초전도란 무엇인가? 응용기술 및 관련 기업들과 미래가치

초전도체는 저항이 0인 독특한 물질로, 전류가 무전기 소비 없이 무한히 흐를 수 있는 물질을 말합니다.

일반적인 전도체에는 전자의 이동 시에 발생하는 소음과 열에 의해 에너지 손실이 있으나, 초전도체의 경우 흐르는 전류에 따른 에너지 손실이 없습니다. 이와 같은 특성은 다양한 산업 분야에 혁신적인 솔루션을 제공 할 수 있습니다. 초전도 현상은 1911년, 네덜란드의 물리학자 헤이케 카메르링크 온스가 수소가스 냉각 제트로 납의 온도를 계속 낮추며 발견하였습니다. 그는 납의 온도가 약 -269도 섭씨(4K)로 떨어지자 그의 내부 저항이 거의 0으로 떨어지는 것을 관찰했습니다. 초전도체는 저온에서만 작동한다는 특성 때문에 현실세계에서 응용이 어렵다는 한계가 있었습니다. 하지만 1986년에 고히 에르트 및 뮐러가 고온 초전도체를 발견함으로써 실용적인 응용이 가능해졌습니다. 고온 초전도체는 액체질소와 같은 비교적 높은 온도에서도 초전도 현상을 나타냅니다.

초전도체는 원자를 구성하는 전자가 쿠퍼 쌍(Cooper pair)을 형성하여 전기적으로 중성이 되는 성질을 띱니다. 이런 특성은 초전도체가 전기 에너지를 저장하고 전송하는 데 있어 에너지 손실이 없음을 의미합니다. 최근에는 신기술 개발을 통해 초전도체를 더 효과적으로 활용할 수 있는 방법들이 연구되고 있습니다. 저저항 초전도체 회로, 초고속 전자파 통신, 초강력 자력 체계, 초고속 전력 저장 시스템 또는 초고지능 프로세서 등 다양한 응용 분야가 기대되고 있습니다.

초전도체 과학은 미래의 에너지 효율과 지속 가능한 발전에 관한 많은 가능성을 제시합니다. 특히 에너지 저장 및 전송, 운송, 의료, 컴퓨터 성능 향상 등 다양한 기술 발전으로 현실 세계에 미치는 영향이 점차 커지고 있습니다. 이러한 연구와 발명, 그리고 그에 따른 많은 분야의 혁신은 초전도체의 가치와 중요성을 높이는데 커다란 역할을 하고 있습니다.

퀀텀에너지연구소·김현탁 박사 사진 인용

초전도체의 역사

초전도체의 역사는 20세기 초반부터 시작되어 현재까지 이어져 왔습니다. 주요 발견은 다음과 같습니다.

