초전도현상

초전도 현상이란.??

초전도는 전기저항이 제로가 되는 현상을 말한다. 전기저항이 제로가 되면 전압이 전혀 없어도 전기는 영구히 계속 흐르게 된다. 전력손실이 전혀 없다는 뜻. 초전도 재료를 송전(송전)에 이용하면 대량의 전기를 손실없이 멀리까지 보낼 수 있다. 전기를 통조림처럼 저장할 수도 있다. 작고 가벼운 강력한 전자석(전자석) 이나 모터를 만들 수도 있다. 이들은 뛰어난 성능의 자기부상렬차(자기부상열차)등에 활용된다. 초고속 컴퓨터에도 초전도 재료는 필수적이다.

초전도는 1911년 네덜란드의 물리학자 카메린 오네스가 처음 발견했다. 수은을 절대온도 4도(섭씨 영하 2백69도)까지 냉각하면 전기저항이 제로가 되는 현상을 발견한 것. 오네스는 이 업적으로 1913년 노벨 물리학상을 받았다.

얼마전까지만 해도 재료를 액체헬륨으로 냉각시켜 극히 낮은 온도로 만들지 않으면 초전도 현상은 나타나지 않았다.

액체헬륨으로는 섭씨 영하 2백69도까지 냉각시킬 수 있다. 베드노르츠와 뮐러는 1986년 그때까지 전기를 통하기 어렵다고 여겨지던 세라믹(도자기)이 섭씨 영하 2백43도에서 초전도를 나타내는 것을 발견했다. 극저온보다 훨씬 「높은 온도」에서 초전도가 나타나기 때문에 이를 고온(고온) 초전도체라고 한다. 이를 계기로 얼마나 높은 온도의 초전도체를 만들어내느냐 하는 개발경쟁이 계속되고 있다.

목표는 실내온도에서 초전도가 나타나는 상온 초전도체 개발이다

초전도의 漢字표기는 일반적으로 超傳導로 표기하고 超電導라고 써도 뜻은 마찬가지이며 영문으로는 Superconductivity라 한다.

어떤 종류의 물질은 그 물질의 온도를 계속 낮추어 가면 특정온도 이하에서는 전기저항을 완전히 소실하여 그 물질에 흐르는 전류가 계속 흐르는 초전도 현상으로 전이한다. 상전도 상태로 부터 초전도상태로 바뀌는 이 전이온도를 임계온도(Tc)라고 부르며 초전도체를 특징짓는 가장 기본적인 것이다.

1911년에 네덜란드의 카메를링 오네스에 의해 수은을 액체헬륨으로 -269。C(4K, K는 켈빈으로 절대온도의 단위)로 냉각시켰을 때 갑자기 수은의 전기저항이 제로(0)가 되는 사실에서 발견한 것이다. 그후 금속합금인 니오브티탄(Nb-Ti)이나 니오브3주석(Nb3Sn) 등 금속의 초전도선재가 만들어졌으며, 1987년에 액체질소로 냉각시켜 초전도가 되는 세라믹스재료(이트륨, 바륨, 구리, 산소)가 98K(-175。C)에서 전기저항이 제로로 된다는 것이 발표되어 오늘날에도 신뢰할 수 있는 획기적인 데이터로 알려져 있다.

최근에는 이트륨이 아닌 비스머스(Bi)라는 금속을 사용하는 세라믹스재료가 주목되고 있다. Tc(임계온도)이하에서의 초전도상태는 전기저항이 제로로 될 뿐만이 아니라 자계중에 초전도체를 놓으면 자속밀도 B=0의 완전 반자성을 나타내 자속을 튕겨내는 "마이스너효과", 두장의 초전도체 사이에 끼운 절상막을 전자가 뚫고 지나가는 "조셉슨효과"를 나타내 앞으로 초고성능 컴퓨터의 개발은 물론 자기부상열차, 소형입자가속기 등의 많은 분야에 응용될 최첨단기술이다. (전자신문에서 발췌)

국내서도 `꿈의 소재' 고온초전도체 개발경쟁

꿈의 소재로 불리는 고온초전도체의 실용화가 국내에서도 활발하게 진행되고 있다.

