초전도체 활용 분야 : 초전도 케이블
상온, 상압 초전도체 뉴스가 뜨겁습니다. 세상을 바꿀 기술이기 때문인데요. 초전도체 활용 분야를 살펴보며 세상이 어떻게 바뀔지 짐작해보시기 바랍니다. 이번 포스팅에서는 초전도체에 대한 기초 지식과 더불어 초전도체 활용 분야 1순위로 꼽히는 초전도 케이블에 대해 알아보겠습니다.
글의 순서
초전도 현상의 발견
극저온에서 일어나는 일들, 초전도체
초전도체 YBCO (이트륨 바륨 구리 산화물, Yttrium Barium Copper Oxide)
초전도체를 만들 수 있는 물질
초전도체 활용 분야 : 초전도 케이블
초전도 현상의 발견
네덜란드 과학자 카멜린 오네스(1853~1926)가 1911년에 초전도 현상을 발견했습니다. 수은을 절대 온도 4도, 섭씨로는 영하 269도까지 내렸을 때, 저항이 0인 초전도 상태가 되었습니다. 초전도 상태가 된 물질은 자기장을 밀어냅니다. 이 대목에서 우리는 초전도체가 영구자석 위에 붕 떠있는 현상을 볼 수 있습니다.
극저온에서 일어나는 일들, 초전도체
말랑말랑하던 바나나를 극저온 상태로 두면 깨지기 쉬운 상태로 되고, 떨어뜨렸을 때 유리가 깨지듯 깨집니다. 신기한데요. 이보다 더 신기한 일이 있습니다. 어떤 물질들은 극저온 상태가 되면 저항이 완전히 사라집니다. 전기가 통하는 물체를 전도체라고 하는데, 저항이 완전히 사라진 물체는 초전도체이거나 완전도체가 됩니다. 초전도체와 완전도체는 자기장을 밀어내는지의 여부에 따라 결정됩니다.
저항이 0인 완전도체 상태이면서 자기장까지 밀어내는 성질이 있다면, 그것은 초전도체입니다. 자기장을 밀어낸다는 것을 ‘반자성을 띠고 있다’라고 표현합니다. 초전도체를 영구자석 위에 놓은면 붕 뜨는 현상을 볼 수 있는데, 이는 초전도체가 자기장을 밀어내고 있기 때문입니다.
초전도체 YBCO (이트륨 바륨 구리 산화물, Yttrium Barium Copper Oxide)
YBCO라는 물질은 고온 산화물 초전도체입니다. 고온이라고 해서 뜨거운 것이 아니라, YBCO 가 나오기 이전의 초전도체에 비해 훨씬 높은 온도에서 초전도현상을 보인다는 의미입니다. YBCO의 경우 90K(섭씨 183도)에서 초전도성을 보이기 때문에, 77K(캘빈)인 액체 질소의 온도에서 초전도체로 만들 수 있습니다.
초전도체를 만들 수 있는 물질
초전도체를 만들 수 있는 물질은 금속, 세라믹, 유기물질 등에서 수백 종 이상이 발견되었습니다. 이런 물질을 조합해서 만든 초전도체는 이미 우리 일상에서 많이 사용되고 있습니다. 지난 포스팅에서 나왔던 물질들을 한 번 더 복습해보면 다음과 같습니다.
▶수은
▶수소화합물
▶란타늄, 바륨, 구리 산화물(Lanthanum barium copper oxide, LBCO)
▶이트륨 바륨 구리 산화물(Yttrium Barium Copper Oxide, YBCO)
▶비스무트, 스트론튬 칼슘 구리 산화물(BSCCO)
▶란타늄 수소 화합물
초전도체 활용 분야 : 초전도 케이블
도체는 전류가 흐르는 물체입니다. 거의 모든 도체는 전류의 흐름을 방해하는 저항이 있습니다. 전선이나 배터리처럼 전류가 흐를 때 열이 나는 이유는 저항이 열로 변환시켜서 소실시키기 때문입니다. 도체 중 완전도체나 초전도체는 저항이 없기 때문에 이런 에너지 손실이 없습니다.
초전도체 활용 분야 중 가장 먼저 생각해 볼 수 있는 것이 초전도 케이블입니다. 구리 전선과 다르게 에너지 손실 없이 전류를 흘릴 수 있기 때문에 같은 굵기라도 구리선보다 훨씬 많은 전력을 보낼 수 있습니다. 그래서 전선을 설치하는데 드는 토목 비용을 줄일 수 있습니다. 궁극적으로 송전 비용이 줄어들어서 전기 요금이 싸지는 효과를 얻을 수 있습니다.
현재 연구가 한창 진행 중인 초전도 케이블의 구조를 살펴보겠습니다. 가운데 구리심이 있습니다. 세라믹 성분의 초전도체가 여러 겹으로 구리심을 감쌉니다. 이런 선 세 가닥을 하나의 관으로 감쌉니다. 그 관 안을 액체 질소로 채웁니다. 마지막으로 진공 주름관으로 겉을 싸서 액체 질소의 온도를 유지시킬 수 있도록 합니다. 액체 질소 속에서 초전도 케이블은 초전도 성이 그대로 유지됩니다. 핵심은 액체 질소로 극저온 상태를 유지시켜주는데 있습니다.
세라믹 재질로 만들어진 초전도선의 저항을 상온에서 재보면 일반 구리선보다 더 큽니다. 세라믹의 저항이 크기 때문입니다. 그런데, 액체질소에 담궈서 온도를 영하 196도의 극저온으로 내려주면, 구리선의 저항도 떨어지지만 초전도선의 저항은 0이 되어버립니다. 초전도성을 띠게 되는 것입니다. 이 상태에서 전류를 흘려보면 구리선에는 저항으로 인해 발열이 발생하지만, 초전도선은 발열이 없습니다.
마치며 …
상온, 상압 초전도체 뉴스가 뜨겁습니다. 이 소식은 주식시장에 그대로 전달된 모습입니다. 이번 포스팅에서는 초전도체가 무엇인지부터 대표적인 초전도체 활용 분야인 초전도체 케이블까지 알아보았습니다.
초전도체는 저항이 0인 완전도체이면서 자기장까지 밀어내는 성질이 있는 물질입니다. 이 포스팅에서 소개해드린 초전도체 케이블은 초전도체의 완전도체라는 성질에 특히 초점을 맞춘 활용분야입니다. 다음 포스팅에서도 초전도체 활용 분야를 더 알아보도록 하겠습니다.
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참고자료
EBSDocumentary (EBS 다큐), 입증만 하면 최소 노벨상? 그래서 초전도체로 뭘 할 수 있는데?│초전도체의 과거와 현재, 그리고 미래까지│다큐프라임│#골라듄다큐