상온 초전도체 특징과 활용분야 그리고 미래전망-LK99
상온 초전도체
상온 초전도체는 상온에서 전기 저항이 0인 물질을 말합니다. 일반적으로 초전도체는 섭씨 -200도 이하의 극저온에서만 작동하기 때문에 상온 초전도체는 꿈의 물질로 불리기도 합니다.
일반적으로 초전도체는 액체질소나 헬륨으로 냉각된 상태에서만 연구할 수 있었습니다. 그러나 최근에는 압력이나 화학적 처리를 통해 상온에서도 초전도체 상태를 나타내는 물질들이 새롭게 발견되고 있습니다.
이러한 상온 초전도체는 전기 전달 속도가 매우 빠르며 전기 저항이 거의 없기 때문에 다양한 산업 분야에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 특히 전기 전달 속도가 빠른 것으로 알려져 있는 상온 초전도체는 초슈퍼컨덕터라는 이름으로 불리며, 합금, 케이블, 전자 소자 등 다양한 분야에서 적용될 가능성이 큽니다.
상온 초전도체는 1911년 헤이케 카메라 쿠에 의해 발견된 이래 100년 이상 연구되어 왔습니다. 하지만 상온 초전도체를 실용화하기 위해서는 초전도 온도를 더 높이고, 안정성을 높이는 등의 기술적 문제가 해결되어야 합니다.
상온 초전도체의 특징
전기 저항이 0이어서 전류가 완전히 흐르게 되어 에너지 손실이 없기 때문에 에너지 효율이 매우 높으며 자기장이 물질 내부에 갇히게 되기 때문에 자기부상 장치나 전자기기 등에 활용될 수 있습니다.
높은 온도에서의 초전도 현상
상온 초전도체는 액체 질소와 같은 비교적 저렴한 냉매로도 냉각 없이도 초전도 상태로 유지될 수 있는 온도에서 초전도 특성을 나타냅니다.
상온 초전도체는 높은 온도에서도 초전도성을 유지할 수 있는 뛰어난 특성을 가집니다. 일반적인 초전도체는 저온에서만 초전도성이 나타나지만, 상온 초전도체는 더 높은 온도에서도 초전도성이 나타나는 것이 특징입니다.
이러한 높은 온도에서의 초전도 현상은 인공 원소를 이용한 초전도체나 암호 석유를 이용한 초전도체 등 다양한 형태의 초전도체에서 나타납니다. 각각의 초전도체에서는 온도와 초전도 합금의 성분 등에 따라서 초전도 현상이 나타나는 온도가 다를 수 있습니다.
특히, 상온 초전도체는 미세 구조와 전자 수송 특성이 탁월하게 설계되어 있기 때문에, 초전도 상태가 상온에서 유지될 수 있습니다. 이는 초전도용 합금의 소결 공정 및 압력 조절 등의 기술적인 개발로 이루어졌습니다.
이러한 상온 초전도체의 특성은 초전도체 기술을 다양한 분야에서 활용하는 데 매우 유용하며, 초전도 기술의 새로운 분야 개척에 큰 기여를 할 것으로 기대됩니다.
고전기 전도성
상온 초전도체는 매우 낮은 전기 저항을 가지고 있어 전기 전도성이 우수합니다.
고전기 전도성이란 전자가 아닌 이온이 전류를 운반하는 성질을 말하며 상온 초전도체에서 고전기 전도성이 나타나는 이유는 다음과 같습니다. 초전도체의 기본 구조는 전자를 3차원적으로 제한하는 것으로, 이로 인해 전자 간에 충돌이 일어나면 전자는 서로 결합하거나 전도성을 띄지 않습니다.
대신, 전자-이온 상호작용이 존재하며, 이온이 전자를 결합시켜 전류를 운반하게 됩니다. 이 과정에서 초전도체에서 전기가 고전기로의 전환되어 고전기 전도성이 나타나게 됩니다. 이러한 고전기 전도성은 상온 초전도체가 다양한 분야에서 활용될 수 있는 이유 중 하나입니다.
고전기 전도성은 화학 분야에서의 전해질, 전기화학 및 고체 산화물 연구 등과 같은 분야에서 매우 유용합니다. 또한, 고전기 전도성이 있는 초전도체는 전기화학 셀, 연료 전지, 전기 자기장 측정 장치 및 나노 기술과 같은 분야에서 핵심적인 역할을 합니다.
다양한 화학 조성
다양한 화학 조성의 물질에서도 상온 초전도 현상을 나타낼 수 있어서 연구와 응용에 다양성을 제공합니다.
상온 초전도체는 다양한 화학조성과 물성을 가지는데, 그 특징은 다음과 같습니다.
① 초전도용 합금에서는 매우 다양한 화학원소들을 사용할 수 있습니다. 대표적인 예로는 Y, Ba, Cu, O, Hg 등의 원소가 있습니다.
