초전도체란 초전도체 사용범위

초전도체

초전도체란 초전도체 사용범위
超傳導體 / superconductor

전기 저항이
0Ω이 되는 초전도 현상과 외부 자기장에 반자성을 띄는 마이스너 효과가 있는 물질을 의미한다.

현상의 발견
저온공학 기반 초전도 현상의 발견
이전의 과학자들은 극저온에서 전자들의 거동에 대해 의견이 분분했다. 세 의견으로 나뉘었는데, 다른 온도 대역처럼 어느 정도 저항이 있을 것이라는 의견, 고체를 이루는 격자진동이 완전히 사라져 전기저항이

0Ω이 될 것이라는 의견, 그리고 전자들이 얼어붙어 저항이 증가할 것이라는 의견이 있었다. 아예 액화가 안 되는 물질들인건 아닐까? 라는 접근으로 영구기체라는 단어도 있었다.
1908년, 네덜란드의 과학자 헤이커 카메를링 오너스는 액체 헬륨(4.2K)을 만드는데 성공했다.이에 오너스는 저온에서의 전자 거동을 측정하기 시작했다.
1911년, 오너스는 여러 금속의 저항을 측정하던 중

4.19K 에서 수은[5]의 전기저항이 극도로 낮아지는 현상을 발견했다. 굉장히 낮은 저항이어서 일반적인 4단자 측정법으로는 측정이 어려웠기에, 폐회로를 만들어 기전력이 없어도 전류가 계속 존재하게 하며 자기장의 변화를 측정했다. 측정결과 저항을 '
0Ω으로 여겨도 될 정도'임이 밝혀졌다. 이후 수은 외에도 많은 종류의 물질이 초전도성을 가질 수 있음이 밝혀졌다.
마이스너 효과의 발견
1933년, 독일의 물리학자 프리츠 발터 마이스너(Fritz Walther Meißner), 로버트 오쉔펠트(Robert Ochsenfeld)가 주석과 납 시료에서 초전도체 내부로 자기장이 침투하지 못 하는 현상을 실험적으로 발견했다.
나이오븀 기반

실험적 물질 제조 - 나이오븀 기반 저온 초전도체
1954년, 베른드 테오도르 마티아스(Bernd Theodor Matthias) 미국 벨 전화 연구소 연구팀이
−255°C)에서 초전도성을 갖는
​
Sn(나이오븀-주석)을 발견했다.
1962년, 테드 깁스 베를린코트(Ted Gibbs Berlincourt) 미국 로크웰 국제과학센터 연구팀이

9.7K(약 −263°C)에서 초전도성을 갖는
NbTi(나이오븀-티타늄)를 발견했다.
이론적 설명 시도 - 양자역학 기반 BCS 이론 / GL 이론
1957년, 미국의 물리학자 존 바딘(John Bardeen), 리언 쿠퍼(Leon N Cooper), 존 로버트 슈리퍼(John Robert Schrieffer)가 초전도 현상에 대한 이론적 설명을 최초로 성공해, 이들 연구자 이름의 앞글자를 따서 "BCS 이론"으로 이름 지었다. 쿠퍼쌍의 매개를 포논(phonon)으로 보았다. 논문 1972년, 이 세 명이 이 공로로 노벨물리학상을 수상했다.
1950년, 러시아의 물리학자 비탈리 긴즈부르크(Vitaly Ginzburg)와 레프 란다우(Lev Landau)가 "긴즈부르크-란다우 이론"을 세웠다.[8] 1957년, 러시아의 물리학자 알렉세이 아브리코소프(Alexey Abrikosov)는 이 이론에 따라 초전도체가 1종/2종 두 종류로 구분됨을 보였다. 1959년, 러시아의 물리학자 레프 고리코프(Lev Gorkov)는 이 이론이 BCS이론의 미시적 유효 이론임을 밝혔다. 1988년, 이탈리아의 물리학자 조르조 파리시(Giorgio Parisi)가 저서 '통계학론(Statistical Field Theory)' 5장에 이 이론을 다루며 널리 알려졌다. 2003년, 이 중 긴즈버그와 아브리코스포가 이 공로로 노벨물리학상을 수상했다.
저온초전도체의 상용화
1964년, 저온초전도체 선재가 생산되기 시작했다.[9]
1983년, MRI용 초전도 전자석이 상용화됐다.

