현대인들의 필수템이자 없어서는 안 되는 휴대폰. 실제로 우리는 휴대폰으로 중요한 정보를 전달받거나 물건 결제, 음악 감상, 신원 확인 등 가벼운 작업부터 없어서는 안 될 중요한 작업까지 많은 일들을 휴대폰으로 해결한다. 하지만 휴대폰은 배터리 충전 형식이기 때문에 배터리가 없을 경우에는 사용하기 힘들며 수명이 다하거나 휴대폰의 발열 등으로 인해 고장이 나기도 한다. 만약 배터리 충전을 평생 하지 않아도 사용이 가능하다면 어떨까? 그걸 가능하게 만들어주는 초전도체에 대해 알아보자.
초전도체란?
초전도체란 ‘초전도 전이 온도’라고 하는 특별한 온도에서 전기 저항이 없거나 매우 작은 물질을 뜻한다. 초전도체를 일정한 온도 이하로 냉각하게 되면 전기 전류가 저항 없이 흐를 수 있게 된다. 이러한 현상을 초전도라고 하며 이러한 물질을 초전도체라고 부른다. 1911년에 네덜란드에서 처음 발견되었으며 일반적인 금속성 도체의 전기 저항은 온도가 낮아짐에 따라 감소하는데 초전도체의 경우에는 저항이 0이 되어버린다.
누가 발견했는가?
1911년 4월 네덜란드의 물리학자인 오너스가 수온을 액체 헬륨으로 영하 268.8℃까지 냉각했을 때 전기 저항이 없어지는 것을 발견했는데 이를 초전도 현상이라 한다. 오너스가 발견한 초전도 현상이 초전도체의 시작이 되었으며 매우 낮은 온도에서 가능한 현상이기 때문에 많은 과학자들이 더 높은 온도에서 초전도 현상을 보이는 물질을 발견하기 위해 연구 중이며 현재 6000종 이상의 초전도체가 알려져 있다.
휴대폰을 충전할 필요가 없을까?
초전도체의 가장 큰 특징은 전기의 저항이 없다는 것이다. 이는 전류가 흐를 때 에너지 손실이 거의 없다는 것을 뜻하는데 전기 제품을 사용하더라도 전기의 사용이 거의 없어 배터리를 다시 충전할 필요 없이 계속 그 상태로 사용할 수 있다는 소리이다. 이러한 초전도체로 전선을 만든다면 현재 20% 이상의 전력이 손실되고 있는 것을 막을 수 있을 것이다. 이렇듯 초전도체는 한번 발생한 전류가 무한하게 흐른다는 가정하에 전력 전송이나 에너지 저장 시스템에서 매우 유용한 역할을 할 수 있다.
공중에도 뜰 수 있다?
초전도체는 전기 저항이 없다는 특징 말고도 마이너스 효과라는 특징을 가지고 있다. 일반적으로 전기가 흐르는 물체는 외부 자기장에 반응을 하는 특성이 있다. 물체의 내부에 자기 선류가 생기고 외부의 자기장과 상호작용을 하게 되는데 초전도체는 이와 다른 모습을 보인다. 초전도체는 외부의 자기장과 반대 방향의 자기장을 내부에 생성한다. 내부의 자기장이 외부의 자기장을 밀어내는 모습이 보이게 되는데 그렇기 때문에 공중에 뜨게 된다.
초전도체의 장점
그렇다면 초전도체는 전기 저항이 없다는 것 말고 다른 장점이 있을까? 초전도체에 전류를 흘려보내게 되면 강력한 자기장을 생성하게 되는데 이를 통해 여러 분야에 활용이 가능하다. 또한 에너지를 저장하고 유지할 수 있는 자기 저장 장치를 구축하는 데 사용이 가능해 대용량 에너지 저장 시스템을 만들 수도 있으며 정밀 측정 및 검출 장치에서도 사용되어 민감한 실험과 연구를 수행할 수 있다. 전기 손실을 줄여주기 때문에 장거리 전력 전송을 효율적으로 수행할 수도 있다.
초전도체가 난리가 난 이유는?
7월 22일 국내의 한 연구진이 초전도 물질로 추정되는 LK-99를 발견하고 논문을 발표하였다. 이어 7월 31일 미 로렌스 버클리 국립연구소 연구진들이 국내 연구진들이 발표한 초전도체 논문이 이론상으로 가능하다는 것을 확인했다면서 초전도체 관련 주식들이 올라가기 시작하였으며 국내뿐 아니라 전 세계적으로도 난리가 났었다. 초저온에서만 가능했던 초전도 현상이 상온 및 상압에서도 가능해져 초전도성을 갖는 물질이 만들어지고 상용화가 된다면, 이는 노벨상감이라 할 정도로 많은 관심을 끌었다.
초전도체의 활용
자기 부상 열차
미래를 배경으로 하는 영화나 애니메이션을 보면 항상 등장하는 교통수단이 자기 부상 열차이다. 지면에서 일정 거리 떨어져서 부상하는 자기 부상 열차는 같은 자극끼리 밀어내는 자석의 성질로 움직인다. 초전도체의 마이너스 효과가 이에 해당된다. 열차를 공중에 부상시키려면 굉장히 강한 자기장이 필요하게 된다. 이때 초전도체를 이용하게 되면 마찰 저항을 줄이고 높은 속도를 얻을 수 있다.
MRI
어딘가 다치거나 몸이 좋지 않을 때 병원에 가서 MRI를 찍어본 경험이 있다면 MRI의 무시무시한 가격을 듣고 놀란 적이 있을 것이다. MRI는 강한 자기장 내에 위치시킨 인체에 라디오파를 전사해서 반향되는 자기장을 측정하여 영상을 얻는 진단 검사이다. 강한 자기장을 얻기 위해 초전도 현상을 이용하게 되는데 그렇기 때문에 높은 가격대를 자랑한다. 만약 상온에서의 초전도체 물질이 상용화가 된다면 비싼 MRI 비용도 해결될 것으로 보인다.
과학적 연구의 혁신
초전도체는 고에너지를 사용하는 물리학 연구에서 입자 가속기나 기타 실험 장치에서 강력한 자기장이 필요할 때 사용된다. 또한 초전도체의 특이한 특성은 물질과학, 기기공학, 물리학, 공학 등 다양한 분야에서 연구와 혁신에 도움을 주며 새로운 기술을 개발하는 데 기여한다. 다양한 초전도체의 활용이 가능해진다면 과학은 더더욱 발전에 속력을 가하게 될 것이다.
양자 컴퓨터
양자 컴퓨터는 양자역학의 원리를 이용하여 전통적인 컴퓨터보다 훨씬 복잡한 문제를 더 효율적으로 해결할 수 있는 컴퓨터 시스템이다. 초전도체는 양자 컴퓨터를 구현하는 데 주요하게 사용되는데 양자 정보를 저장하고 조작하며, 양자 연산을 수행하는 데 사용된다. 하지만 초전도체 활용은 매우 낮은 온도에서 가능하기 때문에 지금도 초전도체와 양자 컴퓨터에 대한 연구는 진행 중이며 기술 발전과 함께 다양한 문제를 해결하는 데 활용될 것으로 기대된다.
글 : 오혜인 press@daily.co.kr
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