<초전도체의 특징>
앞에서 초전도체에 대해 설명했지만 다소 어려운 면이 있는 것은 사실이다. 그러므로 초전도체의 특성이 무엇이냐는 질문에 학자들은 수많은 특징 중 다음 세 가지를 가장 큰 성질로 제시한다. 앞의 설명을 참조하여 이해하기 바란다.
① 전기저항 0
초전도체의 기본은 직류 전류저항이 0이라는 점이다.
물론 초전도 상태를 만들기 위해서는 온도만 내려주는 것이 아니라 여러 가지가 충족되어야한다.우선 온도가 임계 온도(Tc)보다 낮아야 한다. 또한 자기장이 임계 자기장(Hc)보다 낮아야 하며 전류가 임계 전류(Jc)보다 낮아야 한다. 물론 여기에 도핑레벨이나 압력 등 양자 페이즈 변이에 해당하는 파라미터들도 있다.
그런데 임계온도의 바로 밑에서는 조금의 자기장이나 전류로도 쉽게 초전도 현상이 사라진다. 반대로 0 K에 가까이 갈수록 비교적 강한 자기장이나 강한 전류에도 잘 버틴다. 따라서 고온초전도체는 고온에서 초전도현상이 나타난다는 의미도 있지만 더 많은 전류를 흘려 보낼 수 있다는 의미도 된다.
② 교류손실
일반적으로 초전도 선재는 전기저항이 ‘0’이지만, 이는 직류에서 사용되는 전력 기기에 한정된다. 우리가 사용하는 보통의 전력 기기는 교류 상태에서 작동하며, 이때 초전도 선재에는 수송전류에 의한 자기자계의 시간적인 변화로 핀 중심이 이동하고, 이로 인해 마찰저항인 열손실인 전력손실 즉 교류손실이 발생한다.
이와 같은 교류손실은 구리와 같은 상전도체의 경우에 비해 1/1000 정도로 작은 양이지만 초전도체는 극저온의 액체질소나 헬륨과 같은 냉매를 사용하기 때문에 작은 양의 손실이라 할지라도 경제성에 큰 영향을 미친다. 그 이유는 열 손실로 인해 기화된 냉매를 다시 냉각하여 액체로 만들기 위해서는 수십 배의 에너지가 필요하기 때문이다.
③ 마이스너 효과
전기저항이 ‘0’이라는 것만 초전도체의 특성은 아니다.
전기저항이 존재하지 않는다는 점에서는 초전도체를 완전도체(Perfect conductor)의 일종으로 볼 수 있지만 이 둘은 명확히 구분된다. 특히 마이스너 효과는 초전도체에서만 관측된다.
전자기장을 매개하는 광자(photon)가 평소에는 질량이 없으나 초전도체 내부에서 자발적 대칭성 붕괴(Spontaneous symmetry breaking)가 일어나서 전자들이 쿠퍼쌍을 이루게 되면 광자가 질량을 갖게된다. 입자 물리에서 이야기하는 힉스 메커니즘 때문이다.
④ 자기 선속 양자화(Magnetic Flux Quantization)
초전도체는 일반적으로 1종 초전도체와 2종 초전도체로 나뉘는데 두 종류의 초전도체 모두 물질에 따라 다른 어떤 세기 이상의 자기장 (임계 자기장)에 노출되면 초전도성을 잃게 된다. 다만 2종 초전도체는 이 상부 임계보다는 작고 하부 임계 자기장보다는 큰 자기장에서 물질 전체가 초전도성을 잃는 대신 자기선속 다발이 초전도체를 뚫고 지나가는 현상 즉 자기 침투가 먼저 발생한다. 이 때 초전도체를 지나가는 자기장의 흐름의 양(Magnetic Flux)이 자기선속양자(Magnetic Flux Quantum)라는 값의 정수배로 제한되며 이것을 자기장 선속 양자화라 한다. 말 그대로 양자화가 되어버리는 현상이다.
자기장 선속이 양자화되어도, 자석에서 거리에 따른 자기장의 선속은 연속적인 값을 가진다. 이 때문에 자석이 초전도체와 가까이 있는 상황에서 그 자석과 초전도체의 상대적인 위치가 고정된다. 자석을 옮겨 초전도체를 통과하는 자기장 선속을 바꾸려고 하면, 초전도체를 관통하는 자기선속은 자기선속양자의 정수배로 유지가 되어야 하기 때문에 초전도체를 고정한 채로는 자석을 옮길 수가 없다. 한마디로 옮기려면 에너지가 필요하며 초전도체를 관통하는 총 자속이 클수록 필요한 에너지도 커진다.
<무한한 가능성을 갖고 있는 초전도체의 응용>
초전도에 대해 많은 학자들이 총력을 경주하는 것은 이들의 활용 분야가 상상할 수 없을 정도로 많기 때문이다. 초전도체가 얼마나 많은 분야에 활용될 수 있는지 살펴본다.
