특정한 조건에서 전기 저항이 '0'으로 변하는 초전도체. 응용 분야가 무궁무진하고 산업 전반에 걸쳐 엄청난 파급 효과를 유발하기에 제2의 산업 혁명을 일으킬 신성장 동력으로 꼽는다. 세계 각국이 초전도 기술을 선점하기 위해 막대한 인력과 연구비를 투자하는 이유다. 특히, 비교적 고온에서 초전도 현상을 나타내는 '고온 초전도체'는 제조하기 쉽고 비용이 저렴하기에 초전도 기술의 실용화도 머지않았다. 고온 초전도의 특성은 무손실 전력 송전, 초고속 자기 부상 열차, 초전도 자장을 활용한 의료 기기 그리고 여러 가지 연관 산업 분야에 광범위하게 활용할 수 있다. 그중 초전도 전력 기기 분야는 대용량, 친환경, 고효율 특성으로 막대한 사회경제적인 부가가치를 창출하기에 연구가 가장 활발하다.
전기가 통하기 어려운 정도를 나타내는 것이 '전기 저항'이다. 물질에는 전기 저항이 작아서 전기가 잘 통하는 '도체'와 전기 저항이 커서 전기가 잘 통하지 않는 '부도체'또는 '절연체'가 있다. 도체 중 구리와 알루미늄 같이 전기가 잘 통하는 것을 '양도체'라 하며 주로 전기 배선과 전기 기기에 사용한다. 양도체는 전기 저항이 아주 작을 뿐 전혀 없는 것은 아니다. 전기 저항 때문에 전기를 흘리면 주울열이 발생해 전기 손실이 발생한다.
전기 저항을 없애는 방법은 없을까. 어떤 물질을 절대 온도 K(Kelvin 온도)에 가까운 극저온 상태로 냉각하면 갑자기 전기 저항이 없어지는 초전도(Superconduction) 현상이 있다. 초전도는 전기 저항(손실)이 전혀 없는 현상으로 특정한 온도, 전류, 자기장 등의 조건하에서 발생한다. 초전도체는 어떤 특정한 온도(임계 온도 혹은 초전도 전이 온도, TC) 이하에서 직류 저항이 '0'이 되는 특성을 보이는 재료를 말한다.
전기 저항 '0', 초전도 역사 초전도는 1911년 네덜란드 라이덴 대학의 물리학자 카메를링 오네스H. Kamerlingh Onnes가 극저온 상태에서 사용할 온도계를 찾는 과정에서 우연히 발견했다. 오네스는 1908년 헬륨을 액화(4.2K)하는 데 성공했다. 당시 산소, 수소, 헬륨 등 액화 가스의 극저온 온도를 어떻게 측정하느냐 하는 것이 관심사였다. 오네스는 헬륨의 액화 기술을 이용해 극저온에서 물질의 성질이 어떻게 변하는지 연구하다가 금속의 전기 저항은 온도와 밀접한 관계가 있다는 것을 알아내고, 여러 가지 금속에 대한 전기 저항을 '온도 의존성'을 이용해 측정했다. 오네스는 1911년 실온에서 유일한 액체 금속인 수은의 전기 저항 온도 의존성을 측정하다가 액체 헬륨온도 4.2K에서 수은 선재의 전기 저항이 갑자기 사라지는 것을 발견하고, 이러한 상태를 '초전도'라고 명명했다. 전기 저항이 '0'으로 어떤 물질보다 전기전도성이 뛰어나 '최고(Super)의 전도체(Conductor)'라는 뜻으로 붙인 이름이다.
