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초전도체는 저온에서 전기 전도성이 무한대에 가까운 현상인 초전도 상태를 나타내는 물질을 말합니다. 이러한 초전도체는 보존적인 에너지 소비와 냉각기술의 발달로 인해 점점 더 많은 분야에서 사용되고 있습니다. 이번 글에서는 초전도체의 개념, 종류, 그리고 활용 분야에 대해 자세히 살펴보겠습니다.
초전도체의 개념
초전도체는 전기로 구성된 원자 이동에 발생되는 전기 저항을 갖지 않는 물질을 말합니다. 일반적으로 수소와 헬륨 같은 원자로 구성된 물질들로 이루어져 있습니다. 초전도체의 저항이 없어지게 되는 온도인 임계온도는 물질의 종류에 따라 다르며, 대부분의 금속과 합금은 -200℃ 이하, 고체 산소나 일부 세라믹 물질은 -150℃ 이하에서 초전도성이 나타난게 됩니다. 또 이러한 현상으로 이러한 물질은 손실 없이 전류를 흐르게 할 수 있으므로, 특히 전력 전송이나 자기 공명 영상 장비 등의 분야에서 유용하게 사용됩니다. 초전도성을 나타내는 특성 온도는 각 물질마다 다르며, 대표적인 초전도체로는 NbTi, NbN, YBCO 등이 있습니다. 초전도체의 기술은 그 적용 분야가 많아지면서 더욱 발전하고 있으며습니다. 현재로서 초저온이나 초고압같은 특수한 환경에서만 발현되는 이 초전도현상의 구현은 엄청난 비용이 들어가게 됩니다. 그러나 상온에서 구현되는 초전도체의 발견으로 이러한 비용문제를 단번에 해결할 수 있기 때문에 인류의 역사를 바꿀 수 있는 수준이라고 평합니다.
초전도체의 종류
초전도체는 서로 다른 구조와 물성을 가진 여러 가지 종류가 있습니다.
1세대 초전도체: 금속 합금으로 구성되며, 처음으로 발견된 수은의 경우 -269℃에서 초전도성을 나타냅니다
2세대 초전도체: 슈퍼전도성이 나타나는 세라믹 물질, 즉 고온 초전도체로 흔히 알려져 있다. 1986년 발견된 바리움-철-산화물계열은 -260℃에서 초전도성을 나타냅니다
3세대 초전도체: 더 높은 임계온도를 가지는 초전도체를 의미하며, 대표적으로 마그네슘-보릴-사이드납계열이 있습니다.
초전도체의 활용 분야
초전도체는 에너지 손실이 적고 고속의 신호처리가 가능한 장점을 가지고 있어 다양한 분야에서 사용되고 있습니다.
1.자기 공진 이미징 장비
초전도체를 이용한 자기공진 이미징 장비는 뇌의 활동강도와 위치를 높은 정확도로 파악할 수 있는데, 의료진으로부터 큰 관심을 받고 있습니다. 예를 들어 MRI와 같은 장비가 초전도현상을 활용하는 의료장비입니다.
2.자기 부력 열차
초전도성 자석을 이용한 자기 부력 열차는 지하철보다 높은 속도와 저친환경 친화적인 운전이 가능해 지상교통의 한계를 극복할 수 있는 새로운 대안으로 연구되고 있습니다. 초전도현상에서 나타나는 마이스너효과는 물질내부에 침투되어 있던 자기장 현상이 외부로 밀려나는 현상인데 이러한 현상에 의해 초전도현상이 일어나면 물체가 뜨는 효과가 보여진다.
3.핵융합 발전소
초전도체는 핵융합 발전소에서 자기장을 생성하는데 이용됩니다다. 자기장을 이용해 압력을 유지함으로써 핵융합 에너지를 안정적으로 발생시켜 내는 원리인 플라즈마 제어에 중요한 역할을 합니다
결론
상온에서 구현되는 초전도체는 전기 집적 회로 및 전기 용량을 증가시키는 등 다양한 전자기 장치의 발전을 가능케 하게 됩니다. 초전도선이나 초전도 자기 부품을 사용하면, 전기 전송의 효율이 더욱 향상되어 손실 감소와 에너지 절약 효과를 기대할 수 있습니다. 또한 초전도체를 사용하여 수송 시스템을 구축하는 것도 가능합니다. 초전도자석 기술을 활용한 고속 이동 수단, 예를 들어 초음속 열차, 초음속 비행기, 자기 부상 자동차 등이 가능할 것입니다. 이는 이동 시간을 혁신적으로 단축시켜 주행 효율을 향상시키고, 에너지 소비를 낮출 수 있을 것입니다. 또한, 초전도체를 활용하여 고정밀 의료 장비를 개발하는 등 생활 기술의 분야에서도 많은 발전이 예상됩니다. 초전도체를 활용한 자기 공명 영상, 진단 장비 등의 발전으로 인해, 질병 진단과 치료의 효율이 크게 향상될 것으로 기대됩니다. 결론적으로 비용적측면과 실용적측면 모두 해결될수있는 이러한 변화들은 더욱 발전된 전기 기술을 통해 인류의 삶을 혁신적으로 변화시킬 것입니다.