초전도체 기술 현황과 응용 분야 자세히 살펴보기

✓ 초전도체 기술 현황과 응용 분야 살펴보기

 

초전도체는 저온에서 전기 저항이 사라지는 재료로, 고성능 컴퓨팅, 의료 이미징, 자기공명 영상, 가속기 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 최근 연구에서는 초전도체의 온도를 상승시켜 저온유지가 필요하지 않은 초전도체의 개발에 주목되고 있으며, 향후 높은 전류 용량, 적은 자기장 손실 등을 갖춘 초전도체의 개발이 기대됩니다. 이번 글에서는 초전도체의 기술 현황과 응용 분야에 대해 자세히 알아보겠습니다. 정확하게 알아보도록 할게요.

 

초전도체 기술 현황과 응용 분야 살펴보기

초전도체란 ?

전기저항이 0인 물질입니다. 즉 전류가 흐를 때 저항없이 흐르기 때문에 전력손실이 전혀 없다는 뜻이죠. 이 특성을 이용하면 엄청난 에너지 효율을 얻을 수 있답니다. 예를 들어 물을 끓일 때 100도씨 이상 온도가 올라가면 끓어서 수증기가 되는데 이때 열에너지가 발생하게 됩니다. 하지만 초전도체를 이용한다면 같은 양의 물을 끓이는 데 드는 에너지는 10%밖에 되지 않습니다. 또한 영하 200도 이하에서도 액체 상태를 유지하기 때문에 극저온 기술 발전에도 큰 도움이 될 수 있죠. 이러한 초전도체 연구는 현재 우리나라 뿐만 아니라 세계 각국에서 활발하게 진행되고 있으며 특히 한국에서는 최근들어 많은 성과를 내고 있다고 합니다. 

초전도체는 어떻게 발견되었나요?

초전도체는 1811년 네덜란드 물리학자 반데르발스(van der Waals)에 의해 처음 발견되었습니다. 당시 고온에서만 나타나는 현상으로만 알고 있던 자기부상열차나 MRI 등과 같은 장치들이 저온상태에서도 나타날 수 있다는 이론을 발표했죠. 이후 1922년 독일 과학자 뫼스바우어(Moesbauer)가 전자 사이의 반발력을 감소시키는 방법을 알아내면서 본격적으로 초전도현상 규명에 대한 연구가 시작되었습니다. 그리고 1960년대 미국 벨연구소의 바딘(Bardeen)과 쿠퍼(Cooper)가 각각 금속산화물계와 비스무트계 초전도체를 발견하면서 세상에 알려지게 되었죠.

초전도체는 왜 만들어졌나요?

초전도체는 높은 임계온도라는 특징 덕분에 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다. 우선 대표적으로 자석 위에 띄울 수 있는 ‘자기부상열차’ 입니다. 기존 열차는 철로 위를 달리기 때문에 마찰열이 발생하지만 자기부상열차는 부상용 코일 안에 초전도체를 넣어 만든 레일 위를 떠서 움직이기 때문에 마찰열이 생기지 않아 매우 빠른 속도로 달릴 수 있습니다. 다음으로는 의료분야에서의 응용입니다. 인체 내부 장기들을 촬영하는데 쓰이는 X-ray 사진은 강한 방사선을 방출해서 환자에게 위험한데요, 초전도체를 이용하면 몸 속 깊은 곳까지 투과해도 영상이 선명하게 찍힙니다. 그래서 암세포 전이 여부를 파악하거나 수술 부위를 정확히 진단할 수 있게 되었습니다. 마지막으로 신재생에너지 분야로의 적용입니다. 태양전지나 풍력발전기와 같은 경우 초기 투자비용이 많이 들고 생산단가가 높다는 단점이 있지만 초전도체를 이용하면 적은양의 전력만으로도 동일한 효과를 낼 수 있어서 경제성이 높아집니다.