② 초전도체의 화학조성에 따라 초전도 온도, 초전도 전류 밀도, 코어 크기 등 이 물성의 변화가 발생합니다.
③ 초전도체에서는 화학조성과 계면 작용, 결정 구조, 결정 상태 등 다양한 상호작용이 서로 복합적이며 세밀하게 관여합니다.
④ 상온에서 초전도를 나타내는 YBCO 소재에서는 화학용액 혼합, 원자층 증착, 공기압 하에서 초전지 탄성용합 등 다양한 기술을 이용하여 초전도장치를 제작합니다.
이러한 특징들은 초전도체 기술에 대한 이해를 높이고 초전도체 기술의 발전에 큰 영향을 미치고 있습니다. 초전도체 기술은 현재 과학기술 분야에서 가장 빠르게 성장하는 분야 중 하나이며, 초전도체의 다양한 화학조성 특징을 제대로 이해하여 초전도체 기술을 발전시키는 것이 매우 중요합니다.
상온 초전도체 활용분야
전력분야
전력 전송 효율을 높이고, 에너지 절약에 기여할 수 있습니다.
상온 초전도체의 전력분야 활용 예시로는 대용량 전력 저장 장치나 전력 효율 개선 기술 등이 있습니다. 대용량 전력 저장 장치는 발전소나 전력 설비에서 생산된 전기를 일정 기간동안 저장하여 필요한 시점에 유틸리티 그리드에 공급하는 시스템입니다.
이는 전력 수요와 공급을 맞추기 위한 대응책으로 중요한 역할을 합니다. 대용량 전력 저장 장치로 상온 초전도체를 이용하면 대규모 전기 저장이 가능해지고, 전력 공급 신뢰성이 높아질 뿐만 아니라, 에너지 소비도 줄일 수 있습니다.
또한 대용량 전력 저장 장치는 인버터와 결합하여 브랜드 글로벌 비전(Brand Global Vision)을 위한 중요한 기반시설 업그레이드 사업 중 하나입니다
상온 초전도체를 이용한 전력 효율 개선 기술도 매우 중요합니다. 초전도체 기술은 전력 전달 속도가 빠르고 전기 저항이 매우 작기 때문에, 효율적인 전력 공급과 순수한 전력 공급이 가능합니다. 이러한 기술은 발전소, 트랜스미션 서브스테이션, 유틸리티 그리드 등 전력과 관련된 다양한 시설에서 활용될 수 있습니다.
운송 분야
자기부상 열차, 자기부상 자동차 등 친환경 운송수단 개발에 활용될 수 있습니다.
상온 초전도체의 운송분야 활용 예시로는 초고속 전기 자동차 충전, 자동차 무선 충전, 전기 항공기의 전력 공급 등이 있습니다. 초고속 전기 자동차 충전 시스템은 상온 초전도체 기술을 이용하여 자동차가 충전기와 연결된 순간부터 매우 빠르게 충전될 수 있습니다.
이를 위해서는 초전도체를 이용한 충전 시스템의 구현이 필요합니다. 상온 초전도체 기술을 활용한 충전 시스템은 전기 자동차를 가지고 장거리 여행을 할 때 굉장히 유용합니다. 상온 초전도체 기술을 활용한 자동차 무선 충전 시스템도 기대됩니다.
자동차 무선 충전 시스템은 전기 자동차가 직접 충전기와 연결되지 않아도 전기를 충전할 수 있는 시스템입니다. 이를 위해서는 상온 초전도체를 이용한 무선 충전 시스템의 구현이 필요합니다.
전기 항공기에서도 상온 초전도체 기술을 활용한 전력 공급 시스템이 적용될 것으로 예상됩니다. 초전도체 기술을 이용하면 전력 수송의 효율성을 높이고 전력 손실을 최소화할 수 있으며, 더욱 안정적인 전력 공급이 가능합니다. 이를 기반으로 전기 항공기는 더욱 효율적인 운영이 가능해질 것입니다.
의료 분야
MRI, CT 등 의료기기의 성능을 향상시킬 수 있습니다.
상온 초전도체의 의료분야 활용 예시로는 의료 영상 기술, 의료용 센서, 의료용 기기 등이 있습니다. 먼저 의료 영상 기술 분야에서의 활용은 초전도체를 이용한 광학적인 분광기술을 통한 혈액 수치 측정 등입니다.
상온 초전도체 기술을 사용하면 다양한 포화 연도나 혈압 측정, 혈당 측정 등 다양한 수치 측정이 가능합니다. 또한 상온 초전도체 기술을 이용한 의료용 센서는 높은 민감도를 가지기 때문에 아주 작은 신호를 감지할 수 있으며, 더 많은 생체 정보를 수집할 수 있습니다.
