초전도체란 어떤 물질인가요?
흔히 전기저항이 0인 물질을 초전도체라고 합니다. 도체라는 말은 전류가 흐르는 물질이라는 뜻이고, 저항이란 전류의 흐름을 방해하는 성질을 의미하는데요. 이 두가지 개념을 합친다면 결국엔 “전류가 흐르지 않는 물질” 이라는 뜻이 됩니다. 그렇다면 왜 하필이면 우리는 ‘전기저항이 0’ 인 물질을 찾을까요? 그것은 바로 자기부상열차나 MRI 등과 같은 미래 기술들을 구현하기 위해서입니다. 이러한 장치들이 제대로 동작하기 위해서는 아주 높은 온도에서도 일정한 특성을 유지해야 하는데, 현재까지는 그러한 물질이 발견되지 않았습니다. 하지만 최근 들어 과학자들이 드디어 그런 물질을 찾아냈습니다. 그래서 이번 시간에는 초전도체에 대해 알아보고 어떻게 활용되는지 알아보겠습니다.
초전도체는 누가 먼저 발견했나요?
초전도체 연구 역사상 가장 유명한 인물은 네덜란드 물리학자 오네스(Konstantin Eduard Ohnes)입니다. 1911년 4월 23일, 오네스는 수은의 전기저항이 갑자기 사라지는 현상을 발견했습니다. 당시 사람들은 이를 보고 매우 놀랐고, 이것이 무슨 일인지 알기 위해 노력했지만 아무도 알아내지 못했습니다. 이후 많은 과학자들이 실험을 거듭하면서 마침내 액체 헬륨을 이용하면 초전도 상태를 만들 수 있다는 사실을 알게 되었습니다. 그러나 이때까지만 해도 초전도현상 자체보다는 오히려 저온에서의 초전도성에만 관심이 있었습니다. 그러던 중 1968년 미국 일리노이 대학의 베드노르츠(Jan Bednorz) 교수팀이 절대온도 2.7K (-269°C) 부근에서 초전도성이 나타나는 합금을 발견하게 되었고, 곧이어 1987년에는 임계온도가 약 40K (-234°C)인 산화물 초전도체가 발견되었습니다. 그리고 1993년에는 조셉슨 효과를 보이는 고온 초전도체가 발견되어 지금까지도 활발하게 연구되고 있습니다.
초전도체는 어디에 쓰이나요?
현재까지의 개발 상황을 살펴보면 앞으로 10~20년 내에 상용화될 만한 분야로는 크게 에너지 저장장치, 자기부상열차, 핵융합 발전소, 입자가속기, 고자기장 발생장치 등이 있습니다. 특히 전력분야에서는 기존의 구리전선을 대체하거나 보완함으로써 효율을 높이고 손실을 줄일 수 있으며, 또한 송배전 선로의 크기를 줄여 건설비용을 절감할 수 있고, 변압기 용량을 늘려 송전용량을 증가시킬 수 있습니다. 의료분야에서는 인체 내부 깊숙한 곳으로의 치료용 금속기구 전달 및 뇌수술 시 코일 형태의 자석을 삽입하여 수술부위를 고정시키는 데 응용됩니다. 이외에도 전자석 제작기술 향상, 고효율 모터개발, 고속철도 차량 추진시스템, 대형발전기 터빈날개 설계 최적화, 차세대 원자로 냉각재 펌프, 군사용 자기공명영상장치(MRI), 신약개발과정 단축, 양자컴퓨터 개발 등 다양한 분야에서 활발히 연구되고 있습니다.
초전도체는 얼마나 강한가요?
초전도체는 극저온에서만 초전도상태를 띠므로 상온에서는 여전히 부도체이며, 따라서 일상생활에서 접할 수 있는 대부분의 물체는 초전도체가 아닙니다. 다만 특정 조건 하에서 초전도체가 될 수 있는 물질만이 존재하며, 대표적인 예로 니오븀주석합금(Nb3Sn), 납-비스무스계 화합물(PbBi), 나이오븀산화물(NbO), 티탄산바륨(BaTiO3), 란타넘산화물(La2O3) 등이 있습니다. 한편 강자성체인 경우 외부자기장이 가해지면 자화가 반전되면서 초전도특성을 나타내는 반강자성체가 되기도 합니다.
우리가 상온초전도체를 발견하고 상용화 시킬 수만 있으면, 분명 날아다니거나 스파이더맨처럼 벽에 붙어다닐 수 있겠죠?
이외에도 실생활에서 매우 유용한 것들이 발명될거에요!
오늘은 초전도체에 대해 간단하게 알아보았습니다.
앞으로도 많은 연구를 통해 초전도체를 일상에서 접하는 일이 생기면 좋겠습니다.
감사합니다!
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