건에서도 초전도 특성을 보일 수 있는 물질로 주장되었습니다.
그러나, 다양한 연구팀들이 진행한 재현 실험에서 실패하면서 실제로 상온 초전도체가 구현되는지에 대한 논란이 있었죠.
▶ 왜 초전도체는 상용화가 힘들까?
앞서 지속적으로 설명했습니다. 초전도체는 매우 낮은 온도(임계온도)에서 발현되는 현상입니다. 그렇기 때문에 상온에서 사용할 수 있도록 지금도 많은 연구가 되고 있죠.
현재까진 대부분 극저온 환경이 필요하기 때문에 이를 유지하기 위해서는 고비용의 냉각장치와 이를 위한 막대한 에너지 소모가 초래될 것입니다.
뿐만 아니라, 초전도체는 특정 희토류 원소들을 기반으로 만들어지기 때문에, Lab scale에서 이루어지고 있습니다.
# 저도 학부때 실제로 초전도체를 만들어 자기부상 효과를 본 적 있습니다.
초전도체를 필렛으로 제작하여 액화 질소로 임계 온도 이하로 내린 다음 자석에 올려놓으면, 마이스너 효과에 의해 자기부상 하는 것을 확인 할 수 있습니다.
실제로 해보면 신기하기도 합니다.
우리 나라 뿐만 아니라, 어디든 빨리 좋은 기술이 상용화되어 우리에게 더 편리함을 주었음 좋겠네요.
다음 포스팅에 뵙겠습니다