초전도체(superconductor)

1 초전도체 개요

 1) 정의

   - 초전도 전이 온도(Tc)라고 하는 특정온도 이하에서 모든 전기저항을 상실하는 물질.

     * 금속성도체(metalic conductor)의 전기저항은 온도가 낮아짐에 감소하는데, 초전도체는 전이온도 이하로 냉각되면 저항이 0인 완전도체가 됨.

   - 초전도체는 전기저항 0인 조건 및 마이스너효과를 가진 물체여야 초전도체라고 한다.

     * 마이스너 효과없는 전기적 저항이 없는 물체는 완전도체(perfect conductor)라 한다.

 2) 특징

   - 에너지 손실없이 무한하게 흐를 수 있음.

   - 마이스너효과(meissner effect) : Tc 이하에서 외부의 자기장을 배척하는 현상. 이는 초전도체 위로 자석을 부상시킬 수 있는 능력이다.

     * 초전도체는 발생 물질에 따라 두가지 마이스너효과가 발생되는데, 한가지는 자기장을 배척하는 type-1이 있고, 자기장 위에 물질을 고정되도록 만드는 type-2가 있다.

   - 초전도 현상은 BCS 이론을 통해 설명된다.

 

2 초전도체의 개발

 1) 발견

   - 1911년 네널란드 물리학자  오너스에 의해 처음으로 발견됨.

     * 액체질소를 개발하였는데, 이후 물질에 액체질소에 의한 극저온 실험을 통해 발견함.

 2) 개발역사    - 1986년까지 Nb3Ge이 23.2k로 최고온도였으나 이후 지속적인 개발로 현재 6000종의 초전도체가 알려졌다.

   - 현재 가장 높은 온도의 139k의 물질이 개발되어 있다.

 3) 초전도 물체의 방향성

   - 극저온의 초전도체는 냉각의 이슈로 활용이 어렵다. Tc를 상온 근처까지 올리는것을 목표로 개발중이다.

   - 초전도체는 간단한원소(수소)화합물이 고체가 될 경우 초전도 현상을 유도할 수 있다는 것이 발견되면서 현재는 Tc를 높이기 위해 고압의 환경을 구성하는 조건으로 초전도체가 연구되고 있다.

 

3 초전도체의 응용

 1) 완전도체능력

   - 초전도 자석을 만들 수 있어서 자기공명영상장치(MRI)에 활용되고 있다.

   - 장거리 전력수송에서 전력손실없어 에너지 효율이 극대화된다.

   - 저항이 없으므로 발열이 없어서 전력소모가 적고 발열을 위한 냉각설비가 불필요한 전자기기를 개발할 수 있다.

 2) 마이스너효과

   - 자기부상을 통한 마찰 제거로 자기부상열차를 개발 할 수 있다.

   - 고속입자가속기에서 전하입자의 경로를 휘게 만드는 자석제조에도 이용된다.

   - 핵융합장치(토카막)에서 내부 고온의 플라즈마를 가두어두기 위해 초전도전류를 이용한 초강력 자석을 이용하는데, 적은 투입으로 핵융합이 가능해진다.