① 전기 분야
초전도체로 가장 혜택을 받을 분야는 전기 분야이다.
초전도체를 이용하면 대용량 발전기의 제작이 가능하고 전기의 수송은 물론 전기의 최대 난점인 저장 문제(SMES)를 획기적으로 해결할 수 있다.
일반 물질에 낮은 온도를 주었을 때 초전도체로 만든다면 여러 가지 잇점이 나타난다는 것이 핵심인데 간단하게 말하여 양철이나 알루미늄을 초전도체로 만들어 폐쇄 회로 안에 가둔다면 전류의 손실을 최소화시킬 수 있다는 점이다.
전력 수송용으로 실용화된다면 현재의 산업 환경을 획기적으로 바꿀 수 있다.
현재 원거리 전력 송신에 필연적으로 발생하는 전력 손실분을 ‘0’으로 만들 수 있으며, 전선 하나로 보낼 수 있는 전력이 크게 증가하고, 전력 손실을 줄이기 위한 전력 승압이 필요 없어 고압선 감전 위험을 최소화하는 등 다양한 활용이 가능하다.
1980년도에 영하 196도로 유지되는 세라믹고온초전도체인 HTS케이블이 실용화되었는데 이는 간단하게 말해 케이블에 핵화질소를 채운 것이다. 또한 SMES는 영구 전류 모드로 만들어 초전도 코일에 계속 전류가 흘러가도록 하여 전기에너지를 저장토록 하는 시스템으로 일종의 ‘전기 통조림’이다. 1MWh 규모의 SMES는 이미 실용화되어 있는데 현재 미국 일부 지역에서 가동 중인 결과에 의하면 기존 시설보다 3∼5배의 전류를 송전할 수 있어 차후 대부분의 전력 송전시설이 이 시스템을 사용할 것으로 추정한다.
② 강한 자기장
실무적으로 강한 자기장이 필요한 곳은 많이 있다.
전자석은 강한 자기장을 만들 수 있지만 이때 도선의 저항 때문에 발생하는 열을 피할 수 없다는 점이다. 열은 I^2R로 전류의 제곱과 저항에 비례한다. 자기장을 2배로 하기 위해 전류를 2배하면 발생하는 열은 4배가 된다는 뜻인데 이 때문에 열로 소비되는 만큼 전력이 낭비되고 이 열을 식히기 위한 냉각 시설에도 많은 비용이 들어간다.
그러나 초전도체는 저항이 0이므로 열을 내지 않는다는 장점이 있다. 지름 4센티미터인 코일에서 15테슬라의 자기장을 만들려면 약 5,000킬로와트의 엄청난 전력이 필요하지만 초전도체 자석을 쓰며 4.2킬로와트만으로도 가능하다. 자기력의 단위로 1테슬라는 지구 자기장의 10,000배이다.
③ 전력기구의 소형화
초전도체는 전력기구의 에너지 절약이나 소형, 경량화도 가능하게 한다. 또한 기초과학용으로 사용되는 입자 가속기에 사용됨은 물론 우주망원경도 망원경을 작동시킬 때 발생하는 열이 망원경의 시각을 흐리게 할 수 있기 때문에 극저온 상태가 되도록 만드는 것이 관건이며 현재 우주공간에 세워질 것으로 추정되는 우주태양광발전소의 경우도 초전도 케이블을 사용할 예정이다.
④ 의료부문
현재 초전도체가 가장 활발하게 사용되는 곳이 의료분야이다.
뇌의 진찰에 진가를 발휘하고 있는 MRI는 초전도자석의 자기공명현상(Magnetic Resonance Imaging: MRI)을 이용하는 것이다. 이 방법을 사용하면 뇌를 절개하여 내부를 직접 관찰하지도 않아도 되는데 그동안 방사능 문제를 야기한 X-선을 사용하지도 않아도 된다.
그런데 MRI는 강력한 자석을 필요로 하므로 이를 위해 초전도 전선에 강력한 전류를 흘리는 전자석을 사용한다. MRI 이용 요금이 비싼 이유는 MRI 구동시 필요한 액체 헬륨 값이 비싸기 때문이다. 세계의 헬륨 생산은 미국이 독점하기 때문으로 학자들은 최소한 액체질소를 냉매로 사용한다면 매우 저렴한 가격으로 MRI를 가동시킬 수 있을 것으로 생각한다. MRI의 후속인 NMR, PET도 초전도체를 사용한다.
⑤ 교통분야 혁신
학자들의 꿈은 상온에서 가동되는 세라믹 초전도체를 개발하는 것이다.
이 재료로 타일을 만들어 고속도로를 포장하고, 자동차 차체에 부상용 초전도 코일과 구동용 리니어 모터를 탑재하면 자동차가 부상하여 운전자가 가고자 하는 곳으로 갈 수 있다. 소음과 진동이 없어지는 것은 물론 노면 마찰로 인한 분진 공해도 없어진다.