1. 1911년 네덜란드의 물리학자 헤이케 카메르링크 온스(Heike Kamerlingh Onnes)가 제1초전도체를 발견합니다.
   그는 거의 온도가 0K에 가까운 환경에서 납을 실험하던 중 전기 저항이 갑자기 사라지는 현상을 관찰하였고, 이를 초전도 현상이라 명명하였습니다.
2. 1933년 독일의 물리학자 발터 미슬러(Walter Meissner)와 로버트 오슬레븐(Robert Ochsenfeld)가 초전도체가 마그네틱 필드를 밀어낸다는 것을 발견하였습니다. 이 현상을 미슬러-오슬레븐 효과(Meissner-Ochsenfeld effect)라고 부릅니다.
3. 1954년 미국의 물리학자 론 켈츠(Ron Kelitz)가 금속 초전도체를 거의 온도 0K조건에서 실험할 때, 온도 전선효과에 의해 발생하는 비례 정규화 저항이 초전도체에서 이루어지지 않는 것을 확인했습니다.
4. 1957년 존 바르딘(John Bardeen), 레온 쿠퍼(Leon Cooper) 및 로버트 슈리퍼(Robert Schrieffer)가 초전도 현상을 설명하는 BCS 이론(Bardeen-Cooper-Schrieffer theory)을 제안하였습니다. 이 이론은 전자가 쿠퍼쌍(Cooper pairs)을 형성하여 전기의 흐름이 저항 없이 일어남을 설명해 줍니다.
5. 1962년 브라이언 데이빗 조셉슨(Brian David Josephson)이 전자가 초전도체 사이의 접촉부위에서 인가된 전압 효과를 발견했습니다. 이 현상을 조셉슨 효과(Josephson effect)라고 부릅니다.
6. 1986년 알렉스 뮐러(Alexander Müller)와 조르크 베트(Johannes Georg Bednorz)가 고온 초전도체를 발견합니다. 이를 통해 액체질소와 같은 비교적 높은 온도에서도 초전도 현상이 나타나게 되어 실용적인 응용이 가능해졌습니다.
7. 1987년 은색 고온 초전도체, 이온식 고온 초전도체 등 여러 가지 고온 초전도체의 발견이 이어집니다. 이로 인해 초전도체 연구가 추가로 활성화되었습니다.
8. 1990년대 초전도체 연구는 컴퓨터, 전자장치 및 센서, 에너지 저장 및 전송, 운송 분야와 같은 다양한 응용 기술이 개발되는 기반을 제공했습니다.
9. 2001년 마그넷릿(magneli phase) 초전도체가 발견되었습니다. 이러한 초전도체는 질소와 같은 저온 환경에서 사용할 수 있으며 계면 근처에서 초전도 현상이 일어난다는 특징이 있습니다..
10. 2006년 최첨단 초전도체로 알려진 철 농축산물(iron pnictides) 초전도체가 발견되었습니다. 이것은 철과 비철 산화물의 새로운 구조물을 형성하는 데 관련된 out-of-plane 원자쌍 배열의 특성을 가진 초전도체입니다.
11. 2010년 초전도체 깊이에 대한 추가 연구가 진행됩니다. 다양한 초전도체 및 적용 분야에 대한 연구가 계속 이루어지며, 특히 에너지 저장 및 전송, 운송, 의료, 컴퓨터 및 통신 분야 등에서 발전 및 혁신을 이뤄나갑니다. 초전도체 연구는 지속적으로 진행되어 왔으며, 최근 몇 년간의 역사를 다음과 같이 정리할 수 있습니다.
12. 2011년 2008년도 첫 상용품 선도체(관상 도체)의 발견 이후, 연구자들은 철계, 칠화물 계열 초전도체의 고온 초전도 특성을 연구하였습니다. 이 특성은 새로운 초전도체 계열의 연구를 촉진시켰으며, 고온 초전도체 분야가 추가 확장되었습니다.
13. 2012년 연구자들은 비례인 팬케익형 초전도체 그랬을 개발하여, 전력선 어플리케이션에서의 에너지 손실을 최소화하고 상업적 가용성을 증가시켰습니다.
14. 2014년 칼리포니아 공과대학(Caltech)과 로스알라모스 국립 연구소(Los Alamos National Laboratory) 등과 같은 기관에서 진행된 원자 스핀 상관 설명(SSCO)에 관한 이론 연구가 공개되었습니다. 이로 인해 초전도체의 전자 상관 작용에 대한 이해가 더욱 확장되었습니다.
15. 2015-2017년 수소리치 초전도체 산화물(HSHO) 및 수소리치 마그네슘 다이보로마이드(HMHB)와 같은 수소계열 초전도체가 발견되었습니다. 이들 물질은 온도가 상대적으로 높은 상태에서도 초전도현상을 나타냈으며, 실용적인 애플리케이션을 위한 고온 초전도체 연구의 발전을 이끌고 있습니다.
16. 2018년: 죠셉슨 격막(Josephson junction)의 열 발전 및 열 전송에 관한 연구가 진행되었습니다. 이는 초전도체와 열전 변환 기술의 연계를 통한 에너지 효율성 개선과 새로운 응용 분야 개발을 가능하게 하였습니다.
17. 2019년 연구자들은 초전도체 페로브스카이트(Perovskite)를 개발해 보다 낮은 온도 환경에서 더 높은 전기적 분리 능력을 발휘할 수 있는 초전도체를 제시하였습니다.
18. 2020년 독일 연구진들이 초전도 이기상 반다이바이스(시so-데바is컷이σive바ic) 제작으로 초소 면적과 저전력 직류 혹은 교류로 작동시키는 초전도 어플리케이션 연습의 개발을 기록했습니다.
19. 2021년 수소리치 Lanthanum 혼합물의 연구가 진행되었으며, 이 수직 다이폴 배터리 구조용 초전도체가 개발되어 소비전력 및 에너지 손실 최소화 등 다양한 응용 프로그램상으로 활용되었습니다.
20. 2022년 인공지능 기술과 종합되어 초전도 기생을 탐수하고 기술의 접촉력을 최적화하는에 초점을 둔 연구 프로젝트가 시작되었습니다.
21. 2023년 초전도 소재와 전자 기기를 결합한 초전도 마이크로전자 지지도의 개발이 올해까지 진행되어 왔으며, 이러한 개발로 초전도 소재를 이용한 전자 기기의 설계와 제조(IM저격,뮠)에 대한 연구가 발전되고 있습니다.