초전도체의 기술 현황 및 응용 분야 소개

1. 초전도체의 기술현황 : 초전도체는 매우 낮은 온도에서 전기 저항이 사라지는 재료로, 반도체와는 달리 전압이나 전류의 흐름에 대한 손실이 거의 없습니다. 이러한 특성으로 인해 초전도체는 다양한 응용 분야에서 높은 성능을 발휘하고 있습니다.
   초전도체는 두 가지 유형으로 나뉩니다. 첫 번째로 Type I 초전도체는 낮은 온도에서만 초전도 상태를 나타내며, 대표적인 예로는 납이 있습니다. 두 번째로 Type II 초전도체는 비교적 높은 온도에서도 초전도 상태를 유지할 수 있으며, 대표적인 예로는 구리 산화물과 철 산화물입니다.초전도체의 온도에 따라 초전도 전기저항은 급격하게 변화하며, 영하 온도에서만 초전도 상태를 나타내는 Type I 초전도체와 몇몇 Type II 초전도체는 실용적인 응용 분야에 한계가 있었습니다. 그러나 새로운 초전도체의 개발로 인해 이러한 한계를 극복할 수 있는 가능성이 열린 상태입니다.
2. 초전도체의 응용 분야 : 초전도체는 고성능 컴퓨팅, 의료 이미징, 자기공명 영상, 가속기 등 다양한 분야에서 응용됩니다. 예를 들어, 고성능 컴퓨팅 분야에서는 초전도체를 이용한 양자 컴퓨터의 개발이 진행되고 있습니다. 양자 컴퓨터는 초전도체의 양자 효과를 이용하여 복잡한 연산을 동시에 처리하는 능력을 가지고 있습니다.
   
   또한, 의료 이미징 및 자기공명 영상 분야에서는 초전도자기공명이 널리 사용되고 있습니다. 초전도 링쿠판더를 사용하여 강한 자기장을 생성하고, 해당 자기장이 인체에 가해지는 영향을 감소시키는 것이 가능합니다. 이러한 초전도체 기술은 정확한 진단과 치료를 위한 의료 기기의 개발에 큰 기여를 하고 있습니다.
   그 외에도 초전도체는 가속기, 전력 전송 시스템, 냉각 장치 등 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다. 최근 연구에서는 초전도체의 온도를 상승시켜 저온 유지가 필요하지 않은 초전도체의 개발에 관심이 쏠리고 있으며, 향후에는 높은 전류 용량과 적은 자기장 손실을 갖춘 초전도체의 개발이 기대됩니다.

추가로 알면 도움되는 정보

1. 초전도체의 저온 요구 사항을 해결하기 위해 연구가 진행되고 있으며, 높은 온도에서도 안정적인 초전도 상태를 유지할 수 있는 초전도체의 개발이 필요합니다.
2. 초전도체는 자기장을 생성하는 능력도 가지고 있어 자기장 센서 및 자기 저장 장치에도 응용될 수 있습니다.
3. 초전도체는 전기 저항이 없기 때문에 전류가 흐를 때 발생하는 열에 대한 손실이 없습니다. 따라서, 초전도체를 사용하여 전력 전송 시스템의 효율을 높일 수 있습니다.
4. 초전도체의 응용 분야 중 하나로 초전도자기 공명(magnetic resonance imaging, MRI)이 있습니다. 이는 자기장을 이용하여 인체 내부의 영상을 생성하는 기술로, 의료 진단에 많이 사용됩니다.
5. 현재 초전도체의 소재로는 Nb-Ti, Nb3Sn, MgB2 등이 널리 사용되며, 향후에는 비저온 조건이 필요하지 않은 높은 온도에서도 초전도 상태를 나타내는 재료의 개발이 큰 관심사입니다.

놓칠 수 있는 내용 정리

• 초전도체는 낮은 온도에서만 초전도 상태를 나타내는 제한적인 재료가 많이 사용되지만, 새로운 초전도체의 개발로 이러한 한계를 극복하는 가능성이 열리고 있습니다.
• 초전도체는 고성능 컴퓨팅, 의료 이미징, 자기공명 영상, 가속기 등 다양한 분야에서 응용되고 있으며, 향후에는 초전도체의 온도를 상승시켜 저온 유지가 필요하지 않은 초전도체의 개발이 기대됩니다.