초전도체(Superconductor) 마이스너효과 및 활용분야

1. 초전도체(Superconductor)란?

초전도체는 특정한 조건 하에서 전기 저항이 없거나 거의 없는 물질을 말합니다. 이런 물질들은 일정 온도 이하에서 특별한 상태로 전이되면, 전기 전류가 자유롭게 흐르는 현상인 초전도를 나타냅니다.
초전도 현상은 1911년 영국의 연구자 헤일로우스 리처드스에서 처음 관찰되었으며, 이후 1957년에는 상온에서도 동작하는 초전도체가 처음으로 발견되기도 했습니다. 이런 물질들은 매우 낮은 온도에서만 초전도 상태가 나타나기 때문에, 이를 위해 특수한 냉각 장치가 필요합니다.
초전도체는 전기 에너지를 효율적으로 전달하고 저장할 수 있는 잠재력을 가지고 있기 때문에 다양한 응용 분야에서 활용되고 있습니다. 그 중에서도 자기 공명 이미징 (MRI) 장비나 가속기, 전력 전송 시스템, 손실 없는 전기 케이블 등의 분야에서 주로 활용됩니다.
초전도체의 특성을 연구하고 활용하는 분야는 물리학, 공학, 재료 과학 등 다양한 분야에 걸쳐 있으며, 점차 새로운 초전도체 소재의 발견과 기술의 발전으로 그 활용 범위가 더욱 확장될 것으로 기대됩니다.

2. 초전도체의 역사

1911년(헤일로우스 리처드스의 발견) - 영국의 연구자 헤일로우스 리처드스는 수은을 매우 낮은 온도까지 냉각한 후, 전류를 통한 실험을 진행하면 전기 저항이 사라지는 현상을 발견했습니다. 이는 초전도 현상의 첫 관찰이었습니다.
1933년(마그너스 올세른의 역학 이론) - 스웨덴의 물리학자 마그너스 올세른은 초전도 현상을 설명하기 위해 '올세른-페렐스' 역학 이론을 개발했습니다. 이 이론은 초전도체 내의 전자와 결정 격자의 상호작용을 설명하며, 초전도 상태의 형성 원리를 이해하는 데 도움을 주었습니다.
1957년(영산 미츠오의 합금 초전도체 발견) - 일본의 연구자인 영산 미츠오는 Nb3Sn 합금이 매우 낮은 온도에서 초전도 상태를 나타내는 것을 발견했습니다. 이것은 첫 번째로 상온에서 동작하지 않는 초전도체가 발견된 사례였습니다.
1986년(YBCO 초전도체의 발견) - 미국의 연구팀이 이스라엘과 함께 이산화 이트륨-바륨-구리산화물 (YBCO) 물질이 높은 온도에서 초전도 상태를 나타내는 것을 발견했습니다. 이것은 초전도체의 연구 분야를 크게 바꾸는 엄청난 발견으로, 고온 초전도체의 개념이 처음으로 소개되었습니다.
2023년(LK-99 상온 초전도체) - LK-99는 상온 초전도체로 추정되는 물질로, 겉으로 보기에는 회흑색을 띤다.LK-99는 납-인회석 구조에 소량의 구리가 도핑된 변형된 육방정계 구조를 가지고 있다. 이 물질은 고려대학교의 이석배, 김지훈 연구팀이 처음으로 발견하고 제조했다. 연구팀은 LK-99가 상압 400K(127도)이하의 온도 환경에서 초전도체의 성질을 보인다고 주장한다. 해당 물질에 대한 검증이 세계 각국에서 수행하고 있다.

