초전도체 이슈로 전 세계가 전례 없이 뜨거운 날을 보내고 있습니다. 여름이 지나도 이 ‘핫함’은 한동안 지속될 예정인데요. 날씨 얘기가 아닙니다. 초전도체 이야기로 많은 이들이 들썩이고 있습니다.
다름 아닌 국내 연구진이 상온 초전도체(LK-99)를 개발했다고 발표해 많은 관심을 받고 있는데요. 초전도체가 무엇이고 어떤 역할을 하는지, 어떻게 활용할 수 있는지 알아보겠습니다.
초전도체란?
상온에서 높은 압력이 가해지지 않고 발열도없는 물질인 초전도체는 특정 온도 아래에서 전기 저항이 사라지는 물질로 정의합니다.
1911년 네덜란드 물리학자 오너스(H. K. Onnes)에 의해 발견되었습니다. 일반적으로 금속성을 가진 물질(도체, conductor)의 전기 저항은 온도가 낮아질수록 줄어드는데요. 특정 온도에서 저항이 갑자기 0이 되는 걸 말합니다.
초전도체의 발견
수은은 일반적인 상황에서 전기 저항을 가지고 있습니다. 전기를 흘려 보내면 저항과 같은 금속의 특성을 나타내죠. 오너스는 수은을 액체 액체 헬륨으로 냉각할 때 갑자기 저항이 없어지는 현상을 발견했습니다. 그리고 저항이 없다는 뜻으로 초전도 현상이라고 이름을 붙였습니다. 절대온도 4.2K. 즉 영하 268.8도에서 발생한 일입니다.
첫 발견 이후 100년이 넘는 시간 동안, 초전도 현상은 더욱 많은 물질과 온도에서 나타났어요. 하지만, 앞선 경우처럼 굉장히 낮은 온도에서 일어날 뿐이었습니다. (종종 상온 초전도 현상이 발표되었지만, 성공적인 사례가 없었습니다.
초전도체(superconductor) 특징
초전도체는 많은 놀라운 특징을 가지고 있습니다. 다양한 특징 중 초전도체의 대표적인 것으로는 아래 두 가지를 얘기합니다.
전기저항이 없다.
전기 저항이 없다는 건 전류를 흘렸을 때 에너지 손실이 없다는 것입니다. 전선으로 만든다면 현재 20% 이상의 전력 손실이 거의 사라지게 됩니다. 한 번 발생한 전류가 무한히 흐를 수 있다면, 전력 전송이나 에너지 저장과 같은 분야에서 엄청난 효율과 이득을 가지게 됩니다.
마이스너 효과(Meissner effect)
일반적인 도체는 외부 자기장에 반응하는 특성이 있습니다. *도체 내부에 자기 선류가 생기고, 외부 자기장과 상호 작용을 합니다. 하지만, 초전도체는 자기장 속에서 다른 모습을 보입니다. 초전도체는 외부 자기장과 반대 방향의 자기장을 내부에 만듭니다.내부에 자체적인 자기선을 만들어 외부 자기장을 밀어내는 모습을 보입니다. 마이스너 효과는 초전도체가 공중에 뜨는 현상을 설명할 수 있어요.
*도체: 전기가 흐르는 물체나 물질을 뜻합니다.
초전도체의 활용
상온에서 구현 가능한 초전도체는 우리 생활에 어떻게 활용될수 있는지 아래 내용 살펴보자면, 대표적인 세 가지 사례가 있습니다.
자기공명 영상장치(MRI)
일반적인 MRI는 커다란 기계 안에 들어가 굉음을 버텨야 하는 불편함이 있습니다. 좋은 검사 결과물을 얻기 위해 강한 자기장이 필요한데요. 전자석 코일에 고압 전류를 보내는 과정에서 상당한 열이 발생합니다.
병원에서 사용하는 MRI는 초전도체를 활용하고 있어요. 단열이 잘 되어있어 느끼기 어렵지만, 기계 안에서는 초전도현상을 이용하기 위해 영하 269도의 액체헬륨으로 냉각 작업이 이루어지고 있어요. 상온 초전도체가 상용화되면 MRI 기기 설치와 사용, 보수가 한결 간편해질 수 있습니다. 보다 정교하고 안정된 결과도 얻을 수 있고요👍
자기부상열차
미래 도시를 배경으로 한 영화에 자주 등장하는 단골 손님이 있습니다. 바퀴 없이 레일을 달리는 자기부상 열차예요. 자기부상열차는 같은 극끼리 밀어내는 자석의 성질로 움직입니다. 초전도체의 특징으로 설명드린 마이스너효과도 이용됩니다. 열차를 공중으로 띄우려면 자석의 세기가 굉장히 강해야 합니다. 강한 자석을 만들기 위해 코일을 감아 전류를 흘려주는 방법을 사용하고요.
초전도체를 사용한 작동 방식이 MRI와 비슷해 보입니다. 냉각에 드는 막대한 설치, 사용 비용이 사라지고 , 장치의 고장 가능성도 현저히 낮아집니다. 더욱 큰 규모의 시스템을 구축할 수 있지만, 안정성과 효율성은 올라 생산성이 상당히 증가합니다.
양자컴퓨터
초전도체를 활용하기 위해 매우 낮은 온도에서 동작하는 양자컴퓨터도 큰 발전이 가능합니다. MRI와 자기부상열차처럼, 온도와 저항, 열로부터 제약이 크게 줄기 때문이에요. 기존의 오류를 줄이고, 더욱 정교한 계산이 가능한 양자컴퓨터가 대량생산될 날도 기대할 수 있습니다.
자기공명 영상장치(MRI)와 자기부상열차
초전도체를 활용하면 의료와 운송, 기기 외에도 다양한 분야에서 응용이 가능합니다. 초전도 자기 저장 장치를 통한 에너지 저장, 강력한 자기장을 활용한 연구, 높은 효율의 전기 변환 등 혁신적인 변화를 가져올 수 있어요.