전기 저항이 없다는 것은 어떤 뜻일까. 초전도체는 적절한 조건에 이르면 전기 저항이 완전히 사라져 도체 중 전도율이 가장 큰 물질로 변한다. 보통 어떤 물체에 전류가 흐르면, 그 물체에 전류의 제곱과 물체의 저항을 곱한 값의 주울열이 발생해 에너지 손실이 커진다. 반면, 전기 저항이 없는 초전도체는 에너지 손실 없이 훨씬 더 많은 양의 전류를 멀리 보낼 수 있다. 예를 들어 <그림> 전기 저항 '0'상태에서와 같이 초전도체 고리에 전류를 흘리면, 저항이 없기에 초전도체를 따라 흐르는 초전류는 감쇠하지 않고 영원히 흐른다. 1933년 독일의 마이스너Meissner와 오센펠트Oschenfeld는 초전도체가 단순히 저항이 없어질 뿐만 아니라 내부의 자기장을 밖으로 내보내는 현상(자기 반발 효과)이 있다는 것을 발견했다. 초전도체의 완전 반자성으로 나타난 현상인데, 이를 '마이스너 효과(Meissner Effect)'라고 부른다. 도체 위에 간격을 유지한 상태로 자석을 두면, 자석에서 발생하는 자기장이 도체에 도달하고 도체내부에 자기장이 침투한다. 그런데 임계 온도에서 초전도 상태에 이르면, 보통 물질과 달리 자기장을 밖으로 밀어내는 성질(차폐 전류가 발생)이 있어 자석은 초전도체와 거리를 그대로 유지한 채 떠오른다. 이때 초전도체 내부의 자속 밀도(B)를 측정하면 '0'이 되고, 이러한 초전도체의 완전 반자성을 마이스너 효과라고 한다. 하지만 이때 주위 온도가 임계온도 이상으로 오르면 시료는 초전도의 성질을 잃고(퀸치Quench 현상) 자석은 더 이상 떠오르지 않는다. 마이스너 효과는 외부에서 가해진 자기장을 상쇄시키기 위한 전류(차폐 전류)가 초전도체에 흘러 외부의 자석과 반대되는 자극을 만듦으로써 나타난다. 자기장을 밀어내는 자기 부상 효과를 이용해 자기 부상 열차나 초전도 베어링 등을 제작할 수 있다.
초전도체는 전기를 구리선보다 150배 이상 효율적으로 전달할 수 있다. 그러나 초전도 상태로 만들려면 초전도성 물질을 임계 온도라 불리는 극저온 상태로 냉각해야 한다. 특정 온도 영역(전이 온도)은 많은 연구자가 수십 년간 연구해 온 분야다. 대부분의 연구자는 에너지 문제를 해결 할 신물질을 만들거나 그 수준을 향상시키고자, 이 영역에 대한 연구에 박차를 가해 왔다. 그러나 초전도체를 만드는 임계 온도는 현재 -130℃ 근처이기에 관련 연구의 최종 목표는 상온에서 초전도체를 만드는 것이다. 스탠포드 대학 물질 · 에너지과학연구소(SIMES)의 자이 순 쉔Zhi-Xun Shen은 "우리가 발견한 새로운 상(Phase)을 조절하고 관리하면 새로운 초전도체를 찾을 뿐만 아니라, 에너지 응용을 위해 초전도체를 획기적으로 최적화할 것이다"라고 말한다. 쉔 연구팀의 연구 결과는 2011년 3월《사이언스》에 게재됐다.