3. 초전도체 구성광물

Copper (Cu) - 구리는 대부분의 초전도체에서 중요한 구성 요소로 사용됩니다. Cu-O 결합이 초전도체 내에서 중요한 역할을 합니다.
Oxygen (O) - 산소는 대부분의 초전도체에서 구리와 결합하여 Cu-O 결합을 형성하며, 초전도 특성을 결정하는 중요한 역할을 합니다.
Bismuth (Bi) - 비스무트는 일부 초전도체 소재의 구성 요소로 사용됩니다. 비스무트를 포함한 화합물은 초전도체 소재로 연구되기도 합니다.
Strontium (Sr), Calcium (Ca), Barium (Ba) - 이러한 알칼리토 금속들은 대표적인 고온 초전도체인 구리 산화물과 결합하여 이트륨 바륨 구리산화물(YBCO)과 같은 구조를 형성합니다.
Iron (Fe) - 철은 철 파이닉타이드라고 불리는 초전도체 소재의 중요한 구성 요소로 사용됩니다.
Magnesium (Mg) - 마그네슘 디보라이드(MgB2)는 마그네슘과 보륨으로 이루어진 초전도체로, 비교적 높은 전이온도를 가집니다.

4. 초전도체 마이스너효과(Meissner effect)

마이스너 효과(Meissner effect), 또는 마이스너-옥스펜펠트 효과(Meissner-Ochsenfeld effect)는 초전도체가 임계 온도 아래로 냉각되어 초전도 상태로 전이될 때, 내부로부터 거의 모든 자기장을 배출하는 현상을 가리킵니다. 이 효과는 1933년에 물리학자 발터 마이스너(Walther Meissner)와 로버트 옥스펜펠트(Robert Ochsenfeld)에 의해 발견되었습니다.
초전도체가 임계 온도 아래로 냉각되면 전이를 통해 전자들이 쿠퍼 쌍을 형성하고 저항 없이 움직이게 됩니다. 이 상변화의 결과로 초전도체는 비자성(diamagnetic)이 되어 자기장을 밀어내는 성질을 가지게 됩니다. 따라서 외부 자기장이 초전도체에 가해지면, 자기장의 선들이 물질 내부에서 배출됩니다. 이러한 자기장의 배출 현상이 바로 마이스너 효과입니다.
마이스너 효과는 특히 초전도체 위에 놓인 자석이 부상하는 현상을 보여주는데, 자기장 선들이 밀려 자석과 초전도체 사이에 반발력이 작용하여 자석이 중력을 이기고 공중에 떠오르는 현상이 나타납니다. 이러한 부상 현상은 교통 수단 및 자기 부상열차(maglev) 등에서 활용됩니다.
마이스너 효과는 초전도체의 기본 특성으로, 자기장을 포함하는 강한 자기장을 다루는 기술에서 특히 중요한 역할을 합니다. 이는 자기 공명 영상(MRI) 장비나 입자 가속기와 같은 분야에서 중요한 응용을 갖습니다.

5. 초전도체 임계온도(전이온도)

초전도체의 임계온도(Critical temperature)는 해당 물질이 초전도 상태로 변화하는 온도를 의미합니다. 초전도체는 일반적으로 특정 온도 이하에서만 초전도 상태가 나타나며, 이 온도를 임계온도라고 합니다. 초전도 상태로의 전이는 해당 물질의 전자의 상호작용이 변화하고, 전자들이 쌍을 지어 움직이며 전류가 저항 없이 흐르게 되는 상태를 나타냅니다.
다양한 초전도체 소재가 다른 임계온도를 가지며, 임계온도는 물질의 구조, 화학 조성, 결정 구조 등에 의해 크게 영향을 받습니다. 일반적으로, 낮은 온도에서의 초전도체는 "저온 초전도체"로 분류되며, 이러한 물질들은 매우 낮은 온도에서 초전도 상태를 나타냅니다. 그러나 최근에는 고온 초전도체라고 불리는 물질들도 발견되어 더 높은 온도에서도 초전도 상태가 나타나는 것이 관측되었습니다.
일반적으로 초전도체의 임계온도는 켈빈(Kelvin) 온도 스케일로 표현됩니다. 낮은 온도에서의 초전도체의 임계온도는 몇 켈빈 이하일 수 있으며, 고온 초전도체의 경우에도 몇 십 켈빈 이상의 온도에서도 초전도 상태가 나타날 수 있습니다. 이러한 높은 온도 초전도체의 발견은 초전도체의 응용 범위를 확장시키는 데 중요한 역할을 하였습니다.