초전도체의 구조

초전도체의 결정 구조는 각 소재에 따라 다양한 특성을 가질 수 있으며, 전기를 저항 없이 전도할 수 있는 고유한 성질을 지닙니다. 결정 구조와 초전도 소재의 상호 작용을 이해하는 것은 초전도 현상을 설명하고, 새로운 초전도체의 개발에 기여할 수 있습니다. 원래, 초전도체는 단순한 원자 배열 구조를 가진 금속 또는 합금으로 이루어져 있었습니다. 1986년에 고온 초전도체가 발견된 이후로 금속 산화물의 헤테로 구조와 같은 복잡한 결정 구조를 가지는 초전도체가 개발되었습니다. 이러한 고온 초전도체 소재를 분석 및 조작하기 위해서는 그래프 등의 결정 구조에 대한 이해가 필요합니다. 일반적으로 구리 산화물, 철 기반 초전도체, 페로브스카이트 등과 같은 고온 초전도체의 경우, 결정 구조의 특정 원자적 구조와 전자 현상간에 강한 상관 관계가 존재합니다. 초전도 현상을 일으키는 전자 상관 작용은 이러한 구조적 특징에 의해 발현되며 원자적 레벨에서 조절할 수 있습니다. 이로 인해 높은 전기 전도성 및 고온에서의 초전도가 가능해집니다. 철 기반 초전도체의 경우, 정사각 격자 구조와 레이어드 구조를 특징으로 합니다. 이러한 특징 덕분에 다른 계열의 초전도체와 비교할 때 높은 초전도 온도를 보여줍니다. 일부 연구에서는 철 기반 초전도체의 격자 상수 및 화학 조성 변화를 통해 녹점이 상승하는 것을 관찰했습니다. 또한, 특정 초전도체 소재에서는 일련의 결정구조 변화로 인해 복합 초전도 현상이 존재할 수 있습니다. 수소리치 초전도체 산화물(HSHO) 및 수소리치 마그네슘 다이보로마이드(HMHB)와 같은 수소계열 초전도체는 온도가 상대적으로 높은 상태에서도 초전도 현상을 나타냅니다. 초전도 결정 구조 연구는 초전도 소재의 이해, 최적화, 새로운 물질 제안 및 응용 기술 발전에 중요한 역할을 합니다. 이런 연구를 통해 전자, 광학, 열적 특성에 대한 제어와 더 높은 초전도 온도의 해결책을 찾기 위해 다양한 초전도체 소재 결정 구조의 조합을 확인할 수 있습니다. 이는 최적의 초전도 소재 개발 및 에너지 효율성과 에너지 저장 분야에 혁신을 가져올 것입니다.

마이스너-옥센펠트(Meissner-Ochsenfeld) 효과

마이스너-옥센펠트(Meissner-Ochsenfeld) 효과는 초전도체가 외부 자기장에서 빠져나가며 완벽한 밀착 효과를 발휘하는 물리 현상입니다. 1933년 독일의 물리학자 발터 마이스너(Walter Meissner)와 로버트 오슬레븐(Robert Ochsenfeld)에 의해 처음 발견되었습니다.

마이스너-옥센펠트 효과는 초전도체의 특징 중 하나이며 대부분의 초전도체 시스템에서 일반적으로 나타납니다. 마이스너-옥센펠트 효과가 발견된 이후 초기 이론은 런던 방정식(London equations)에 기반합니다. 런던 형제의 이론을 통해 초전도체에 외부 마그네틱 필드가 벌어짐을 설명합니다. 이러한 상태는 초전도체 내부에서 저항 없는 전류를 생성시키는데, 이 전류는 외부 자기장과 반대 방향으로 흐르게 됩니다. 결과적으로, 마이스너-옥센펠트 효과는 외부 자기장을 포화시켜 초전도체 전체로 확산되지 않게 합니다. 런던 방정식에 기초한 마이스너-옥센펠트 효과 설명에서 한 단계 더 나아가 초전도체의 이론을 완성한 것이 BCS 이론(Bardeen-Cooper-Schrieffer theory)입니다. BCS 이론은 쿠퍼쌍(Cooper pairs)이라는 전자쌍 개념을 도입하여 격자 온소음에 의해 전자 사이의 상관 효과를 제공하여 마이스너-옥센펠트 효과의 발생을 설명합니다. 일반 전도체에서는 외부 자기장이 금속 액체 동반의 건설에까지 지배하며 자기장 낌새의 평행 고려를 원인으로 환영하는 기울기가 올라옵니다. 그러나 초전도체에서는 이러한 현상이 발생하지 않고, 자기장 하락이 외부부에서 상대적으로 작은 침투 깊이로 승강하여 효과 제거합니다.

