초전도체 목록 및 작동 원리

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소개

초전도는 특정 물질이 임계 온도 이하로 냉각되면 전기 저항이 0이 되고 자기장이 방출되는 물리학의 흥미로운 현상입니다. 따라서 의료 영상, 에너지 저장, 운송 등 다양한 응용 분야에서 필수적으로 사용됩니다. 초전도 물질의 10가지 예를 통해 초전도체가 어떻게 작동하는지 알아보세요.

초전도체 작동 원리

초전도는 물질의 전자가 쿠퍼 쌍으로 알려진 쌍을 형성하여 짝을 이룰 때 발생합니다. 이 쌍은 전기 저항을 일으키는 산란 없이 물질을 통과하여 이동합니다. 구리나 알루미늄과 같은 일반 도체에서는 전자가 원자와 충돌할 때 저항이 발생하여 에너지 손실이 발생합니다. 하지만 초전도체에서는 물질이 임계 온도 이하로 냉각되면 저항 없이 전류가 흐르는 현상이 발생하여 에너지가 손실 없이 이동할 수 있습니다.

양자 수준에서 초전도는 BCS 이론 (바딘, 쿠퍼, 슈리퍼)으로 설명됩니다. 이 이론은 결정 격자에서 전자와 진동 사이의 상호 작용이 어떻게 쿠퍼 쌍을 형성하는지를 설명합니다. 이 쌍은 산란 없이 집합적으로 이동하여 에너지 손실 없이 전기를 전도할 수 있는 물질을 만듭니다.

초전도체 특성

초전도체는 다른 물질과 차별화되는 고유한 특성을 가지고 있습니다:

그림 1 초전도체 임계 온도[1]

제로 전기 저항: 초전도체는 저항 없이 전기가 흐르기 때문에 전송 중 에너지 손실이 없다는 것이 가장 중요한 특성입니다.
마이스너 효과: 초전도체는 초전도 상태로 전환할 때 내부에서 자기장을 방출하는 마이스너 효과를 나타냅니다. 이 현상은 자기 부상과 같은 응용 분야를 가능하게 합니다.
임계 온도(Tc): 각 초전도체에는 초전도를 나타내는 특정 임계 온도가 있습니다. 이 온도는 재료에 따라 다릅니다. 예를 들어 일부 고온 초전도체는 액체 질소의 끓는점(-196°C) 이상의 임계 온도를 가집니다.
양자 부상: 초전도체는 초전도체가 방출하는 자기장과 자석에서 생성되는 자기장 사이의 상호작용으로 인해 자석 위로 부상할 수 있습니다. 이 원리는 자기 부상 열차와 같은 기술에서 활용됩니다.
높은 전류 운반 능력: 초전도체는 기존 도체보다 훨씬 높은 전류를 전달할 수 있어 입자가속기와 같은 고에너지 애플리케이션에 사용하기에 이상적입니다.

초전도체 10가지 예

[2]

니오브(Nb) 니오브는 9.25K의 비교적 높은 임계 온도와 MRI 기계 및 입자 가속기와 같은 실제 응용 분야에서 사용하기 쉽기 때문에 가장 일반적으로 사용되는 초전도체 중 하나입니다.
이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO) YBCO는 임계 온도가 약 93°C인 고온 초전도체로, 전력 케이블과 자기 차폐 등 전력 산업의 응용 분야에 이상적입니다.
이붕화 마그네슘(MgB2) 임계 온도가 39°C인 이붕화 마그네슘은 비교적 저렴한 초전도체입니다. 전자제품, 에너지 저장, MRI 기술 등에 응용되고 있습니다.
납(Pb) 납은 초전도성을 나타내는 최초의 물질 중 하나입니다. 임계 온도는 7.2K이며, 저온이 필요한 다양한 과학 실험과 응용 분야에 사용됩니다.
비스무트 스트론튬 칼슘 구리 산화물(BSCCO) BSCCO는 임계 온도가 약 108°C인 또 다른 고온 초전도체로 전력 케이블, 자석 및 기타 전기 장치에 사용됩니다.
철 기반 초전도체 2008년에 발견된 비교적 새로운 종류의 초전도체인 철 기반 초전도체는 전자 및 에너지 응용 분야에서 높은 임계 온도와 잠재력을 가진 것으로 알려져 있습니다.
텅스텐(W) 텅스텐은 매우 낮은 온도에서 초전도성을 나타내는 고밀도 물질로, 고자기장 자석을 비롯한 특정 틈새 응용 분야에 유용합니다.
바나듐 갈륨(V3Ga) 바나듐 갈륨은 임계 온도가 13.8K로 비교적 높은 초전도체로, 초전도성과 높은 자기장이 모두 필요한 응용 분야에 사용됩니다.
구리 산화물(CuO) 구리 산화물은 액체 질소의 온도인 77K 이상에서 작동하는 고온 초전도체 중 하나입니다. 첨단 전기 및 전자 장치에 사용됩니다.
란탄 스트론튬 구리 산화물(LSCO) LSCO는 고온 초전도체 계열에 속하며, 에너지 손실이 적은 장치를 포함하여 연구 및 전자 장치에 사용됩니다.

