본문내용
1. 초전도체와 고온 초전도체
1.1. 초전도의 정의
초전도는 물질을 절대온도에 가까운 낮은 온도로 냉각할 때 전기저항이 0이 되는 현상을 말한다. 초전도체는 이러한 현상을 보이는 금속 또는 금속화합물을 가리키며, 이를 초전도 재료라고도 부른다. 초전도 상태에서는 전기 저항이 없어 전기 무저항, 무손실, 초고속 등의 특성이 나타나며, 이를 다양한 분야에 응용할 수 있어 지속적인 연구와 발전이 이루어지고 있다.
1.2. 초전도의 특성
1.2.1. 전기저항 감소
초전도체의 가장 대표적인 특성 중 하나는 전기저항이 0이 된다는 것이다. 일반적인 도체에서는 전류가 흐를 때 전기저항으로 인해 열 손실이 발생하지만, 초전도체에서는 전기저항이 없어 전류 손실 없이 전기를 송전할 수 있다.
이는 초전도체 내부의 전자들이 특정 온도 이하에서 쌍을 이루어 움직이는 Cooper 쌍을 형성하기 때문이다. 일반 도체에서는 전자들이 개별적으로 움직이면서 원자핵이나 불순물 등과 충돌하여 전기저항이 발생하지만, 초전도체에서는 전자쌍이 원자핵이나 불순물을 통과할 때 저항 없이 이동할 수 있다.
이러한 무저항 전류 특성은 초전도체를 이용한 전력 송전 및 에너지 저장 분야에 활용될 수 있다. 예를 들어 송전선로에 초전도체를 사용하면 에너지 손실을 크게 줄일 수 있고, 강력한 초전도 자석을 이용하여 전기에너지를 저장하는 것도 가능하다. 또한 초전도 전자기기나 센서에도 활용되어 효율성을 높일 수 있다.
따라서 초전도체의 전기저항 감소 특성은 에너지와 전자기기 분야에서 매우 중요한 응용 가치를 지니고 있다고 볼 수 있다.
1.2.2. 자기장 배제(마이스너 효과)
자기장 배제(마이스너 효과)는 초전도체가 가지고 있는 주요한 특성 중 하나이다. 초전도체는 임계온도 이하로 냉각되면 내부 자기장을 완전히 배제하는 성질을 나타낸다. 이를 마이스너 효과라고 부른다.
마이스너 효과에 따르면, 초전도체 내부의 자기장은 0이 된다. 초전도체 내에 자기장이 작용하면 초전도체 표면에 항자기성 전류가 흘러 자기장을 배제한다. 이를 통해 초전도체는 자기장을 완전히 밀어내어 내부에 자기장이 없는 상태를 유지할 수 있다. 즉, 초전도체는 외부 자기장을 완전히 배제하는 성질을 가지고 있는 것이다.
마이스너 효과는 초전도체의 핵심 특성 중 하나로, 이를 통해 초전도체는 다양한 분야에 활용될 수 있다. 예를 들어 자기부상 열차, 자기공명영상(MRI) 장치 등에 이 마이스너 효과가 적용되고 있다. 이처럼 초전도체의 자기장 배제 능력은 산업 전반에 걸쳐 혁신을 가져올 수 있는 중요한 특징이라고 할 수 있다.
1.2.3. 조셉슨 효과
초전도체는 전기저항이 0이 되어 전류가 저항 없이 흐르는 현상을 보이는데, 이 중 조셉슨 효과는 초전도체의 대표적인 특성 중 하나이다. 조셉슨 효과란 두 개의 초전도체가 얇은 절연층으로 분리되어 있을 때, 전압을 걸지 않더라도 두 초전도체 사이에 전류가 흐르는 현상을 말한다.
이는 1962년 영국 물리학자 브라이언 조셉슨이 발견한 양자물리 현상으로, 절연막을 사이에 두고 있는 두 개의 초전도체 사이에 전압을 걸지 않고도 전류가 흐르는 것을 설명하는 이론이다. 조셉슨 효과에 의해 흐르는 전류는 '조셉슨 전류'라고 불리며, 이 전류는 초전도체에서 전자쌍이 터널링(tunneling)되어 발생하는 것이다.
조셉슨 효과는 두 초전도체 사이의 위상차에 따라 전류의 크기와 방향이 변화하는데, 이러한 특성을 이용하여 매우 빠른 스위칭이 가능한 초고속 논리회로나 초정밀 전압 표준기 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 또한 극미량의 자기장 변화도 감지할 수 있어 뇌신경 활동을 측정하는 초전도양자간섭장치(SQUID) 등에도 활용되고 있다.
종합하면, 조셉슨 효과는 초전도체의 특성을 잘 보여주는 양자물리 현상으로, 이를 응용한 다양한 기술이 개발되어 초전도체 응용의 핵심이 되고 있다고 볼 수 있다.
1.3. 고온 초전도체
1.3.1. 고온 초전도체의 정의
고온 초전도체는 기존의 저온 초전도체와 달리 상대적으로 높은 온도에서 초전도 현상을 나타내는 물질을 의미한다. 일반적으로 저온 초전도체는 수은(Hg)으로 대표되는 순수 금속과 화합물로 이루어지며 4.2K 이하의 온도에서만 초전도성을 나타내는데 비해, 고온 초전도체는 세라믹 화합물로 이루어져 있어 100K 이상의 높은 온도에서도 초전도 현상을 보인다. 고온 초전도체의 발견은 초전도 현상에 대한 기존의 이해를 크게 확장시켰으며, 액체 질소를 냉매로 사용할 수 있게 함으로써 초전도 기술의 실용화에 많은 기여를 하였다.
1.3.2. 고온 초전도체의 특징
고온 초전도체의 특징은 다음과 같다.
고온 초전도체는 액화 질소를 냉매로 이용할 수 있어 저온 초전도체보다 경제적이다. 액체 질소는 액체 헬륨에 비해 만들기 쉽고 저렴하기 때문이다. 따라서 대량으로 사용할 수 있고 상시적인 냉각을 통해 초전도 상태를 계속해서 유지할 수 있다. 이러한 특징으로 인해 고온 초전도 기술을 활용한 다양한 기술이 앞다투어 개발되고 있다.
그러나 고온 초전도 기술은 세라믹 재료가 쉽게 깨질 수 있고 전류의 특성이 상대적으로 나쁘다는 단점을 가지고 있다. 따라서 새로운 형태의 선재를 개발하는 등의 노력이 함께 이루어지고 있다.
2. 초전도체의 역사와 발전
2.1. 초전도체의 발견과 연구
초전도체의 발견과 연구는 약 100년 전부터 시작되었으며, 20세기 초반부터 꾸준히 연구가 진행되어 왔다. 1911년 네덜란드의 물리학자 카메를링 오네스(Heike Kamerlingh Onnes)가 수은...
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