초전도체의 임계 온도를 발견 연도에 따라 정리한 그래프. 가로축은 연도를, 세로축은 온도를 나타낸다. 오른쪽 맨 위 ‘Room T’라고 적힌 선이 ‘상온’을 나타낸다. 2020년에 발견됐다고 표시된 CSHx는 재현이 불가능하다는 이유로 지난해 네이처에서 논문이 철회됐다. (출처 : PJRayderivative, B. Jankuloski, Wikimedia Commons)

6. 초전도체 활용분야

에너지 효율 및 저장 - 초전도체를 이용한 고효율 전력 전송 및 저장 기술은 전력 손실을 최소화하고 대규모 전력 네트워크의 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 이는 지속 가능한 에너지 시스템 구축에 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다.
첨단 의료 기술 - 초전도체를 이용한 자기 공명 이미징 기술의 발전은 의료 진단 분야에서 혁신을 가져올 것으로 기대됩니다. 더 나은 해상도와 이미지 품질을 제공하면서 환자의 안전성을 높일 수 있습니다.
운송 분야 혁신 - 초전도자석을 활용한 고속 자기열차는 기존 교통 수단보다 빠른 속도와 더 낮은 에너지 소비를 실현할 수 있습니다. 이를 통해 도시 간 이동의 효율성과 편의성을 증가시킬 수 있습니다.
항공우주 분야의 혁신 - 초전도체의 경량성과 높은 효율성은 항공기와 우주 탐사 장치의 성능을 향상시키는 데 활용될 수 있습니다. 더 높은 속도와 더 큰 높이에서의 운영이 가능해질 것입니다.
정보 기술 발전 - 초전도체를 활용한 미니어처화된 초전기장치나 초전도 논리 회로 등이 개발되면서 더 빠른 정보처리와 컴퓨팅 기술 발전이 가능할 것입니다.
환경 친화적 기술 - 초전도체를 활용한 새로운 에너지 저장 시스템이나 깊은 해저 케이블을 통한 재생 에너지의 효율적인 전송 등은 환경 친화적 기술 발전에 기여할 것입니다.
재료 연구 및 혁신 - 높은 온도에서 작동하는 고온 초전도체 소재의 발견과 개발로써 초전도체의 사용 가능 온도 범위가 확장될 것이며, 이는 새로운 응용 분야의 개척을 뒷받침할 것입니다.

7. 초전도체 관련 미국기업

American Superconductor Corporation (AMSC) - AMSC는 초전도체 및 에너지 전송 기술에 특화된 회사로, 에너지 저장 시스템, 전력 전송 및 제어 솔루션, 초전도체 소재 등을 개발하고 판매하고 있습니다.
Superconductor Technologies Inc. (STI) - STI는 초전도체 관련 장비와 소재를 개발하는 회사로, 초전도체 케이블, 냉각 시스템, 무선 통신 기술 등을 연구하고 제공하고 있습니다.
Columbus Superconductors - 이 회사는 초전도체 소재 및 응용 분야에 특화된 이탈리아의 기업으로, 미국에서도 활발한 활동을 하고 있습니다. 에너지 전송 및 분배, 자기 공명 이미징, 고에너지 물리학 연구 등에서 초전도체 기술을 활용합니다.
Hyper Tech Research Inc. - 초전도체 소재와 관련한 연구 및 제조 분야에서 활동하는 회사 중 하나로, 초전도체 소재의 개발과 고온 초전도체의 연구 등을 수행합니다.
SuperPower Inc. - 초전도체 기술을 활용한 전력 전송 및 저장 시스템 개발에 특화된 회사로, 초전도체 전력 케이블 및 기타 응용 분야에서의 솔루션을 제공합니다.