초전도체 특성 및 응용분야

 

초전도체 특성 및 응용분야

 

▶ 목차
1. 초전도체
2. 초전도의 역사
3. 초전도체 주요특성
4. 초전도체 응용
5. 초전도체 과제

 

 

 

 

 

1. 초전도체

초전도체는 전기 저항이 0이고 임계 온도 이하에서 자기장을 방출하는 물질입니다. 이 상태에서는 에너지 손실 없이 물질에 전류가 무한히 흐를 수 있어 초전도체를 매우 효율적인 전기도체로 만들 수 있습니다. 초전도 상태에서는 에너지 손실 없이 전류가 흐르기 때문에 초전도체는 전자 장치, 에너지 전송 및 의료 장치의 다양한 응용 분야에서 매우 수요가 높습니다.

 

 

 

2. 초전도의 역사

초전도 현상은 1911년 하이케 카멜링흐 온네스가 극도로 낮은 온도에서 수은의 전기 저항이 사라지는 것을 관찰했을 때 처음 발견되었습니다. 그 이후로 수많은 물질들이 각각 독특한 특성을 가진 초전도성을 보이는 것으로 발견되었습니다.

 

 

 

3. 초전도체의 주요특성

 

전기 저항 제로

초전도체의 가장 독특한 특징은 전기 저항이 완전히 없다는 것입니다.

이러한 특성은 저항 가열로 인한 에너지 손실 없이 전류를 흐르게 하는데, 이는 기존의 전도체에 비해 상당한 장점입니다.

 

마이스너 효과

물질이 초전도 상태로 전환될 때 내부에서 자기장을 방출합니다.

이 방출은 마이스너 효과로 알려져 있으며, 이 효과는 자기 부상 열차에서 활용되는 현상인 자석 위로 초전도 물질이 부상할 수 있게 합니다.

 

초전도 임계 온도(Tc)

각 초전도 물질은 특정한 임계 온도를 가지고 있는데, 임계온도는 물질이 초전도가 되는 아래의 온도입니다.

초기의 초전도체는 절대 0(-273.15°C)에 가까운 임계 온도를 가지고 있었지만, 물질 과학의 발전으로 액체 질소(-196°C)의 끓는점 이상의 임계 온도를 가진 고온 초전도체가 발견되었습니다.

*고온 초전도체(HTS)

HTS 물질은 1980년대 후반에 발견되었으며 액체 질소의 끓는점 이상의 임계 온도를 가지고 있습니다. 이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO)과 비스무트 스트론튬 칼슘 구리 산화물(BSCCO)은 잘 알려진 HTS 물질 중 일부입니다.
HTS의 개발은 전력 케이블 및 의료 장치를 포함하여 실용적인 응용을 위한 새로운 가능성을 열었습니다.

 

 

초전도체 유형

초전도체는 크게 두 가지로 분류할 수 있습니다. Type I과 Type II.

Type I 초전도체는 임계온도에서 초전도상태로 급격한 전환을 보이지만 매우 약한 자기장만을 유지할 수 있습니다.

Type II 초전도체는 더 점진적인 전환을 가지며 더 강한 자기장을 견딜 수 있어 실용적인 응용에 더 적합합니다.

 

* 유형 II 초전도체 및 플럭스 피닝

Type II 초전도체는 자기장이 있는 상태에서 혼합 상태를 가집니다. 자속선은 양자화된 단위(플럭스노이드)로 물질을 관통합니다. 결정 구조의 결함과 플럭스 라인의 상호작용은 "플럭스 피닝"을 만들어 자기장이 있는 상태에서 물질이 전류를 운반할 수 있는 능력을 향상시킵니다.

 

 

BCS 이론

1957년 제안된 바딘-쿠퍼-슈리퍼(Barden-Cooper-Srieffer) 이론은 기존 초전도성에 대한 근본적인 설명입니다.

전자가 어떻게 쌍을 이루어 격자 진동(포논)을 통해 "쿠퍼 쌍"을 형성하여 초전도 상태에서 저항이 없는 상태로 이어지는지 설명합니다.

 

 

4. 초전도체의 응용

초전도체는 다양한 분야에서 수많은 응용 분야를 가지고 있습니다.

 

• 전력 전송 : 초전도 케이블은 손실을 최소화하면서 많은 양의 전력을 전송할 수 있어 장거리 전송 시 에너지 낭비를 줄일 수 있습니다.
• 자기 공명 영상(MRI) : 초전도 자석은 MRI 기계에서 의료 영상을 위해 강하고 안정적인 자기장을 생성하는 데 사용됩니다.
• 입자 가속기 : 초전도 자석은 물리학의 기초 연구를 위해 LHC(Large Hadron Collider)와 같은 대형 입자 가속기에서 중요한 구성 요소입니다.
• 초전도 양자 장치 : 초전도 큐비트는 기하급수적으로 더 빠른 계산의 가능성을 제공하는 양자 컴퓨팅의 선두적인 후보입니다.
• 자기부상열차 : 초전도 자석은 자기 부상 열차에 사용되며, 이는 마이스너 효과를 사용하여 열차를 선로 위로 부상시킴으로써 고속의 마찰 없는 운송을 달성합니다.
• 전기 스토리지 : 초전도 자기 에너지 스토리지(SMES) 시스템은 효율적이고 신속한 에너지 스토리지 솔루션을 제공합니다.
• 전기 모터 : 초전도 모터는 다양한 산업 응용 분야에서 더 높은 효율과 전력 밀도를 달성할 수 있습니다.

5. 초전도체 과제

유망한 특성과 응용 분야에도 불구하고 초전도체의 광범위한 채택에는 몇 가지 과제가 남아 있습니다.

 

• 고비용 : 많은 초전도 물질은 생산 비용이 많이 들어 대규모 응용을 방해합니다.
• 냉각 요구사항 : 대부분의 초전도체는 초전도 상태를 유지하기 위해 극저온 냉각이 필요하므로 구현의 복잡성과 비용이 증가합니다.
• 부서지기 쉬운 성질 : 일부 초전도 물질은 부서지기 쉽고 특정 용도에 사용할 수 있는 실용적인 모양으로 제조하기가 어렵습니다.
• 플럭스 크리프 : 높은 자기장과 전류 밀도가 있는 경우 일부 초전도체는 "플럭스 크리프"를 경험하여 저항이 점진적으로 증가합니다.

 

결론적으로, 초전도체는 다양한 기술 분야에 혁명을 일으킬 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있는 독특한 특성을 가진 특별한물질입니다.
재료 과학 및 공학의 발전은 초전도체에 대한 실용적인 적용 범위를 지속적으로 확대하고 있으며, 이는 미래의 중요한 연구 분야가 되고 있습니다.