초전도체는 에너지 손실이 전혀 없으며, 100% 전력 효율을 갖는 물질이다. 초전도체는 현재 MRI, 고효율 발전기, 자기 부상 열차 등에 쓰인다. 초전도체의 전력 분야 응용은 극히 일부분이자 시작에 불과할 뿐이다. 하지만 초전도체의 무한한 잠재성은 단 한 가지 한계성 때문에 아직 갈 길이 멀기만 하다. 바로 초전도체가 극저온에서만 그 특성을 나타낸다는 것이다. 지난 25년간 과학자들은 고온에서 작동하는 '고온 초전도체'개발에 몰두했음에도, 현재의 기술력은 초전도체를 만들기 위해 적어도 절대 온도 0도의 절반까지 냉각시켜야 한다. 현재까지 개발한 초전도체 중 가장 높은 온도에서 작동하는 초전도체가 바로 '큐프레이트Cuprates'다. 초전도체를 쉽고 저렴하게 이용하려면 초전도체의 작동 온도를 획기적으로 올려야 한다. 이에 대한 가능성을 높인 큐프레이트는 구리-라덴 재료로, 전이 온도가 액체 질소의 끓는점인 -195℃보다 높은 유일한 초전도체이기 때문이다. 하지만 어떤 것을 바꾸려면, 그것에 대한 이해가 필요하며 이를 위해 특정 온도 영역에 대한 미스터리를 풀어야만 한다. 초전도체의 전형적인 특징 중 하나는 물질이 초전도체상으로 전이할 때 나타나는 에너지 갭Energy Gap이다. 전자 에너지 갭은 초전도체 전류가 실제 구동할 수 있는 낮은 에너지 수준에서 전자가 쌍을 이룰 때 발생한다. 대부분의 물질 온도가 초전도체의 특성을 갖지 않을 만큼 상승하면 전자 쌍(Eelectron Pair)은 분리된다. 전자는 이전에 가졌던 에너지를 회복하기 시작하고 에너지갭은 사라진다. 그러나 큐프레이트는 초전도체를 이루는 임계 온도 이상에서도 에너지 갭을 유지한다. 이것을 '특정 온도 영역'이라 한다. 이러한 슈도 갭Pseudo Gap은 티-스타로 불리는 두 번째 임계 온도에 이를 때까지 완전히 없어지지 않는 특성을 보인다. 통상적으로 큐프레이트의 특정 온도 영역은 초전도 현상이 나타나는 온도보다 100℃ 정도 높다. 특정 온도 영역 상태에서 전자는 초전도 상태가 아니다. 이것이 지난 20년간 물리학자들의 머리를 아프게 했던 미스터리다. 쉔은 "이러한 특정 온도 영역에 대한 명쾌한 해답은 아마도 초전도의 확장 영역 또는 더 나은 초전도체로 발전하는 임계점이 되는 또 다른 상에 대한 조짐일지도 모른다"라고 말한다. 쉔 연구팀은 큐프레이트 초전도체 샘플의 내부와 외부를 세밀히 관찰했다. 연구진은 샘플 표면에서 전자 거동, 샘플 내부에서 열역학적 거동 및 샘플의 동적 특성 변화를 측정함으로써 최초로 세 가지 측정 기술을 동시에 적용하는 실험을 수행했다. 캘리포니아 대학 응집 물질 물리학자인 수딥 차크라발티Sudip Chakravarty는 "동일한 샘플을 이용해 세 가지 다른 측정을 한다는 것은 말처럼 쉬운 작업이 아니며, 수십 년간 연구를 통해 본 연구에서 사용한 측정 기술은 지금까지 해결하지 못한 문제를 풀 핵심적인 기술이 될 것이다"라고 말했다. 연구팀은 특정 온도 영역 상에서 전자가 쌍을 이루지 않는다는 것을 발견했고, 또한 지금까지 구별하기 어렵고 찾기 힘들던 전자의 순서를 밝혔다. 사실, 물질이 초전도성을 나타낼 때 전자는 새로운 순서로 존재한다. 이 사실을 지금까지 간과했으나, 초전도 상태에서 전자 쌍의 거동을 관찰함으로써 밝혀졌다. 차세대광원연구소의 박사 후 과정 연구원이자, 본 연구의 주저자인 루이후아 히Ruihua He는 "간단히 말해 특정 온도 영역은 차기 연구의 방향을 제공하는 물질의 새로운 상을 의미한다"며, 첫째 자연계의 특정 온도 영역순서 규명, 둘째 특정 온도 영역이 초전도 현상에 친화적인지 적대적인지 유무 확인, 셋째 특정 온도 영역이 친화적일 경우 이를 강화하는 특정 온도 영역의 순서 찾기와 같은 세 단계 향후 연구 계획을 제시했다. 한편, 스탠포드 가속기광원연구소 일원이자, 본 논문의 공동 저자인 마코도 하시모토Makoto Hashimoto는 "고온 초전도체 제작에 대한 로드맵을 보다 분명하게 제시하고 있으며, 이러한 로드맵은 다양한 분야의 과학 발전에 중요한 역할을 할 것이다"라고 말했다.
※ 출처 : 〈ScienceDaily〉2011. 3. 11
공중 부양한 자석, 자기 부상 열차는 이 원리를 이용했다.
