초전도체에 대한 기본 개념 설명(LK-99)

물리학적인 개념을 가능한 한 간단히 설명해드리겠습니다.

초전도체는 특별한 물질로서, 전류를 흐르게 할 때 발생하는 저항이 없는 물질입니다. 우리가 일상적으로 사용하는 물질들은 전기를 통과할 때 항상 조금씩 저항을 가지고 있습니다. 하지만 초전도체는 전기가 흐를 때, 그 어떤 저항도 없이 전류가 계속 흐르게 되는 특별한 물질입니다.

그런데 초전도체의 이 특별한 성질은 특정한 조건을 만족해야만 나타납니다. 그 중에서도 가장 중요한 조건은 온도입니다. 일반적으로 우리가 알고 있는 물질들은 상온에서도 동작하며, 저항도 가집니다. 하지만 초전도체는 매우 낮은 온도로 냉각해야만 이 특별한 특성이 나타납니다.

예를 들어, 일부 초전도체는 액체 헬륨의 온도인 약 마이너스 269도 섭씨 (약 마이너스 452도 화씨)까지 냉각되어야 그 특별한 성질을 보여줍니다. 이 온도까지 냉각하면 초전도체는 전기를 흘릴 때 저항이 없게 되어 전류가 무한히 흐르는 영속전류를 만들어낼 수 있습니다.

초전도체는 이러한 특성을 활용하여 다양한 분야에서 유용하게 쓰이고 있습니다. 예를 들어, 의학 분야에서 자기 공명 영상(MRI)과 같은 영상 기술에 사용되며, 전력 손실을 최소화하여 전기 전송 효율을 높이는 데에도 활용됩니다. 또한 높은 자기장을 생성하여 자기 부피를 줄여 실용적인 자기 부피를 확보하는데에도 활용되고 있습니다.

물리학에서 초전도체의 특징과 원리는 매우 흥미로운데, 아래의 내용을 추가로 설명하겠습니다.

영속전류 (Persistent Current): 초전도체가 일단 특정 온도 이하로 냉각되면, 전기 저항이 사라지기 때문에 전류가 흐르면 영원히 멈추지 않고 계속 흐릅니다. 이렇게 영속적으로 흐르는 전류를 영속전류라고 합니다. 초전도체가 영속전류를 유지하기 위해서는 계속 냉각 상태를 유지해야 합니다.
크리티컬 온도 (Critical Temperature): 초전도체가 특별한 특성을 보이기 위해서는 일정한 온도 이하에서만 동작해야 합니다. 이 온도를 크리티컬 온도 또는 전이 온도라고 합니다. 크리티컬 온도 이상에서는 초전도체의 특별한 특성이 사라지며, 일반적인 물질처럼 전기 저항을 가지게 됩니다.

Type I와 Type II 초전도체: 초전도체는 크게 Type I와 Type II로 분류됩니다. Type I 초전도체는 단일 크리티컬 온도를 가지며, 크리티컬 온도 이하에서 전기 저항이 급격하게 사라집니다. Type II 초전도체는 더욱 복잡한 구조를 가지며, 크리티컬 온도 이하에서도 자기장과 상호작용하여 전기 저항이 완전히 사라지지 않습니다. Type II 초전도체는 더 넓은 온도 범위에서 동작할 수 있고, 강력한 자기장 생성에 활용됩니다.
상태 변화와 메자 상태: 초전도체는 크리티컬 온도 이하에서 상태 변화를 겪습니다. 초전도체가 초전도 상태로 변하는 지점을 전이 온도라고 하며, 반대로 초전도 상태에서 일반 상태로 돌아오는 지점을 귀금속 상태로 변하는 지점을 역전이 온도라고 합니다. 이렇게 상태 변화를 겪을 때, 초전도체는 메자 상태라고 하는 현상을 보여줍니다. 메자 상태는 자기장을 분포시키는 특별한 방식으로 나타나며, 초전도체의 특이한 자기적 특성 중 하나입니다.

초전도체의 이러한 특성과 원리는 현대 과학과 기술에서 다양한 응용 분야에 활용되고 있습니다. 높은 전기 전송 효율을 위한 초전도 케이블, 강력한 자기장을 사용하는 자기 공명 기술, 대량의 에너지를 저장하는 초전도자기 저장 장치 등 다양한 분야에서 초전도체의 특징을 적용하여 혁신적인 기술과 제품이 개발되고 있습니다.

그럼 실온에서 초전도체는 가능한가?

 

현재로서는 초전도체가 실온(상온)에서 동작하는 것은 아직 가능하지 않습니다.

초전도체의 특성을 나타내는 크리티컬 온도(전이 온도)라고 불리는 온도는 각 초전도체에 따라 다양하지만, 대부분의 초전도체는 극저온 상태에서만 작동합니다. 일반적으로 액체 헬륨의 온도(약 -269°C 또는 -452°F) 이하로 냉각되어야만 초전도체가 전기 저항이 없는 상태로 동작하게 됩니다.

저온으로 냉각되는 것은 초전도체의 특성을 유지하기 위한 중요한 조건이며, 그렇지 않으면 초전도체는 일반적인 물질과 마찬가지로 전기 저항을 가지게 됩니다. 이러한 냉각에 대한 비용과 기술적인 어려움 때문에 실용적인 실온에서의 초전도체 적용은 현재까지는 어렵습니다.

현재까지 연구는 실온에서도 동작하는 초전도체 물질을 발견하거나 개발하는 방향으로 진행되고 있지만, 아직까지 실온에서 동작할 수 있는 초전도체를 찾지 못한 상태입니다. 초전도체가 실온에서 가능해진다면, 전력 전송과 저장, 자기 공명 영상(MRI), 컴퓨팅 등 다양한 분야에서 혁신적인 기술이 가능해질 수 있을 것으로 기대됩니다. 하지만 이러한 기술적 도전을 해결하기 위해서는 추가적인 연구와 기술의 발전이 필요합니다.

 

즉, 송전효율이 100% 올라가는 등, 전기료가 매우 저렴해지고 공학, 의학, 바이오산업 등 그냥 모든게 다 변한다고 보면 됩니다.
한마디로 세상이 뒤집어 집니다