상온 초전도체 개발 활용 분야는? 초전도 현상이란?

 미국 로체스터대 연구팀이 상온에서 초전도 성질을 보이는 물질을 개발했다는 연구 결과가 발표되어 과학계가 크게 떠들썩한 상태입니다. 이로 인해 물리학의 중요한 난제 중 하나인 상온 초전도체의 발견이 이루어지게 되었으며, 만약 이러한 결과가 일상의 환경에서 실현된다면 에너지 혁명과 더불어 세상은 또 한 번 크게 변할 것으로 기대됩니다.

▶ 상온 초전도체 개발

초전도 현상은 물체의 전기저항이 어느 온도 이하에서 급격히 0이 되는 현상을 말합니다. 이는 전기에너지가 이동 중에 손실되지 않음을 의미하며, 전력 손실 없는 에너지 혁명의 가능성을 열어줍니다. 상온에서 초전도체의 발견은 과학계에 큰 기대를 모으고 있습니다. 초전도체의 특징은 자기장을 밀어내는 성질을 가지고 있다는 점으로, 초전도체 위에 자석을 놓으면 자기장이 상쇄되어 자석이 떠오르는 신기한 현상이 발생합니다. 이러한 특성으로 인해 초전도체는 자기부상열차, 양자컴퓨터, 토카막 기계 등 다양한 분야에서 혁신적인 응용이 기대되고 있습니다.

과거 초전도체는 극저온에서만 작동하는 문제가 있었습니다. 하지만 최근 로체스터대 랑가 디아스(Ranga Dias) 교수가 이끄는 연구팀은 상온(20.5℃)에서 초전도가 되는 물질을 발견하는 데에 성공했습니다. 연구팀은 희토류 원소인 루테튬(Lu)에 수소와 소량의 질소를 넣은 뒤 압력과 고온을 이용하여 구워 '루테튬 수소화물(NDLH)'을 개발했습니다. 이 물질은 평소는 짙은 푸른색을 띠지만 초전도체로 변환되면 붉은색으로 변하는 특징을 가지고 있습니다.

그러나 이번 연구 결과에 대해 학계는 신중한 반응을 보이고 있습니다. 연구팀이 이전에도 논란이 있었던 논문을 발행한 적이 있기 때문입니다. 이에 연구팀은 다른 과학자들이 실험 결과를 확인할 수 있도록 초전도체를 배포하지 않겠다고 밝혔습니다. 상온 초전도체의 상용화에는 아직 많은 과제가 남아 있지만, 이러한 연구 결과는 상온에서 초전도체의 가능성을 열어놓았으며, 미래적인 응용 분야에 대한 기대를 높이고 있습니다.

[상온 초전도체 실현 시 활용할 수 있는 분야]

높은 효율성의 에너지 저장 시스템: 초전도체의 특성상 전기에너지 손실이 없기 때문에, 초고속 충전이 가능하고 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 배터리 시스템이 개발될 수 있습니다. 이로 인해 전기차와 같은 깨끗한 에너지 이용이 보다 더 확대될 것으로 기대됩니다.

혁신적인 전자기기와 컴퓨터: 초전도체를 이용한 양자컴퓨터의 개발은 기존의 컴퓨터 성능을 뛰어넘는 혁신적인 기술의 탄생을 암시합니다. 빠른 연산과 데이터 처리 속도로 인해 새로운 산업과 기술의 발전이 가속화될 것으로 예상됩니다.

첨단 교통수단: 상온 초전도체를 이용한 자기부상열차는 기존의 철도 운송수단과는 비교할 수 없는 속도와 효율성을 제공할 수 있습니다. 긴 거리를 단시간에 이동하는 고속 교통 수단으로서 미래 도시의 중요한 교통 인프라로 자리잡을 수 있을 것으로 기대됩니다.

친환경 핵융합 발전소: 초전도체를 이용하여 플라스마를 안정적으로 유지하는 핵융합 발전소의 개발은 깨끗하고 무한한 에너지원을 이용하는 새로운 발전 시스템을 구축할 수 있게 될 것입니다.

이처럼 상온 초전도체의 개발은 우리의 삶과 기술의 미래에 큰 영향을 미칠 것으로 기대됩니다. 하지만 상용화에는 여전히 난제가 많이 남아있는 실정입니다. 물질의 크기와 안정성, 비용 등 다양한 측면에서 개선이 필요한 과제들이 존재합니다.

이런 혁신적인 과학 연구 결과는 우리의 일상과 미래를 크게 바꿀 수 있는 발견들이라는 점에서 더욱 주목할 가치가 있습니다. 상온 초전도체의 가능성을 열어놓은 이번 연구는 에너지 혁명을 비롯한 다양한 분야에서 새로운 변화를 가져올 수 있을 것으로 기대됩니다. 

▶ 초전도 현상이란?

초전도 현상은 물체의 전기저항이 어느 온도 이하에서 급격히 0이 되는 현상을 말합니다. 즉, 특정 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라지며 전류가 아무런 저항 없이 흐르게 됩니다. 이러한 특성 때문에 초전도체는 매우 특별한 물질로 간주되고, 다양한 응용 분야에서 혁신적인 기술을 가능케 합니다.

