초전도 현상과 초전도체

목차

초전도 현상의 예시 : 영화 "아바타" 천공의 섬
초전도 현상이란?
초전도체란?
초전도체의 발현 조건
초전도 현상의 적용 예시

 

 

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초전도 현상의 예시 : 영화 "아바타" 천공의 섬

 

초전도 현상을 영화의 아이디어로 이용한 예는 많다. 많은 사람들은 영화 아바타의 공중섬에 그 대표적인 예시이다. 영화상에 공중에 떠있는 섬이 바로 초전도체 물질로 영화 속 인간과 나비족이 다투게 되는 계기가 되는 물질을 포함하고 있다. 이 물질이 바로 상온(인간이 주로 생활하는 온도)에서 초도전 현상을 나타내는 상온 초전도체 물질이다. 초전도 현상에 대해 먼저 알아보겠다. 

 

아바타 공중섬 (출처 : 네이버 영화)

 

초전도 현상이란?

 

초전도 현상이란 어떤 금속, 합금, 반도체 또는 유기화합물 등을 낮은 온도로 냉각시킬 때 발생한다. 온도가 낮아질수록 금속의 전기적인 저항이 점점 줄어든다. 임계온도(Critical temperature)라고 부르는 어떠한 온도 이하가 되면 전기 저항이 갑자기 없어진다. 그리고 외부 자기장과 반대방향의 자기장의 형상하는 반자성(diamagnetism)이 나타나게 된다. 

초전도 현상이 일어나는 물질을 초전도체(Superconductor)라고 부른다. 

초전도 현상 : 출처 나무위키

 

초전도체란?

 

초전도체는 대표적으로 두 가지 특징을 가지고 있다. 첫 번째는 임계온도 이하에서 전기저항이 0이 되는 현상이다. 전기저항이 0이 되면 교류 전류에서는 손실이 발생하지만, 직류전류에서는 전기저항이 0이 된다. 두 번째는 마이스너 효과(Meissner Effect)이다. 마이스너 효과는 물질이 초전도 상태로 바뀌면 물질 내부에 있던 자기장이 외부로 밀려나는 현상이다. 초전도체에서는 물질 내부에 자기장의 침투가 불가능하며 이것은 위에서 언급한 반자성과 관련 있다. 

 

마이스너 효과 : 출처 위키피디아

 

 

초전도체의 발현 조건

 

초전도체는 온도만 낮아진다고 생성되지는 않는다. 임계온도이하로 낮추어야 하지만, 전류와 자기장도 특정한 임계값 이하로 유지되어 야 한다. 이러한 값은 임계온도(Tc), 임계전류밀도(Jc), 임계자기장(Hc)라고 부른다. 초전도체는 이 세 가지의 임계값 이내의 조건에서만 발현된다. 그리고 이러한 조건의 범위를 시각화하여 보여주는 것을 초전도 돔(Superconducting Dome)이라고 부른다. 

초전도 돔 : 출처 나무위키

 

인간에게 좋은 초전도 물질이란, 이러한 돔(Dome)의 범위가 넓은 물질을 의미한다. 돔의 내부로 갈수록 초전도 현상은 강하며, 외곽으로 갈수록 초전도 현상은 약해진다. 

 

초전도 현상의 적용 예시

 

초전도체는 자기장을 차단하는 특성으로 인해 자석 위에서 떠 있게 되는 마이스너 효과와 전류가 0이 되는 효과를 이용하여 다양한 상황에 적용할 수 있게 된다.

 

LS전선(https://www.lscns.co.kr/)의 초전도 케이블의 경우, 일반적인 구리선에서 발생하는 전력 전송에 대한 손실이 전혀 발생하지 않아 대량의 전력을 손실 없이 자장 또는 전송이 가능하다. 

그림출처 : ls전선 홈페이지

 

한국철도연구원은 자기 부상 열차의 일종인 하이퍼튜브를 개발하고 있다. 일론 머스크의 하이퍼루프도 비슷한 기술이며, 마이스너 효과를 이용하여 열차를 공중에 띄워 초고속으로 운전이 가능하게 하는 기술이다. 

하이퍼루프(그림출처 : 위키피디아)

 

일상에서 가장 가까운 경우는 의료 검사의 하나이며, MRI 알려진 자기 공명영상 장치이다. 초전도체를 이용한 강력한 자기장을 이용하여 우리 몸의 내부를 확인할 수 있는 장치이다.

자기공명영상 장치(그림출처 : 위키피디아)

 

이 이외에서 많은 사례가 있다. 백 투더 퓨쳐라는 영화에 나왔어 공중에 떠있는 호버보드를 만들 수 있으며, 핵융합 장치에서 강력한 자석을 이용하여 고온의 물질을 공중에 띄우는 역할을 할 수도 있다. 그리고 양자컴퓨터에서도 극저온의 초전도체 도입의 필수적이다. 게다가 집적회로에서 발열을 개선하므로 컴퓨터 분야에서도 크게 활용될 수 있다. 

 

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초전도체는 현대 기술분야에서 중요한 역할을 하고 있다. 초전도 기술의 발달은 인류의 문명을 크게 바꾸어 놓을 수 있을 것이다.

 

참고글 - [Learn/과학공학기술] - 초전도 현상의 메커니즘(Mechanism)

초전도 현상의 메커니즘(Mechanism)