이미 자기부상열차가 주행하고 하이퍼루프 등이 될 것으로 예상되어 미래의 교통은 현재와 현저히 달라질 것으로 생각한다.
⑥ 슈퍼컴퓨터
반도체 소자의 발달로 그동안 기하급수적으로 집적도가 높아졌지만 빠른 속도를 원할수록 이에 따라 소모되는 전력 즉 열발생 제거가 관건이다.
이 문제는 초전도디지털소자가 해결할 수 있다. 초전도 수퍼컴퓨터는 초당 1,000조번의 수학 연산을 할 수 있다. 기존 반도체로 이런 컴퓨터를 개발할 경우 5만〜10만 개의 2〜3.5GHz 프로세서가 필요하다. 초전도 디지털회로는 1초에 약 1조번 진동함을 뜻하는 7백70GH로 작동되므로 현재 슈퍼컴퓨터에 비해 약 1,000배의 성능을 갖는 초특급슈퍼컴퓨터의 개발이 불가능한 것은 아니라고 주장한다. 이 경우 탁상형 슈퍼컴퓨터가 가능하다.
⑦ 초전도 전자추진선
학자들이 기대하는 것은 초전도 전자추진선이다.
종래의 선박은 프로펠러와 같은 구동부를 사용해야하는데 신개념의 선박은 추진기에서 발생하는 진동이나 소음이 전혀 없다. 더구나 추진력의 응답성이 높아 힘의 방향을 순간적으로 변환시킬 수 있고 제어하기도 쉬우므로 군함에 사용될 수 있다.
미국은 ‘DD21프로젝트’로 시뮬레이션한 결과 군함을 운전할 수 있을 정도의 33,500마력급 전동기를 고온초전도화 했을 경우 구리도체 전동기에 비해 부피는 1/5, 중량은 1/3으로 감소시킬 수 있다고 알려진다. 이 말은 기존 시스템이 차지하는 공간에 3개를 설치할 수 있으므로 기동성도 월등히 증가한다.
⑧ 위성통신
고온초전도체로 제작되는 공진기는 일반금속보다도 10〜1,000배의 큰 Q-factor를 가지는데다 고주파 영역에서 작은 크기로 큰 효율을 보이므로 위성통신의 채널(channel)을 크게 증가시킬 수 있다. 현재 지구통신국 사이에 고온초전도체를 사용한 마이크로파 장치가 도입되고 있는데 근간 고온초전도체가 이 부분에서 세계 시장을 석권할 것으로 추정한다.
⑨ 보안처리
초전도는 보안면에서도 획기적인 성능을 보장한다. 보통의 전파를 이용한 위성간의 통신은 전리층을 뚫고 들어오므로 지상에서 도청이 가능하다. 그러나 초전도를 응용한 전파는 전리층을 뚫지 못하므로 지상에서 염탐하는 것이 불가능하다. 초전도를 이용하면 테라(10^12)Hz의 주파수 영역까지 이용할 수 있는데 재래식 금속의 경우 이 주파수에서는 열에 의해 녹아버린다.
⑩ 폐타이어 처리
어떤 물질을 초저온 상태에 두었을 때 물질의 특성이 변한다는 것은 매우 흥미로운 기술 도출이 가능하다는 것을 의미한다. 현재 전세계적으로 가장 골치 아픈 것이 폐타이어 처리이다. 매년 전 세계에서 몇 십억 개의 폐타이어가 나오는데 이들의 처리는 간단한 일이 아니다. 타이어는 고무와 철망이 촘촘하게 들어있어 이를 분리하는 것이 간단한 일이 아닌데다 태우는 것은 강력한 공해를 유발하기 때문이다.
학자들은 고무가 초저온이 되면 연성이 줄어드는 것에 착안하여 폐타이어를 영하 140도에서 180도 사이의 터널 안으로 통과하게 하면 손쉽게 분쇄할 수 있다는 것을 발견했다. 이 기술을 이용하면 철과 고무를 작은 조각으로 만들어 분리할 수 있고 여기에서 생산되는 폐자재로 활용할 수 있다.
⑪ 세척
학자들은 초저온의 활용방법으로 제시하는 것 중 흥미로운 것은 그림이나 고서적 등의 세척이다. 고가의 그림이나 고서적 등에 뭍은 얼룩이나 오염 물질을 원형을 손상시키지 않고 제거하는 것은 매우 어려운 일인데 영하 78도의 냉동이산화탄소 즉 드라이아이스 기체를 초속 180∼300미터 정도로 세척 대상에 분무하면 묶은 때를 깨끗이 제거할 수 있다는 것을 발견했다. 이는 드라이아이스가 묶은 때의 표면접착력을 상실케 만들어 곧바로 기체화로 만들 수 있기 때문이다. 이들 기술은 고미술품들뿐만 아니라 인간의 힘이 접촉하기 힘든 건축물을 완전히 세척하는데도 사용될 수 있을 것으로 예상한다.
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