초전도체 목록

다음은 초전도체에 대한 보다 일반적인 예시를 제공하는 요약 표입니다. 자세한 정보와 예시는 Stanford Advanced Materials(SAM)에서 확인하세요.

물질	클래스	TC (K)	HC (T)	유형
Al	요소	1.20	0.01	I
Bi	요소	5.3×10-⁴	5.2×10-⁶	I
Cd	요소	0.52	0.0028	I
다이아몬드:B	요소	11.4	4	II
Ga	요소	1.083	0.0058	I
Hf	요소	0.165	-	I
α-Hg	원소	4.15	0.04	I
β-Hg	원소	3.95	0.04	I
In	요소	3.4	0.03	I
Ir	원소	0.14	0.0016	I
α-La	요소	4.9	-	I
β-La	원소	6.3	-	I
Li	요소	4×10-⁴	-	I
Mo	요소	0.92	0.0096	I
Nb	요소	9.26	0.82	II
Os	요소	0.65	0.007	I
Pa	요소	1.4	-	I
Pb	원소	7.19	0.08	I
Re	요소	2.4	0.03	I
Rh	원소	3.25×10-⁴	4.9×10-⁶	I
Ru	요소	0.49	0.005	I
Si:B	요소	0.4	0.4	II
Sn	요소	3.72	0.03	I
Ta	요소	4.48	0.09	I
Tc	요소	7.46-11.2	0.04	II
α-Th	원소	1.37	0.013	I
Ti	요소	0.39	0.01	I
Tl	요소	2.39	0.02	I
α-U	요소	0.68	-	I
β-U	요소	1.8	-	I
V	요소	5.03	1	II
α-W	요소	0.015	0.00012	I
β-W	요소	1-4	-	I
Yb	원소	1.4(>86 GPa)	-	no
Zn	원소	0.855	0.005	I
Zr	요소	0.55	0.014	I
Ba8Si46	Clathrate	8.07	0.008	II
CaH6	Clathrate	215 (172 Gpa)	-	II
C6Ca	화합물	11.5	0.95	II
C6Li3Ca2	화합물	11.15	-	II
C8K	화합물	0.14	-	II
C8KHg	화합물	1.4	-	II
C6K	화합물	1.5	-	II
C3K	화합물	3.0	-	II
C3Li	화합물	<0.35	-	II
C2Li	화합물	1.9	-	II
C3Na	화합물	2.3-3.8	-	II
C2Na	화합물	5.0	-	II
C8Rb	화합물	0.025	-	II
C6Sr	화합물	1.65	-	II
C6Yb	화합물	6.5	-	II
Sr2RuO4	화합물	0.93	-	II
C60Cs2Rb	화합물	33	-	II
C60K3	화합물	19.8	0.013	II
C60RbX	화합물	28	-	II
C60Cs3	화합물	38	-	II
FeB4	화합물	2.9	-	II
InN	화합물	3	-	II
In2O3	화합물	3.3	~3	II
LaB6	화합물	0.45	-	II
MgB2	화합물	39	74	II
Nb3Al	화합물	18	-	II
NbC1-xNx	화합물	17.8	12	II
Nb3Ge	화합물	23.2	37	II
NbO	화합물	1.38	-	II
NbN	화합물	16	-	II
Nb3Sn	화합물	18.3	30	II
NbTi	화합물	10	15	II
SiC:B	화합물	1.4	0.008	I
SiC:Al	화합물	1.5	0.04	II
TiN	화합물	5.6	5	I
V3Si	화합물	17	-	II
YB6	화합물	8.4	-	II
ZrN	화합물	10	-	I
ZrB12	화합물	6.0	-	II
Ute2	Compound	2.0	-	-

[3]

결론

전기 저항이 전혀 없고 독특한 자기 특성을 지닌 초전도체는 의료 영상에서 운송에 이르기까지 다양한 분야에서 혁신을 일으키고 있습니다. 연구가 계속됨에 따라 임계 온도가 더 높은 새로운 물질이 발견되어 더 많은 응용 분야가 열릴 것으로 보입니다.

참조:

[1] Lebrun, Philippe & Tavian, Laurent & Vandoni, Giovanna & Wagner, U. (2002). 입자 가속기 및 검출기를 위한 극저온학.

[2] 야오, 차오 & 마, 얀웨이. (2021). 초전도 재료: 대규모 응용을 위한 도전과 기회. iScience. 24. 102541. 10.1016/j.isci.2021.102541.

[3] 초전도체 목록. (2024, August 16). 위키백과에서. https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_superconductors

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저자 소개

Chin Trento

Chin Trento는 일리노이 대학교에서 응용 화학 학사 학위를 받았습니다. 그의 교육적 배경은 다양한 주제에 접근할 수 있는 폭넓은 기반을 제공합니다. 그는 Stanford Advanced Materials(SAM)에서 4년 넘게 첨단 소재 관련 글을 쓰고 있습니다. 이 글을 쓰는 주된 목적은 독자들에게 무료이면서도 양질의 자료를 제공하는 것입니다. 그는 독자들이 발견하는 오타, 오류 또는 의견 차이에 대한 피드백을 환영합니다.

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