물리학상을 수상했다.
1950년, 러시아의 물리학자 비탈리 긴즈부르크(Vitaly Ginzburg)와 레프 란다우(Lev Landau)가 "긴즈부르크-란다우 이론"을 세웠다.[8] 1957년, 러시아의 물리학자 알렉세이 아브리코소프(Alexey Abrikosov)는 이 이론에 따라 초전도체가 1종/2종 두 종류로 구분됨을 보였다. 1959년, 러시아의 물리학자 레프 고리코프(Lev Gorkov)는 이 이론이 BCS이론의 미시적 유효 이론임을 밝혔다. 1988년, 이탈리아의 물리학자 조르조 파리시(Giorgio Parisi)가 저서 '통계학론(Statistical Field Theory)' 5장에 이 이론을 다루며 널리 알려졌다. 2003년, 이 중 긴즈버그와 아브리코스포가 이 공로로 노벨물리학상을 수상했다.
저온초전도체의 상용화
1964년, 저온초전도체 선재가 생산되기 시작했다.[9]
1983년, MRI용 초전도 전자석이 상용화됐다.
2.2.2. 구리 기반[편집]
실험적 물질 제조 - 바륨구리산화물(BCO) 기반 고온 초전도체[10][11]
1986년 4월, 스위스 IBM 연구소에서 알렉산더 뮐러(Alexander Müller)와 게오르크 베드노로츠(Georg Bednorz)가 바륨에 기반한 BCO(바륨+구리+산화물)를 선보였다. BCS 이론이 적용되지 않는
35
 
K
35K[12] 이상에서 초전도성을 유지했다. 전류가 정공을 통해 이동했다. 논문(PDF) 이 발견으로 바로 다음 해 노벨물리학상을 받는다.
1987년 3월, 미국 휴스턴 대학교 폴 추(Paul Ching Wu Chu) 교수팀이 이트륨에 기반한 YBCO를 선보였다.
93
 
K
93K[13]에서도 초전도성을 유지했다. 이는 물보다 저렴한 액체질소를 통해 쉽게 실현가능해 상용화의 큰 기대를 모았다. 논문 이 발견으로 노벨물리학상의 후보로까지 거론되었으나 몇 가지 이유로 제외됐다. 첫째, 논문에서
Y
Y(이트륨)을
Y
b
Yb(이터븀)으로 잘못 표기해 버린 것. YBCO의 제법 자체가 그리 어렵지 않아서 최초 논문이 무효화되면 타 논문이 많아져버리기 때문. 둘째, 성과발표장에 여러 대형 언론사를 불러 언론 플레이를 한 것이 도덕성 문제로 제기된 것.
1988년 1월, 일본 금속재료기술연구소 츠쿠바연구실의 히로시 마에다(Hiroshi Maeda) 연구팀이 비스무트에 기반한 BSCCO를 선보였다.
108
 
K
108K[14]에서도 초전도성을 유지했다. 논문
1988년 3월, 미국 아칸소 대학교 알렌 허만(Allen Hermann) 교수팀이 탈륨에 기반한 TBCCO를 선보였다.
127
 
K
127K[15]에서도 초전도성을 유지했다. 논문
1993년 5월, 스위스 취리히 연방 공과대학교 한스 오트(Hans Rudolf Ott) 교수팀이 수은에 기반한 Hg-1223[16]을 선보였다.
133
 
