초전도 재료의 종류와 응용 분야

소개

초전도 물질은 임계 온도(Tc) 이하로 냉각될 때 전기 저항이 0이 되고 자기장이 방출(마이스너 효과)되는 놀라운 종류의 물질입니다. 1911년 하이케 카메링 오네스가 발견한 이래 초전도체는 의료 영상에서 에너지 전송에 이르기까지 다양한 분야에 혁신을 가져왔습니다. 이 글에서는 초전도 재료의 종류와 다양한 응용 분야에 대해 간략하게 설명합니다.

초전도 재료의 종류

초전도체는 임계 온도와 자기적 특성에 따라 크게 두 가지로 분류할 수 있습니다: 유형 I 초전도체와 유형 II 초전도체. 또한 구성 성분과 발견 시기에 따라 기존 초전도체, 고온 초전도체, 비전통 초전도체로 분류할 수도 있습니다.

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1. 유형 I 초전도체

제1형초전도체는 주로 매우 낮은 온도(일반적으로 30°C 이하)에서 초전도성을 나타내는 순수 금속 및 금속화물입니다. 초전도 상태로의 급격한 전환과 임계 자기장(Hc) 이하의 자기장(마이스너 효과)이 완전히 소멸되는 것이 특징입니다. 예를 들면 다음과 같습니다:

- 수은(Hg): Tc가 4.2K인 최초로 발견된 초전도체.

- 납(Pb): 7.2K의 Tc.

- 알루미늄(Al): 1.2K의 Tc.

제1형 초전도체는 낮은 임계 온도와 자기장으로 인해 실제 적용이 제한적입니다.

2. 유형 II 초전도체

유형 II 초전도체는 합금과 화합물을 포함한 더 복잡한 물질로, 더 높은 자기장을 견디고 더 높은 임계 온도를 가질 수 있습니다. 이 물질은 자기장이 양자화된 와류의 형태로 투과할 수 있어 더 높은 자기장에서도 초전도 상태를 유지할 수 있습니다. 예를 들면 다음과 같습니다:

- 니오븀-티타늄 (NbTi): MRI 기계 및 입자가속기용 초전도 자석에 널리 사용됩니다.

- 니오븀-주석(Nb3Sn): 높은 임계 자기장으로 인해 고자기장 자석에 사용됩니다.

3. 고온 초전도체(HTS)

고온 초전도체는 기존 초전도체보다 훨씬 높은 온도(30K 이상)에서 초전도성을 나타내는 물질의 한 종류입니다. 주로 구리 산화물(컵레이트) 기반 또는 철 기반 물질입니다. 예를 들면 다음과 같습니다:

- 이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO): Tc 92K.

- 비스무트 스트론튬 칼슘 구리 산화물(BSCCO): 110 K의 Tc.

- 철 기반 초전도체: 2008년에 발견되었으며 Tc는 최대 55K입니다.

HTS 재료는 액체 헬륨보다 비용 효율이 높은 액체 질소 온도(77K)에서 작동할 수 있기 때문에 실용적인 응용 분야에서 특히 유망합니다.

4. 비전통적 초전도체

비전통적 초전도체는 전통적인 BCS 초전도 이론을 따르지 않습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:

- 무거운 페르미온 초전도체: 전자가 매우 높은 질량을 가진 것처럼 행동하는 CeCu2Si2와 같은 물질.

- 유기 초전도체: 저온에서 초전도를 나타내는 탄소 기반 물질.

- 이붕붕마그네슘(MgB2): Tc가 39K인 단순한 화합물로, 기존 초전도체와 고온 초전도체 사이의 간극을 메워주는 역할을 합니다.

초전도 재료의 응용 분야

초전도체는 그 고유한 특성으로 인해 다양한 산업 분야에서 폭넓게 사용되고 있습니다. 다음은 가장 중요한 응용 분야 중 일부입니다:

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1. 의료 영상

초전도 자석은 자기공명영상(MRI) 기계의 중추입니다. 고해상도 이미징에 필요한 강력하고 안정적인 자기장을 생성하기 위해 일반적으로 니오븀-티타늄(NbTi) 초전도체가 사용됩니다. 초전도체는 저항이 제로이기 때문에 에너지 손실 없이 효율적으로 작동합니다.