마이스너-옥센펠트 효과는 초전도체의 응용 분야에서 매우 중요한 역할을 수행합니다. 자기부상 기술, 초전도 선형 모터, 에너지 저장기, 초전도 초빙 전자통 송시스템 등 다양한 고유한 기능을 제공하며, 이 프로세스를 가능하게 하는 것은 마이스너-옥센펠트 효과의 유무입니다. 이 외에도 의료 분야의 진단 및 치료 시스템, 슈퍼컴퓨터 및 고성능 계산 시설 등 다양한 분야에서 초전도체의 마이스너-옥센펠트 효과가 활용되고 있습니다.

마이스너-옥센펠트 효과의 이해는 초전도 체 소재의 활용 가능성을 혁신적으로 개선하고 전기 및 자기 기술의 용도를 넓히는데 크게 기여합니다. 이러한 연구는 초전도체 기술의 발전을 촉진시켜 에너지 효율성을 높이고, 지속 가능한 발전과 환경적 이슈를 해결하는데 도움을 줄 것으로 기대됩니다.

초전도체의 응용

초전도체는 저항이 없는 전류 전달 능력과 완벽한 밀착 효과(마이스너 효과)로 인해 다양한 응용 분야에서 사용되고 있습니다. 초전도체의 응용 분야는 크게 에너지 전송 및 저장, 전력 전자 장치, 전자 부품, 운송, 의료, 통신 및 컴퓨팅, 연구 장비 등으로 나눌 수 있습니다.

1. 에너지 전송 및 저장: 초전도 전력 케이블, 초전도 변압기, 초전도 발전기, 초전도 자기 에너지 저장장치(SMES) 등이 고효율 전력 전송 및 저장에 활용되고 있습니다. 이들 기술을 통해 전력 손실을 최소화하고 에너지 효율성을 향상시킨다.
2. 전력 전자 장치: 고전압 직류 전력 변환 장치, 초전도 RF 전원 소스, 초전도 스위칭, 초전도 생성 조비 외부자석장하여 더 많은 필댔꼴을 찾계을 납작한 기기·를 개발할 수 있다.
3. 전자 부품: 조셉슨 회로, 초전도 양자 인터페어런스 장치(SQUID), 초전도 단자 등은 전자장, 회로 분석, 수색 및 전자장 소스의 측정에 사용된다.
4. 운송: 초전도 자기부상 기술은 리니어 모터 차량, 자기부상 열차(Maglev), 수송 시스템, 항공기 및 우주선 개발에 활용된다.
5. 의료: 초전도체를 사용한 의료 장비로는 자기공명영상(MRI), 자기유도법(MEG), 포지트론 단츨방출 컴퓨터 단층촬영장치(PET)가 있다. 이들 장비는 생체 시료 분석 및 신체 내부 조직의 정밀한 진단에 활용된다.
6. 통신 및 컴퓨팅: 초전도 디지털 및 아날로그 회로, 초전도 산술 소자, 초전도 센서, 초유전 저역 전력 소자 등은 정보 처리 및 데이터 전송에 사용되며 성능 및 속도를 提으로 끌어올려so는다.
7. 연구 장비: 초전도 천체 관측 장비, 초전도 입자 가속기, 초전도 자기 피해 제어 실험 장비 등은 천문학 연구, 고에너지 물리학 연구, 고 입자 빔 연구 등에 활용되어 과학의 발전에 기여한다. 초전도체 응용 분야에 관한 연구가 지속적으로 진행되면서 초전도체 소재의 개발 및 제어 기술의 발전이 이루어집니다.

초전도체 관련 한국기업들

한국에서도 초전도체 기술 개발과 관련된 많은 기업들이 활발한 연구와 생산을 진행하고 있습니다. 대표적인 기업들은 다음과 같습니다.