초전도 현상은 1911년에 네덜란드의 물리학자 카메를링 오네스(Kamerlingh Onnes)가 수은에서 발견하였습니다. 그는 수은을 극저온인 약 4.2K(-268.8℃)까지 냉각하면 수은의 전기저항이 0이 되는 현상을 발견하였는데, 이때의 온도를 임계온도라고 합니다. 이후 초전도 현상은 다양한 물질에서 관찰되었고, 저온에서는 많은 초전도체가 발견되었습니다.

초전도 현상이 나타나면 물체는 매우 신기한 현상을 보입니다. 가장 눈에 띄는 특징은 물체가 자기장에 떠오르는 것입니다. 초전도체 위에 자석을 놓으면 초전도체가 자기장을 밀어내는 성질(반자성·反磁性)을 갖고 있기 때문에 초전도체와 자석 사이에 유도전류가 발생합니다. 이때 초전도체의 저항이 없으므로 유도전류가 사라지지 않고 계속해서 자기장을 밀어냅니다. 따라서 초전도체는 스스로 떠 있는 상태가 됩니다. 이러한 현상은 자기 부상(Levitation) 또는 자기 부력(Magnetic Levitation)이라고 합니다.

자기 부상 현상은 초전도체가 상태를 유지하는 동안 접촉 저항이 없으므로, 초고속 자기열차(Maglev Train) 등과 같은 다양한 응용 분야에서 활용됩니다. 초전도체 위에 레일을 놓고 전기를 흘려보내면 초전도체와 레일 사이에 유도전류가 발생하여 자기 부상 현상이 일어나고, 이를 이용하여 기차가 레일에서 떠다니며 마찰이 없이 빠르게 이동하는 것이 가능해집니다.

또한 초전도 현상은 전력과 에너지 분야에서도 큰 영향을 미칩니다. 초전도체를 이용하여 전력 변환 및 전송 시스템을 구현하면 전력 손실을 최소화하고 에너지 효율성을 극대화할 수 있습니다. 이는 친환경적이고 경제적인 에너지 솔루션을 제공하는데 큰 도움이 됩니다.

초전도 현상은 또한 고급 과학 연구에도 활용됩니다. 초전도체를 이용한 양자컴퓨터나 핵융합 기술의 개발은 초전도체의 특수한 물리적 성질을 활용하는데 기반하고 있습니다.

초전도 현상이 일어나는 원리는 물질 내부의 전자와 결합하는 원자들 사이의 상호작용과 그 구조에 따라 달라집니다. 초전도 현상의 이해를 위해서는 물리학과 고체 물리학에서의 체계적인 연구가 필요하며, 더 많은 연구와 실험을 통해 초전도체의 동작 메커니즘을 더욱 깊이 이해하고 발전시키는 것이 중요합니다. 상온 초전도체의 발견은 초전도 현상의 기술적 제약을 크게 완화시켰으며, 앞으로 더 많은 응용 분야에서 혁신적인 기술과 발전이 이루어질 것으로 기대됩니다.

[초전도 현상 활용 예시]

• 초고속 자기열차 (Maglev Train)
• 초전도체를 이용한 자기 부상 현상을 활용하여 레일과 자기열차 사이에 유도전류를 발생시켜 열차가 마찰 없이 떠다니며 이동하는 기술입니다. 이로 인해 고속으로 이동하는 동시에 소음과 에너지 손실이 줄어들어 효율적인 대중교통 시스템으로 인기를 끌고 있습니다.
• 초전도자석
• 초전도체를 사용하여 강력한 자기장을 생성하는 자석을 만드는 기술입니다. 초전도자석은 반도체 자석보다 훨씬 강력하며, 고에너지 물리 실험, 자기 공명 영상(MRI) 장치, 가속기, 핵융합 실험 등 다양한 분야에서 활용됩니다.
• 에너지 전송과 저장
• 초전도체를 이용하여 전기 전송 및 에너지 저장 시스템을 구축하면 전력 손실을 최소화하고 높은 효율성을 갖춘 전력 시스템을 구현할 수 있습니다. 또한 초전도체를 이용하여 고용량 및 빠른 충전이 가능한 초전도 배터리가 개발되어 전기 자동차 등에 적용되고 있습니다.
• 핵융합 연구
• 초전도체를 사용하여 플라스마를 가둬 핵융합 반응을 발생시키는 연구에 이용됩니다. 초전도자석을 이용하여 강력한 자기장을 만들어 핵융합이 일어나는 온도와 압력을 조절하며 핵 에너지 발전의 잠재력을 탐구하는데 활용됩니다.
• 양자컴퓨터
• 초전도체를 사용하여 양자 비트를 구현하는 양자컴퓨터의 핵심 구성 요소로 사용됩니다. 초전도체를 이용하면 양자 상태를 오랫동안 유지시키고 연산 속도를 높일 수 있어 더 강력하고 효율적인 양자컴퓨터 개발에 기여하고 있습니다.
• 의료 분야
• 초전도자석을 이용하여 의료 영상 진단 장비인 자기 공명 영상(MRI)을 구현합니다. 초전도자석은 강력한 자기장을 만들어 뇌, 심장, 관절 등의 부위를 정교하게 촬영하는 데 사용되어 진단 정확도를 높이고 의료 영상 기술의 발전에 도움을 줍니다.