Special 핵심전략소재 자립을 위한 소재산업 생태계 조성 및 기술 개발 동향(2)
전력기기용 고기능 초전도 소재

김찬중_한국원자력연구원 신소재융합기술연구부 책임연구원

1. 서론

1.1. 제로저항

초전도(Superconductivity) 현상의 두 가지 특성은 저항이 없는 제로저항(zero resistance[1])과 자장을 반발하는 완전반자성(Perfect diamagnetism[2])이다. 초전도 상태에서는 전기가 저항 없이 흐른다. 저항은 전기(에너지)의 손실을 의미한다. 저항이 있는 구리 같은 금속 도체는 저항에 의해 에너지의 일부를 잃는다. 저항 때문에 발전소에서 생산된 전기에너지의 수 %가 주택이나 공장으로 운송 중 손실된다. 금속인 합금 도체를 저항이 없는 초전도체로 바꾸면 에너지 손실을 줄일 수 있다. 초전도 현상의 제로저항은 모터, 발전기, 전력케이블, 한류기, 변압기 등에 활용된다.

1.2. 자기장 발생

도선에 전기가 흐르면 전류의 이동에 수직한 방향으로 자기장이 형성된다. 자기장의 크기는 도선에 흐르는 전기량에 비례한다. 저항이 없는 초전도 선에는 일반 구리선보다 수 십- 수백 배의 전기가 흐른다. 초전도 선을 솔레노이드 형태로 감으면 높은 자기장을 발생하는 초전도 자석을 제작할 수 있다. 수 테스라(Tesla, T)에서 수 십 T의 초전도 자석은 의료용 자기공명장치(MRI, Magnetic resonance image), 실리콘 단결정 성장용 자석, 핵융합 장치용 초전도 자석, 일반 실험실용 자석으로 사용된다.

1.3. 완전 반자성

초전도체는 자기장을 반발한다. 초전도체는 외부 자기장을 반발할 뿐만 아니라 초전도체 안에 존재하는 자기장도 초전도체 밖으로 밀어낸다. 이 현상을 마이스너 효과(Meissner effect)라고 부른다(그림 1 참조). 완전반자성 현상을 이용하면 물체를 공중에 띄울 수 있다. 제로저항과 완전반자성을 활용하면 초전도 자석으로 기차를 띄워서 움직이고, 에너지 저장장치에 전기를 저장할 수 있다. 초전도 자기부상 현상은 기계부품의 마찰을 줄여주는 베어링과 마찰이 없는 부품 운송 등에도 활용된다.

 1.4. 기기의 소형화

초전도는 기기의 에너지 효율을 높일 뿐만 아니라 장치의 크기도 혁신적으로 줄여준다. 초전도선에는 구리 도선에 비해 수십 배 이상이 전기가 흐른다. 그 만큼 전기장치를 만들 때 전선이 적게 든다. 구리선을 수십 번 감아서 전력기기를 만든다면 초전도선은 한, 두 번 감으면 된다. 따라서 기기의 소형화가 가능하다. 물론 초전도 장치에는 저온을 유지하기 위해 냉각장치를 붙여야 하는 불편함이 있다. 그럼에도 불구하고 초전도 산업은 고효율과 더불어 제품의 소형화와 경량화가 가능하기 때문에 큰 매력을 지니고 있다. 이 논문에서는 미래 에너지 소재인 초전도체의 개발 동향과 응용을 소개하기로 한다.

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