1957년 바딘John Bardeen, 쿠퍼Leon Cooper, 슈리퍼Robert J. Schrieffer 세 사람은 초전도 이론(BCS 이론 : 세 사람의 이름 이니셜)을 완성해 초전도 현상의 원리를 설명했다. 또한, 1962년 캠브리지 대학 대학원생이던 조셉슨Brian D.Josephson은 두 초전도체가 얇은 절연체 막을 사이에 두고 결합할 때(조셉슨 접합) 초전도체만이 갖는 '조셉슨 효과'를 예측했다. 1963년 기에브Ivar Giaever는 '초전도 접합 터널 현상'을 발견했다. 조셉슨 효과란 2개의 초전도체를 매우 얇은 절연막을 사이에 두고 격리하면, 터널 효과에 의해 전자가 특수한 쌍(쿠퍼 쌍)을 이뤄 절연 막을 통과하는 현상을 말한다. 반도체나 일반 금속 속 전자는 각각 별개로 행동하지만, 조셉슨 접합 안의 전자는 나란히 운동한다. 조셉슨 접합을 통해 직류 전류를 흘려 보낼 때, 한계 전류까지 절연막이 있어도 초전도체 사이에 전위電位차가 발생하지 않고 직류 전류가 흐른다. 그런데 직류 전류가 한계 전류를 넘으면, 초전도체 사이에 전위 차가 생겨 교류 전류가 흐른다. 이때 교류 주파수는 직류 전압에 비례하고, 외부로 부터 전자기파(마이크로파)를 조사照射하면 간섭 현상이 생겨 교류 주파수가 전자기파 주파수와 같을 때 직류 전류가 생긴다. 조셉슨 전류가 외부 자기장에 민감하게 반응하는 것을 이용하면 자기장 · 전류 · 전압 등의 고감도 측정 장치, 교류 조셉슨 효과와 외부로부터 가한 전자기파와의 간섭을 이용한 검파기檢波器등에 응용하고, 또한 컴퓨터 연산 소자로 이용할 수 있다. 한편, 초전도 연구는 1986년을 기점으로 두 시기로 나뉜다. 1911년 초전도 현상을 발견한 후 거의 모든 사람이 비교적 값싼(코카콜라 가격 정도) 냉매인 액체 질소로 냉각할 수 있는 온도, 즉 77K 이상에서 초전도 현상을 보이는 물질은 우주에는 없는 것으로 믿었다. 하지만 1986년 IBM의 베드노르쯔Bednorz와 뮬러Mller가 개발한 란타늄 계열의 초전도체를 필두로, 1987년 중국계 미국 과학자 우M. K. Wu와 츄C.W. Chu는 77K 이상에서 초전도현상을 보이는 물질을 개발했다. 바로 산화물계 초전도체들이다. 현재 고온 초전도체로 주목받는 것은 희토류 산화물인 란타늄계(임계 온도 30K)와 이트륨계(임계 온도 90K), 비스무스 산화물계와 수은계(임계 온도 134K) 등이다.
초전도체 종류와 구분 초전도체는 일반적으로 저온 초전도체(LTS : Low Temperature Superconductor)와 고온 초전도체(HTS : High Temperature Superconductor)로 구분한다. 임계 온도의 크기에 따라 상대적으로 높은 온도에서 초전도 전이가 일어나는 물질을 고온 초전도체, 상대적으로 낮은 온도에서 전이가 일어나는 물질을 저온 초전도체로 구분한 것이다. 또한, 초전도 재료의 특성을 바탕으로 금속 초전도체, 산화물 초전도체, 유기물 초전도체 등으로, 초전도 물질의 특성에 따라 I형 초전도체와 II형 초전도체로 분류할 수 있다.
저온 초전도체 | 저온 초전도체 중 현재 상용화한 소재는 임계 온도 9K급 Nb-Ti 합금이 주류를 이루고, 임계 온도 8K급 Nb3Sn을 일부 사용한다. 이들 저온도체는 다심 선재 형태로 제조해 초전도 전자석의 권선으로 사용하며 의료용 자기 공명기, 초전도 자기 부상 열차, 초전도 자기 에너지 저장 시스템(SMES)에 이용한다. 저온 초전도체를 송전 케이블, 변압기, 한류기, 모터 등에 전력용과 새로운 응용 기기에 광범위하게 사용하지 못한 것은 임계 온도가 낮아 냉각 매체로 고가의 액체 헬륨을 사용해야 하므로 경제성이 낮기 때문이다.