고온초전도란 절대온도 수십도 이상의 높은 온도에서 나타나는 물질의 특이한 현상. 전기저항이 O이 되어 무한대 에너지를 저장하거나 보낼수도 있고, 엄청나게 센 전자석을 만드는 일 등이 이론적으로 가 능하다. 보통의 초전도현상은 절대온도 4도(섭씨 영하 269도)에서 일 어난다고 해서, 고온이란 표현이 붙었다.


지난 1986년 고온초전도 현상이 처음 알려진후, 미국-일본 등 선진 국에서는 실용화연구가 활발하게 진행되고 있으며,우리나라도 작년부 터 2006년까지 총 249억원의 연구비를 투입해 선진국 추격에 나서고 있다. 한국표준과학연구원 양자연구부장 박용기 박사는 "고온초전도 는 궁극적으로 인류의 삶을 근본적으로 뒤바꿀 미래 기술"이라며 "깨 끗한 에너지, 더 빠른 수송수단, 더 빠른 컴퓨터 개발등에 모두 응용 될 수 있다"고 말했다. 국내서 개발중인 고온초전도 응용제품은 초고감도의 초전도 양자간섭장치 (SQUID)와 초전도 필터, 초전도 전선 개발 등 크게 세갈래로 나 뉘어 진행되고 있다.

양자간섭장치는 지구 자기장의 10억분의 1이하인 아주 미세한 인체 자기도 측정할 수 있는 장치로 뇌나 심장연구에 유용하다. 표준과학연 구원은 7채널의 고감도 SQUID를 개발하고, 이를 16채널용으로 확대하 는데 주력하고 있다. "뇌수술이나 뇌기능 신비를 푸는데 크게 기여할 수 있다"는 것이 연구원측의 설명. 선진국에서는 32채널용 SQUID가 이 미 개발돼, 상용화를 앞두고 있다. LG종합기술원도 SQUID 기술을 축적 하고 있다.

초전도필터는 휴대폰의 기지국에 들어가, 원하는 주파수를 정확하 게 걸러주는 역할을 한다. 초전도 필터를 쓰면, 현재 중계기의 수를 20∼ 30%이상 줄여줄 수 있을 것으로 예상되고 있다. 삼성종합기술원 등에 서 연구가 활발하다.

초전도전선은 궁극적으로 에너지 손실없이 전기를 보내거나, 고효 율의 발전기와 모터를 만드는데 목적이 있다. 가늘고 길게 뽑아내면서도, 부스러지지 않는 재료를 만드는게 관건. 현재 일본에선 이미 길이 2㎞의 초전도전선이 개발됐으며, 미국에서는 소형 초전도 모터로 강력 한 고속정을 만드는 연구를 진행하고 있다. 국내에서는 한국기계연구 원이 100m급의 선재 개발에 성공한 상태. 초전도 전선을 쓰면, 전기저 항이 없으므로 도심의 지하 송전케이블을 기존의 6분의 1크기로 만드 는게 가능해진다.

고온 초전도는 아니지만, 초전도기술은 이미 수송분야에서도 획기적 결과를 내놓고 있다. 일본은 현재 오사카와 동경사이 48㎞의 시험 구간에서 시속 500㎞급의 초전도 자기부상열차를 개발해 시험중이다.

박용기박사는 "뒤늦게 시작했지만, 우리나라도 선진국과 큰 기술격 차없이 가고 있다"며 "초전도산업은 2010년에 600억∼900억달러, 2020 년에는 1,500억∼2000억달러의 새로운 세계시장을 형성할 것으로 예측 되고 있다"




초전도 응용분야

에너지분야 : 차세대 초전도 핵융합 외 MHD 발전 등
전력분야 : 초전도에너지저장(SMES), 초전도변압기, 초전도케이블, 초전도발전기 등
교통분야 : 초전도 자기부상열차, 초전도전자추진선박, 초전도전기자동차 등
의료ㆍ과학분야 : MRI,NMR, 뇌자기검출기, 암치료 사이클로트론, High Field Magnet 등
환경ㆍ산업분야 : 핵폐기물처리가 가능한 초전도자기분리, 입자가속기 등
전자ㆍ정보분야 : 초전도슈퍼컴퓨터, SQUID 등