초전도체 뜻 및 특징 (+ 초전도체 상용화 시 효과는?)
초전도체 뜻
초전도체는 그 특성이 매우 독특하고 신기한 물질입니다. 이를 이해하려면 먼저 ‘전기저항’이라는 개념을 알아야 합니다. 전기저항은 전류의 흐름을 방해하는 힘을 의미합니다. 일반적으로 전자가 전선을 통해 이동하면서 저항을 만나게 되며, 이때 발생하는 에너지 손실이 바로 전기저항입니다.
하지만 초전도체는 이러한 전기저항을 전혀 가지지 않는 물질입니다. 즉, 전류가 저항 없이 원활하게 흐를 수 있게 해주는 특성을 가지고 있습니다. 이런 특성 덕분에 전력을 효율적으로 전송할 수 있으며, 그 외에도 다양한 응용 분야에서 이용됩니다.
초전도체의 특징
전기저항 없음
앞서 언급했듯이, 초전도체의 가장 주요한 특징은 전기저항이 없다는 점입니다. 이는 전기를 전송하거나 사용하는 모든 과정에서 매우 중요한 의미를 가집니다.
만약 저항이 없다면, 전류는 무한정으로 흐를 수 있게 됩니다. 그러므로, 전력을 전송하거나 에너지를 저장하는 과정에서 효율이 비약적으로 증가할 것입니다. 예를 들어, 상온 상압에서 저항이 0인 물질이 존재한다고 가정하면, 전자제품 등 전기를 이용하는 모든 것들은 전류의 손실 없이 전기를 효율적으로 사용할 수 있게 해주는 특성으로 전력효율이 크게 증가할 것입니다.
마이스너 효과
초전도체의 또 다른 중요한 특성은 마이스너 효과입니다. 마이스너 효과는 1933년에 독일의 과학자 마이스너에 의해 발견된 현상으로, 초전도체 속에서 자기력선이 흐르지 않는 것을 말합니다.
전기가 흐를 수 있는 물체를 자기장 안에 위치시키면, 물체와 자기장이 상호작용하게 됩니다. 그러나 초전도 물질을 자기장 안에 두면 자기장이 물체의 외부로 밀려나는 현상을 관찰할 수 있습니다. 이는 물체 내부에서 상존하는 차제적인 자기장과 외부 자기장과의 상호작용으로 발생합니다. 이러한 효과로 인해 물체는 공중에 “고정”되어 있는 것처럼 보입니다.
초전도체 상용화 시 효과
초전도체의 이러한 특성은 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다. 그중에서도 주요 활용처는 자기부상열차, MRI, 양자컴퓨터 등이 있습니다.
자기부상열차
자기부상열차는 초전도체의 마이스너 효과를 활용한 대표적인 예입니다. 초전도체를 이용하면 레일 위에 열차를 자기부상시키고, 이를 통해 마찰력 없이 고속으로 운행할 수 있습니다. 하지만 현재 기술로는 열차를 극저온으로 유지하는 비용이 매우 많이 들어서, 실제로 구현하기는 어렵습니다. 만약 상온에서도 초전도 특성을 보이는 물질이 발견된다면, 이런 문제를 해결하고 더욱 빠르고 효율적인 교통수단을 제공할 수 있을 것입니다.
현재 한국의 하이퍼튜브와 같은 초고속열차 기술은 이미 존재합니다. 그러나, 해당 열차를 긴 선로를 유지하는 것은 매우 어렵기 때문에 제작비용과 유지비용이 상당히 높은 것이 문제입니다. 그러나, 상온 초전도체가 개발되면 이러한 문제를 해결할 수 있게 되며, 저렴한 제작비용과 유지비용으로 초고속열차를 운행할 수 있게 됩니다. 이를 통해 속력이 약 1,200km에 이르는 초고속열차를 이용하여 순식간에 서울과 부산을 왕복할 수 있습니다.
MRI
MRI는 초전도체를 이용하는 의료장비 중 하나입니다. MRI는 강력한 자기장을 생성하여 인체 내부를 촬영하는 기기인데, 이를 위해 초전도체 코일에 고압전류를 보냅니다. 하지만 이 과정에서 많은 열이 발생하므로, 액체헬륨 등을 사용하여 코일을 극저온으로 유지해야 합니다.
만약, 상온 초전도체가 상용화된다고 하면 별도의 냉각이 필요없게 되어, MRI 비용이 회당 몇 천원 수준으로 하락할 수도 있습니다.
양자 컴퓨터
양자컴퓨터는 초전도체의 특성을 활용하여 구현되는 기술 중 하나입니다. 양자컴퓨터는 양자역학의 원리를 이용해 정보를 처리하는 컴퓨터로, 초전도체의 저항 없는 특성과 마이스너 효과를 활용하여 양자 상태를 보존하고 제어합니다.
예를 들어, 현재 구글의 양자컴퓨터는 초전도 큐비트를 이용하기 때문에 온도를 영하 273도까지 낮출 수 있도록 설계되었습니다. 큐비트의 온도가 조금만 달라진다고 하면 오류를 발생시키므로 양자컴퓨터에서 냉각 인프라는 오류를 줄이는데 굉장히 중요한 역할을 합니다. 근데 만약, 상온과 상압에서 양자컴퓨터가 동작할 수 있다면, 비용과 오류를 크게 줄일 수 있는 양자컴퓨터 개발이 가능할 것입니다.
그 외 효과
상온 초전도체가 개발되면 핵융합 발전에 상당한 도움이 될 것입니다. 기존의 극저온 초전도체를 사용하는 방식은 운용이 어렵고 유지비용도 상당히 높은 반면에, 상온 초전도체를 활용하면 핵융합 기술 개발이 훨씬 저렴해지게 됩니다. 상온 초전도체를 이용한 핵융합 발전은 태양광과 같이 연료 고갈 걱정 없이 작동하면서도 원자력 발전보다 우수한 성능을 제공하며 방사능을 배출하지 않는 안전한 발전 방식이기 때문에 환경을 개선할 수 있는 효과도 있습니다.
또한, 일반적으로 오랫동안 전자제품을 사용하면 발열이 발생하지만, 상온 초전도체를 사용하면 이런 문제가 사라집니다. 전기 전자제품의 수명도 증가하게 됩니다. 또한, 발열을 해결하기 위해 필요한 쿨러와 같은 장치가 필요 없어지므로 설비의 전력 효율성이 극대화되어 비용을 절감할 수 있습니다.
요약
초전도체는 그 독특한 특성으로 인해 많은 관심과 연구를 받아왔습니다. 그러나 현재까지도 초전도체를 상온에서 사용할 수 있는 방법은 찾지 못했습니다. 만약 이 문제를 해결할 수 있다면, 에너지 손실 없이 전력을 전송하거나 저장하고, 고속의 자기부상열차를 운영하며, 더욱 효율적인 MRI를 제작하고, 더욱 강력한 양자 컴퓨터를 만드는 등, 우리 일상에서 많은 변화를 가져올 수 있을 것입니다.
추가로, 초전도체에 대한 연구는 물리학의 여러 분야, 특히 양자역학과 물질과학에 걸쳐 깊은 이해를 제공합니다. 따라서 이는 우리가 물질의 근본적인 특성과 세계를 이해하는 데 도움을 줍니다.