고온 초전도체 | 1986년 이후 고온 초전도체 소재를 발견하면서 1987년 90K급 YBa2Cu3O7-d(YBCO) 발견한 후 임계 온도 105K인 Bi-Sr-Ca-Cu-O계, 125K인 Tl-Ba-Ca-Cu-O계, 134K인 Hg-Ba-Ca-Cu-O계로 진보했다. 90K급 YBCO 초전도체 발견은 액체 헬륨 대신 액체 질소를 냉매로 사용할 수 있는 가능성을 열었고, 고온 초전도체의 산업용 응용을 실현하기 위한 제조 기술 및 응용 기술 개발을 촉진하는 계기가 됐다. 고온 초전도체 소재 중 YBCO와 BACCO 두 종류가 실제 응용성이 있는 것으로 평가받는다. 고온 초전도체는 액체 질소를 사용하므로, 비용 절감과 응용 범위를 획기적으로 넓혔다. 전력 기기는 철, 구리, 알루미늄의 물성 재료와 전기 기기 기술을 결합한 현대 문명의 성과로, 100년 이상 기술 혁신 결과 기능적으로 완성단계다. 이에 반해 초전도 기기는 경제성과 환경성 측면에서 기존 관념을 넘어설 수 있는 신기술로 각광받는다.
고온 초전도체 응용 분야, 전력 기기 전력 사업의 목적은 저비용의 안정적 전력 공급, 저공해, 전력 공급의 신뢰성 확보 등이다. 이를 위한 기술 과제는 대용량 · 고밀도화, 저비용화, 고신뢰성화, 저손실화 등이다. 전력 시스템에 초전도 기술을 응용 · 도입하려면 ▲현재 기술과 동등한 신뢰성 확보 ▲저비용화와 저손실화 실현 ▲교류에 사용 ▲초전도 상태부터 상전도체로의 초전도 깨짐(Quenching) 방지 등이 필요하다. 고온 초전도 전력 기기로는 케이블, 변압기, 한류기, 모터, 발전기, 에너지 저장 장치, 대용량 전류 리드 등이 있다.
초전도 케이블 | 기존 케이블보다 150배 정도 전류를 흘리므로, 66㎸A 정도 저전압으로 1회선당 3~5GW(송전량)를 50㎞ 정도까지 송전할 수 있다. 고온 초전도 선재의 개발에 따라 냉각 비용이 감소해 3~5GW의 시스템 비용이 재래 기술과 경쟁할 수 있는 수준에 도달했다. 21세기 전반에 전력수요는 1회선당 3~5GW이므로, 현재 사용 중인 지중 전력구를 추가로 건설하지 않고 초고압 송전기술을 사용하지 않아도 Bi계 은시스(Silver Sheath) 선재 같은 고온 초전도 선재를 사용해 도심 지중 케이블의 송전량을 2배로 늘릴 수 있다. 고온 초전도 케이블은 현재 사용하는 구리와 알루미늄 송전선에 비해 ▲전력망의 신뢰도와 안정성 향상 ▲기존 관로 시설을 이용해 4배 송전 ▲전력망내 교류 전력 흐름 조절 용이 ▲설비의 절감 등이 장점이다.
초전도 변압기 | 기존 변압기보다 크기가 작고 조용하며 효율이 높다. 냉각용 오일을 사용하지 않으므로 화재나 오염의 염려가 없어 친환경적이다. 도심이나 건물 내에도 설치할 수 있다. 제작비가 기존 변압기보다 많이 들지만, 전 수명 기간 비용은 오히려 적다. 1㎹A급은 성공적으로 시험을 마쳤으며 30㎹A급을 개발 중이다.