K
133K[17]에서도 초전도성을 유지했다.[18] 논문
이론적 설명 시도 - 스핀밀도파(SDW, Spin Density Wave) 이론
1993년, 울만(Wollman)이 구리 기반 초전도체의 쿠퍼쌍 매개체를 포논이 아닌 스핀밀도파(SDW, Spin Density Wave)로 보았다. 자성물질이 포함되면 SDW가 영향을 받기 때문에 고온초전도체 연구에 있어 자성물질은 기피하게 됐다.
1996년, 발마(Varma)가 구리 기반 초전도체의 페르미 표면 성질을 추가로 설명했다.
고온초전도체의 상용화
BCO 계열 고온 초전도체는 세라믹이라 부러지기 쉬워 휠 수 있는 선재 가공법에 대한 연구가 이어진다.
1세대 선재 - 스테인리스강 튜브에 BSCCO 재료 분말을 넣고 가열압출성형하는 PIT(Powder In Tube) 공법으로 테이프 모양 선재를 만들었다.
2세대 선재 - 긴 테이프형 기판에 초전도체 층을 증착시켜 제작. 기판 표면이 부드럽지 않기 때문에 이를 매끄럽게 해 주고 증착될 초전도층을 한쪽 방향으로 증착되도록 유도하는 버퍼층을 먼저 증착하고 그 위에 초전도층을 증착한다

대한민국의 정책
1995년부터 기획하여 2007년 완공한 핵융합로 KSTAR은 저온초전도체(나이오븀 기반)를 기반으로 건설했다.
2011년부터 기획하여 2027년 완공예정인 중이온가속기 RAON은 고온초전도체(구리산화물 기반)를 기반으로 건설중이다. #
2022년 2월, 대한민국 정부는 '고온 초전도 자석' 기술개발에 2022년부터 2026년까지 5년간 464억원을 지원할 계획을 밝혔다. #
2023년 11월, 대한민국 정부는 '초전도 양자컴퓨터 개발'에 150억원의 예산을 투자한다. #
2023년 12월, 대한민국 과학기술정보통신부는 2024년도 초전도 분야 연구예산을 72억원 배정했다. #
2024년 1월, 하태경 의원은 '초전도기술 촉진법안'을 발의했다.