이를 활용하면 의료 진단이나 치료 분야에서 높은 정확도로 측정이 가능해집니다. 마지막으로, 상온 초전도체 기술을 이용한 의료용 기기와 관련하여는 현재 인공 심장과 같은 초신기술이 개발 중에 있습니다.
초전도체 기술을 이용한 인공 심장은 실제 심장과 같은 속도로 일정량의 혈액을 자동으로 추출해 내보내는 시스템입니다. 이는 심장 이식 환자나 심장 관련 질환을 가진 환자들에게 큰 희망을 줄 수 있습니다.
IT 분야
초고속 컴퓨터, 슈퍼컴퓨터 개발에 활용될 수 있습니다.
상온 초전도체의 IT 분야 활용 예시로는 다양한 분야에서 사용 가능한 초고속 데이터 전송 기술이 있습니다. 상온 초전도체를 이용한 초고속 데이터 전송 기술은 데이터 전송 속도를 향상시키고 전력 소모를 줄여서 더욱 효율적인 데이터 송수신이 가능합니다.
상온 초전도체를 이용할 경우, 데이터의 처리 시간이 매우 빨라지기 때문에 빅데이터와 같은 대용량 데이터 처리에도 매우 적합합니다. 이러한 초고속 데이터 전송 기술은 클라우드 컴퓨팅이나 사물 인터넷 (IoT) 분야에서도 많이 활용될 것으로 예상됩니다.
클라우드 컴퓨팅은 데이터 처리와 보관에 초고속 데이터 전송이 필수적인데, 이때 초전도체 기술이 큰 역할을 할 것입니다. 또한, 상온 초전도체 기술을 활용한 IoT 시스템은 더욱 빠른 대응과 효율적인 데이터 처리가 가능할 것입니다.
또한 상온 초전도체 기술은 인공 지능 and 딥 러닝 분야에서도 사용될 것으로 예상됩니다. 초전도체 기술을 이용하여 동작 속도가 빠른 컴퓨팅 기술이나 저전력, 고성능 컴퓨팅 기술을 개발할 수 있습니다. 이러한 컴퓨팅 기술은 인공 지능, 딥 러닝 분야에서 빠른 정확한 처리를 위해 필요합니다.
국내 연구진의 상온 초전도체 개발 : LK-99
2023년 7월, 국내 연구진이 섭씨 15도에서 초전도 현상을 보이는 물질 LK-99를 개발했다고 발표하여 전 세계적으로 화제가 되었습니다. 이 물질은 황화구리(CuS)와 산화구리(CuO)의 혼합물로 이루어져 있으며, 기존의 상온 초전도체보다 초전도 온도가 높고 안정성이 높다는 평가를 받고 있습니다.
상온 초전도체의 미래
상온 초전도체의 개발이 성공한다면, 전력, 운송, 의료, IT 등 다양한 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대됩니다. 상온 초전도체의 상용화는 아직까지는 먼 미래의 일이지만, 과학자들의 노력으로 하루빨리 현실화될 수 있기를 기대해 봅니다.
상온 초전도체는 미래의 과학 기술 발전과 산업 발전에 매우 중요한 역할을 할 것입니다. 예측 가능한 미래 영역 중 하나는 데이터 저장 및 전송 분야입니다. 상온 초전도체를 이용하면 막대한 양의 데이터를 초고속, 초저전력으로 전송할 수 있습니다.
또한 초전도체 기술은 전력 공급 분야에서도 매우 유용하게 적용될 것입니다. 상온 초전도체 기술을 활용한 초슈퍼컴퓨터는 상당한 성능을 기대할 수 있습니다. 초슈퍼컴퓨터를 이용해 기상 예측, 통계 분석, 인공 지능 등 다양한 분야에서 높은 성능을 보여줄 것으로 예상됩니다.
초전도체 기술을 활용한 센서 분야에서도 상당한 성과를 예상할 수 있습니다. 초전도체를 이용한 센서는 소형화, 고정밀화 등의 이점을 가지고 있어 의료, 생화학 분야 등에서 활용할 수 있을 것입니다.
또한 비승급 상온 초전도체 기술을 이용한 대용량 전력 저장 장치 개발도 큰 관심사 중 하나입니다. 대용량 전력 저장 장치를 이용해 전력 공급 신뢰성을 높일 수 있고, 대기 중 이산화탄소 저감을 위한 대규모 에너지 모델링 등 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다.
이러한 상온 초전도체 기술의 광범위한 적용은 미래 산업의 성장을 위한 중요한 기반 기술이 될 것입니다. 특히 이러한 기술의 보급과 더불어 새로운 초전도체 발견 및 지속 가능한 초전도체 생산 기술 개발은 중요한 과제로 남아있으며, 이를 통해 환경 친화적인 미래를 구현할 수 있습니다.