2. 입자가속기

초전도 재료는 CERN의 LHC(대형 강입자 충돌기) 와 같은 입자 가속기에 필수적입니다. 니오븀-주석(Nb3Sn) 및 니오븀-티타늄(NbTi) 자석은 입자 빔을 거의 빛의 속도로 조종하고 초점을 맞추는 데 필요한 강력한 자기장을 생성하는 데 사용됩니다.

3. 에너지 전송

초전도 케이블은 제로 저항으로 전기를 전송할 수 있어 기존 구리 케이블에 비해 에너지 손실을 크게 줄일 수 있습니다. 에너지 분배에 혁명을 일으킬 수 있는 초전도 전력망에 사용하기 위해 YBCO와 같은 고온 초전도체가 연구되고 있습니다.

4. 자기 부상(자기 부상) 열차

초전도 자석을 사용하면 자기 부상 열차가 선로 위에 떠서 마찰을 없애고 초고속으로 이동할 수 있습니다. YBCO 초전도체가 사용된 일본의 SC 자기부상 열차는 600km/h 이상의 속도를 달성했습니다.

5. 양자 컴퓨팅

초전도 물질은 양자 컴퓨터에서 양자 비트(큐비트)의 핵심입니다. 두 개의 초전도체가 절연체로 분리된 장치인 조셉슨 접합은 초전도 양자 회로의 핵심 구성 요소입니다. IBM과 Google 같은 기업들은 이 기술을 활용하여 강력한 양자 프로세서를 구축하고 있습니다.

6. 에너지 저장

초전도 자기 에너지 저장(SMES) 시스템은 초전도 코일에 의해 생성된 자기장에 에너지를 저장합니다. 이 시스템은 거의 즉각적으로 대량의 에너지를 방출할 수 있어 전력망을 안정화하고 백업 전력을 공급하는 데 이상적입니다.

7. 과학 연구

초전도 재료는 극도로 약한 자기장을 감지할 수 있는 고감도 자력계인 초전도 양자 간섭 장치(SQUID)와 같은 첨단 연구 도구에 사용됩니다. SQUID는 지질학에서 신경과학에 이르기까지 다양한 분야에서 사용됩니다.

8. 핵융합 에너지

초전도 자석은 ITER 프로젝트와 같은 핵융합로에서 플라즈마를 가두는 데 매우 중요합니다. 더 효율적이고 컴팩트한 핵융합로를 개발하기 위해 YBCO와 같은 고온 초전도체가 사용되고 있습니다.

9. 우주 탐사

초전도 재료는 우주 망원경과 탐지기용 극저온 시스템에 사용됩니다. 예를 들어, 초전도 검출기는 천체 물리학에서 먼 별과 은하에서 나오는 희미한 신호를 관측하는 데 사용됩니다.

10. 산업 응용 분야

초전도 재료는 산업용 전기 모터와 발전기에 사용됩니다. 이러한 장치는 기존 장치보다 더 효율적이고 컴팩트하여 풍력 터빈과 전기 자동차에 사용하기에 이상적입니다.

결론

초전도 소재는 현대 기술을 변화시켰습니다. 제1형 초전도체부터 고온 및 비전통적인 변형 초전도체까지, 각 종류의 초전도 재료는 고유한 특성과 응용 분야를 제공합니다. 연구가 계속 발전함에 따라 초전도체는 더 많은 산업에 혁명을 일으킬 수 있는 가능성을 지니고 있습니다. 더 많은 첨단 소재에 대해 알아보려면 Stanford Advanced Materials(SAM)를 확인하세요.

참고자료:

[1] Abd-Shukor, R.. 고온 초전도체: 재료, 메커니즘 및 응용.

[2] 차오 야오, 얀웨이 마, 초전도 재료: 대규모 애플리케이션을 위한 도전과 기회, iScience, 24권 6호, 2021, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004221005095