해 핵융합모듈의 소형화가 가능해지면 거의 모든 교통수단에 적용할 수 있을 것이다.
플라즈마 - 관련 응용이 쉬워지고, 각종 산업용 기구의 덩치가 줄고 기능이 개설될 수 있다. 고에너지 물리학 연구에 드는 비용도 훨씬 줄어들 것이다.
계전기, EM락 등 전자석을 이용한 각종 장비 - 코일 가동시 전기 저항으로 인한 대기전력이 사라지며, 코일 내에서 전류가 맴돌도록 하여 정전이 되어도 자기력을 유지하게 만들 수 있다. 또한 톤 단위의 힘을 버틸 수 있는 초강력 EM락을 제작하여 강력보안이 필요한 장소에도 사용할 수 있다. 산업 현장에서도 전자석 크레인에 초전도 코일을 적용하면 전력 효율 뿐 아니라 들어올릴 수 있는 무게 또한 크게 증가시킬 수 있다.
EMP 발생기, 레일건 등 전자기력으로 구동하는 무기류의 크기, 무게, 유지비용을 크게 줄일 수 있다.
전류가 무한히 맴도는 상태의 초전도 코일을 영구자석 대용으로 사용할 수 있다. 네오디뮴 자석보다 강한 자력을 낼 수 있는 것은 물론 코일 제작시 흘려보낸 전류의 양에 따라 자력 또한 다르게 조절 가능하다.
전기적 이용
전선 - 송전 효율이 거의 100%가 된다.[75] 따라서 송배전 전압을 지금처럼 매우 높게 유지하지 않아도 되며, 대용량 직류 송전기술이 비약적이고 진보한 방향으로 성장할 것이다.[76] 비가 오지 않는 사막과 같은곳에 태양광 발전소를 대량 설치하여 다른 대륙으로 손실 없이 보낼수 있게 되어 에너지 혁명이 일어난다.[77] 세계의 전력사용량은 일정하므로 국가별 전력피크, 부족, 심야전기 낭비 문제가 거의 해결되고 [78], 신재생에너지가 풍부한 국가로부터 주요 에너지 소비 국가들이 에너지를 받게 될 것이다. 또한 변전소와 송전탑 갯수가 줄어들어 님비현상으로 인한 반대 시위를 잠재울 수 있다.
변압기 및 인덕터 - 이론상으로 코일의 변전효율이 100%가 될 수 있다.[79] 전봇대, 변전소 시설 부지, 인도를 점유하는 변압기 등의 부피가 크게 줄어들어서 도시미관이 향상될 수 있다. 각종 SMPS도 변압기와 인덕터의 손실이 줄어들면서 변환 효율성이 크게 오름은 물론 배선이 가늘어지면서 크기 또한 줄일 수 있게 된다.
축전기 - 전극판과 연결 도선의 등가 직렬 저항(ESR)이 없어지게 되어 노이즈를 더 효과적으로 제거하거나, 순간적으로 매우 강한 전류를 출력할 수가 있게 된다.
에너지 저장 체계 - 닫힌 초전도 코일 내에서 전류가 무한히 맴도는 성질을 이용하여 배터리 대신 전력을 저장하는 장치 SMES(superconducting magnetic energy storage)를 개량하여 기존 화학식 배터리를 어느정도 대체할 수 있다. 무거운 냉각장비가 필요없어지면 빠른 충방전 속도와 사실상 영구적인 수명[80]이라는 장점을 활용할 여지가 많아진다. 현재 LHC의 에너지 밀도는 11kJ/kg이며,[81] 최신 리튬 배터리는 1000kJ/kg에 달함으로[82] SMES의 에너지 밀도는 아직 현존하는 배터리에 미치지 못한다. 하지만 SMES의 에너지 밀도 한계는 화학적 한계가 아닌 자체 자기장으로 만들어진 로렌츠 힘에 의한 장력을 초전도체가 버틸 수 있는지에 대한 재료공학적 한계로 발생한다.[83] 이는 도선에 탄소나노튜브 등을 첨가해 개선될 수 있다. #
전기철도 - 복잡한 변전 시설과 설비를 단순화할 수 있게 되며, 직류 급전방식을 고속철도에도 활용 가능하게 된다. 절연구간 또한 대부분 불필요해질 것이다. 귀전선인 레일에도 초전도체를 사용하면 레일에서 대지로 누출되는 전류로 인한 부식현상을 막을 수 있다.
전기자동차 - 모터 코일과 각종 배선의 저항이 없어져 전비가 향상되며, 내연기관차와 비교시 단점으로 지적되던 충전 속도도 비약적으로 끌어올릴 수 있게 된다.
회로설계가 비교적 간편해진다. 도선의 저항을 나타나던 많은 비선형 미분방정식이 선형화되어 쉽게 해결할 수 있어진다.
고방전 배터리나 슈퍼 콘덴서에 초전도 코일을 직접 연결하는 방식으로 현재보다 훨씬 간단하고 강력한 전자기 추진장치를 제작할 수 있다. 작게는 인명 살상이 가능한 코일건부터 크게는 빅 바빌론 같은 스페이스 건을 만들어 쓸 수도 있다.
과전류로 인한 전기화재 사고가 줄어들고, 전자기기의 가동 과정에서 발생하는 저항(=발열)이 줄어들어면서 적절한 차폐만 되어있다면 전자기기의 수명도 대폭 길어지게 된다.
또한, 미래에는 가정용이나 산업용 전력시설에서 전기를 공급하는 배선과 설비를 개선하여 저항으로 낭비되지 않고 효율적인 전기를 사용할 수 있는 방향으로 빠르게 변화할 것으로 예상된다.[84] 일단, 초전도체를 사용하여 전력의 효율성이 극대화가 되는 설비로 바꾸면서 산업계의 전기세가 비약적으로 줄어들 가능성이 있다