초전도체(Superconductor)

초전도체(Superconductor)

초전초체 LK-99 사진=연합뉴스

초전도체는 전기 저항이 0이고 특정 임계 온도 이하로 냉각되면 자기장을 방출하는 물질을 말한다. 초전도성으로 알려진 이 현상은 어떠한 에너지 손실이나 열 발생 없이 전류의 흐름을 허용한다. 초전도체는 자기 부상(Maglev) 열차, MRI 기계와 같은 의료 영상 장치 및 고성능 전자 장치를 포함하여 광범위한 적용 가능한 분야를 가지고 있다. 그러나 일반적으로 초전도 상태를 유지하려면 매우 낮은 온도가 필요하므로 일상적인 응용 분야에서 사용하기가 더 어렵습니다. 그럼에도 불구하고 상온에서 유지되는 초전도체가 개발된다면 미래에 다양한 분야에서 획기적으로 기술의 진보를 가져다줄 가능성이 있는 흥미로운 분야이다.

 

초전도체는 특별한 전기적 특성을 나타내는 매혹적인 종류의 물질다. 특정 임계 온도(Tc) 아래로 냉각되면 이러한 물질은 극적인 변형을 겪어 모든 전기 저항을 잃고 에너지 손실 없이 전류가 흐르게 한다. 초전도성으로 알려진 이 현상은 1911년 네덜란드의 물리학자 하이케 카메를링 오네스(Heike Kamerlingh Onnes)가 극도로 낮은 온도에서 수은의 전기 저항이 사라지는 것을 관찰하면서 처음 발견되었다.

 

초전도체는 자기장에 대한 반응에 따라 유형 I 및 유형 II 초전도체의 두 가지 주요 유형으로 크게 분류할 수 있다.

 

유형 I 초전도체(Type I Superconductors): 유형 I 초전도체는 임계 온도 이하로 냉각될 때 내부에서 자기장이 완전히 방출되는 것이 특징이다. 이 행동은 마이스너 효과로 설명되며, 초전도체가 외부 자기장에 정확히 반대되는 자기장을 생성하는 초전류를 생성한다. 그 결과 초전도체에서 자기력선이 배제되어 자석 위에서 부상하게 된다(반자기 부상).

유형 I 초전도체는 일반적으로 행동이 단순하지만 임계 자기장(Hc)에 관해서는 제한이 있다. Hc는 초전도 상태를 유지하면서 견딜 수 있는 자기장의 최대 강도를 말한다.

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유형 II 초전도체(Type II Superconductors): 반면에 유형 II 초전도체는 자기장에 대한 반응과 관련하여 더 복잡한 행동을 나타낸다. 자기장이 내부로 부분적으로 침투할 수 있다. 이 초전도체는 2개의 임계 자기장을 가지고 있다. 상부 임계 자기장(Hc2)은 초전도 상태를 완전히 상실하며, 하부 임계 자기장(Hc1)은 초전도체가 자기장의 완전한 방출에서 부분 침투로 전환된다.

유형 II 초전도체는 임계 자기장이 더 높기 때문에 더 강한 자기장을 처리해야 하는 응용 분야에 더 적합하다. 이들은 일반적으로 자기 공명 영상(MRI) 장치, 입자 가속기 및 핵융합 연구의 자기 구속과 같은 응용 분야를 위한 강력한 자석에 사용된다.

 

초전도체 작업에서 가장 중요한 문제 중 하나는 초전도 상태를 유지하기 위해 극도로 낮은 온도를 유지해야 한다는 것이다. 기존의 많은 초전도체는 액체 헬륨으로 냉각해야 하므로 실제 구현이 복잡하고 비용이 많이 든다. 그러나 연구자들은 기존 초전도체보다 훨씬 높은 온도에서 초전도 특성을 유지할 수 있는 고온 초전도체(HTS)를 적극적으로 연구해 왔다.

 

고온 초전도체는 일반적으로 이트륨, 바륨, 구리 및 산소와 같은 원소를 포함하는 세라믹 재료를 기반으로 한다. 1980년대 후반에 이러한 HTS 재료의 발견은 초전도체의 보다 실용적이고 접근 가능한 응용 분야에 대한 가능성을 제공했기 때문에 획기적인 것이었다. 그러나 최근 고려대 한 연구소에서 상온 초전도체(LK-99) 개발이라는 이슈로 세계가 떠들썩하고 이를 검증하기 위해 분주하다.