초전도 한류기 | 전력 계통에 사고 전류가 발생했을 때, 이를 조절함으로써 차폐기의 교체와 변압기 등 중요 기기의 파손으로 인한 비용을 절감한다. 또한, 계통 운영의 유연화와 안정도 향상을 기대할 수 있다. 한류기에 대한 여러 가지 아이디어가 있으나, 실제 계통에 적용한 사례가 드물며, 고온 초전도체를 발견한 이후 새로운 응용 분야로 등장했다. 따라서 대체 기술이 없어 고온 초전도 전력 기기 중 가장 빠르게 시장에 진입할 것으로 보인다. 다른 전력기기와 달리 선재, 박막, 벌크 등 다양하게 이용할 수 있다. 미국, 일본, 독일에서 국가 프로젝트로 추진 중이다.
초전도 모터 | 저온 초전도체 모터를 1960년대부터 개발했으므로 기반 기술을 이미 확보한 셈이다. 주요 관심 대상은 군함이나 대형 상선에 사용할 고온 초전도 Pod 모터다. 미 해군이 36.5㎿, 75톤 모터 개발을 추진해 왔다.
초전도 발전기 | 화력 발전이나 원자력 발전에 적용하는 터빈 발전기의 상전도 회전자를 초전도 회전자로 교체한 것으로, 크기와 무게를 재래식 발전기의 1/2로 감소시키고 발전기 효율을 0.5~1% 높였다. 초전도 발전기를 도입하면 전력 계통 안정성 향상, 에너지 절약, 전력 손실 반감 등의 이점이 있다. 초전도 발전기 개발은 일본이 가장 앞섰으며, 국가 프로젝트로 70㎹A 규모 기술 개발을 완료했다.
초전도 에너지 저장 장치 | 에너지 저장 기술은 크게 SMES(Superconducting Magnetic Energy Storage)와 SFES(Superconduction Flywheel Energy Storage)로 구분한다. SMES는 초전도체의 무손실 특성을 활용해 초전도 코일에 자기 에너지 형태로 저장하고, SFES는 전기를 모터에 의해 원판의 회전체를 돌려 회전 에너지 상태로 저장했다가 필요한 시점에 방출해 에너지를 소비한다. 전력 수급과 전력 기술의 특성을 바꾸는 획기적인 사안으로, 현재 국가 프로젝트로 개발 중이다.
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초전도체 시장 규모 BCC Research 보고서에 따르면, 세계 초전도 시장은 연평균 13.9% 성장해 2013년 27억 달러로 늘어 날 것 이 다 . 또 한 , ISIS(International Superconductivity Industry Summit) 분석에 따르면, 향후 초전도 시장은 고효율 대용량 전력 생산 및 송전 기기 중심의 에너지 분야, 초전도 회전기 중심의 산업 기기 분야 및 센서 기반 전자 소자 응용 분야가 주도할 것으로 보인다. 지경부는《초전도 전력 기기의 실계통 적용 기술 개발 : 기획 보고서》에서 2040년 전 세계 초전도 기기 시장 규모를 1,624억 달러/년으로 전망했으며, 초전도 기기 중 케이블이 592억 달러/년, 한류기가 178억 달러/년을 점유할 것으로 보았다. 2040년 국내 시장 규모는 44.9억 달러/년, 그중 케이블이 18.4억 달러/년, 한류기가 5.1억 달러/년으로 전망했다. 우리나라는 한국전력연구원과 전기연구원을 중심으로 5개 분야 이상의 고온 초전도 전력 기기를 개발 중이다. 원자력연구소와 기계연구원 등이 고온 초전도 재료 및 선재, 테이프 개발에 참여하고, 효성과 현대중공업이 고온 초전도 변압기 개발, LG와 삼성 등이 고온 초전도 선재와 테이프와 케이블 개발, 효성은 플라이휠Flywheel 개발에 참여하고 있다.
참고 자료 :《 초전도 전력 기기》한국과학기술정보연구원,《 고온초전도 소재 기술 조사》한국과학기술정보연구원, 《초전도 전력기기의 실계통 적용 기술 개발 : 기획 보고서》지경부, 《온실가스 감축 기술 전략 로드맵 2011-초전도》한국에너지기술평가원, 《ScienceDaily》, 차세대초전도응용기술개발사업단 홈페이지
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