1. LS산전 (LS Industrial Systems): 초전도 전력 케이블 및 초전도 발전기 등의 개발과 생산에 힘쓰고 있는 기업입니다. 또한 전력계측기 및 전력 변압기 등 전력 기기 분야에서도 활약하고 있습니다.
2. 포스코 (POSCO): 초전도체 소재 개발 및 응용 기술에 대한 연구를 수행하고 있는 대한민국의 주요 철강 기업입니다. 초전도 무선 전력 전송 기술을 개발하였으며, 국내 및 해외 시장에 금속 및 신소재 제품을 공급하고 있습니다.
3. 아모그린텍 (AMOGREENTECH): 전기 및 전자부품 제조업체로 초전도 기술 개발을 진행하고 있습니다. 이 회사는 초전도 자기센서 및 초전도 TMR 센서를 개발하고 생산하고 있습니다.
4. 넵스턴 (NEXTON): 초전도 부품 소재 기술 개발 및 생산을 포함한 다양한 제품 라인업을 갖춘 기업입니다. 초전도 소자용 원료를 제조하고 수출하며, 개발된 두께 측정 기술 등도 공급하고 있습니다.
5. 성진메디카 (SUNGJIN MEDICAL): 초전도 피해 센서(SQUID) 및 초전도 소자를 개발하고 생산하는 의료 기기 및 전자부품 제조업체입니다. 이 회사의 제품은 생체자기센서 및 MEG 기기 등 첨단 의료 장비에 사용되고 있습니다.

이 외에도 국내에서 초전도 기술을 연구하고 있는 대학교 및 연구 기관들이 있습니다. 한국과학기술원(KAIST), 포항공과대학교(POSTECH), 고려대학교, 한국전자통신연구원(ETRI) 등이 대표적인 연구 기관으로, 해당 기관에서는 초전도 기술의 향후 발전 전망 및 산업적 활용 방안을 모색하고 있습니다. 이러한 기업 및 연구 기관들의 지속적인 연구와 개발 노력으로 인해 한국의 초전도 기술 및 산업의 발전이 기대됩니다.

 

초전도체가 미치는 경제적 영향과 미래가치

초전도체는 전기 저항이 없으며 완벽한 밀착력(마이스너 효과)을 가지는 독특한 소재로, 다양한 산업 분야에서 획기적인 기술 혁신과 비즈니스 기회를 창출할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 관련 상장 회사들의 주가는 최근 급등하여 국내 주가 전체에 영향을 주고 있습니다. 

초전도체의 경제적 영향과 미래 가치는 에너지 효율, 전력 전자 기기, 운송 수단, 의료 기술, 통신 및 컴퓨팅, 과학 연구 장비 등 다양한 분야에서 발현됩니다.

1. 에너지 효율: 초전도 전력 케이블 및 변압기를 사용하면, 전력 손실이 크게 줄어 에너지 전송 효율이 증가하게 됩니다. 이것은 에너지 소비의 규모를 줄이며 환경적 이슈와 기후 변화 대응에 기여하게 됩니다.
2. 전력 전자 기기: 초전도 발전기, 에너지 저장 장치, 전력 변환 시스템 등의 개발은 에너지 생산 및 도입의 비용을 낮추고, 에너지 효율을 개선시키며 산업 분야에서 경쟁력을 강화시키는 데 기여합니다.
3. 운송 수단: 초전도 기술을 활용한 자기부상 열차, 리니어 모터 차량, 항공기 및 우주선의 개발이 진행되고 있으며, 빠르고 효율적인 대중교통 수단으로서 높은 수요와 효과를 기대하고 있습니다.
4. 의료 기술: 초전도체를 이용한 의료 기기, 예를 들어 자기공명영상(MRI), 자기유도법(MEG) 등은, 정밀한 진단과 치료가 가능한 첨단 의료 장비로서 의료 시스템의 질을 향상시킵니다.
5. 통신 및 컴퓨팅: 초전도 기술을 활용하여 개발된 데이터 처리 가능성을 극대화하고, 고속 대용량 데이터 전송을 위한 인프라를 구축할 수 있습니다. 이는 디지털 경제와 사물 인터넷(IoT) 시대에 적합한 유망한 기술입니다.
6. 과학 연구 장비: 초전도 천체 관측 장비 및 입자 가속기와 같은 연구 장비는 과학 연구와 교육 사회 전반에 고사양의 시설과 장비를 제공하여 첨단 기술 개발과 과학자들의 연구 활성화에 큰 역할을 합니다.

초전도체의 미래 가치는 경제 측면에서만으론 높은 수익성과 산업화 가능성, 산업 생태계의 활성화, 일자리 창출 등 측면에서 평가되지만, 환경 보호, 기후 변화 대응, 지속 가능한 발전 등 사회 측면에서의 가치도 중요합니다.

이에 따라 초전도체 기술의 지속적인 연구와 개발이 더욱 확대되어, 높은 에너지 효율과 신규 시장 창출을 통한 산업 혁신과 사회 발전에 기여할 것으로 기대됩니다. 이를 통해 인류의 삶의 질을 높이는 데 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다.