초전도체 관련 테마주가 이슈가 되는 이유 알아보기

초전도체는 절대영도 근처에서 발생하는 물리적 현상으로, 일정 온도 이하에서 저항이 완전히 사라져 전기를 완벽하게 전달하는 물질을 의미합니다. 이는 일반적인 전도체와는 다르게, 전류를 흘려도 에너지 손실이 없는 놀라운 특성을 가지고 있습니다.

 

이번 글에서는 초전도체의 개념과 원리, 그리고 이를 활용한 다양한 응용분야에 대해 알아보겠습니다.

 

초전도체의 발견

초전도체는 1911년에 네덜란드의 물리학자 헤이케 카메링 온네스에 의해 처음 발견되었습니다. 그는 수은을 절대영도에 가깝게 냉각시키는 실험 과정에서 이 놀라운 현상을 관찰했습니다.

 

헤이케는 수은의 전기 저항을 측정하면서 온도를 점차 낮추었는데, 그 결과 수은의 전기 저항이 일정 온도(4.2K) 이하에서 갑자기 0으로 떨어지는 현상을 발견했습니다. 이는 전기 저항이 완전히 사라져 전기 에너지의 손실 없이 전류를 전달하는 즉, '초전도' 현상을 처음으로 발견한 것입니다.

 

이 발견은 물리학, 특히 고체물리학 분야에 있어서 중요한 역할을 하였고, 그의 이러한 공로를 인정받아 온네스는 1913년 노벨 물리학상을 수상하게 되었습니다. 이후 초전도체에 대한 연구는 물리학뿐만 아니라 전기공학, 재료공학 등 다양한 분야에서 진행되어 왔습니다.

 

 

초전도체의 원리

초전도체의 원리는 물질 내부의 전자들이 쌍을 이루어 '쿠퍼 쌍'을 형성하고, 이 쿠퍼 쌍들이 전류를 전달하는 과정에서 발생합니다.

 

일반적인 전도체에서는 전자들이 이동하면서 물질의 어떤 부분에 충돌하며 에너지를 잃습니다. 이것이 바로 저항이 발생하는 원리입니다. 그러나 초전도 상태에서는 물질 내의 전자들이 특별한 상태인 '쿠퍼 쌍'을 형성하게 됩니다.

 

쿠퍼 쌍은 전자 두 개가 양성자의 진동에 의해 서로 묶이는 현상으로, 이렇게 형성된 쿠퍼 쌍은 물질 내에서 자유롭게 이동할 수 있습니다. 이 때문에 쿠퍼 쌍이 이루어진 초전도 상태에서는 전자의 충돌 없이 전류가 흐르게 됩니다. 다시 말해, 초전도 상태에서는 저항이 0이 되어 전기 에너지의 손실 없이 전기를 전달할 수 있는 것입니다.

 

이러한 초전도 현상은 절대영도에 가깝게 냉각된 상태에서만 일어나는데, 이는 쿠퍼 쌍이 형성되기 위한 조건이 충족되기 때문입니다. 따라서, 초전도체의 원리를 이해하는 것은 물질의 초전도 현상을 이해하고 활용하는 데 있어 중요한 역할을 합니다.

 

초전도체의 종류

초전도체는 그 발견된 시점과 특성에 따라 주로 1세대와 2세대 초전도체로 나뉩니다.

 

• 1세대 초전도체: 처음 발견된 초전도체로서, 낮은 온도에서만 초전도 특성을 보입니다. 대표적으로는 니오븀 티타늄(Niobium Titanium, NbTi) 합금, 니오븀 틴(Niobium Tin, Nb3Sn) 합금 등이 있습니다. 이들은 절대영도에서 10K 이하의 매우 낮은 온도에서만 초전도 상태를 유지할 수 있습니다.
• 2세대 초전도체: 기존 초전도체에 비해 상대적으로 높은 온도에서도 초전도 특성을 보이는 물질들을 말합니다. 이를 고온 초전도체라고도 부릅니다. 대표적으로는 이트륨 바륨 구리 산화물(Yttrium Barium Copper Oxide, YBCO) 등이 있습니다. 이들은 액체 질소의 끓는점인 77K 정도에서도 초전도 상태를 유지할 수 있어서, 냉각 과정이 상대적으로 간편합니다.

 

이 외에, 최근에 이슈가 되고있는 상온 초전도체라는 개념이 제시되어 연구 중에 있습니다. 이는 상온에서도 초전도 특성을 보일 수 있는 물질을 찾는 연구로, 실현된다면 에너지 전송 및 저장, 전자기기, 교통, 의료 등 다양한 분야에서 혁신적인 변화를 가져올 수 있을 것입니다.

 

초전도체의 응용분야

초전도체는 그 특성상 에너지 손실 없이 전기를 전달할 수 있기 때문에, 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.

 

에너지 저장 및 전송: 초전도체를 이용한 에너지 저장장치인 '초전도 에너지 저장 장치(SMES)'는 에너지를 전기자기장의 형태로 저장하므로, 에너지 손실이 거의 없습니다. 또한, 초전도 케이블은 전력 손실을 최소화하면서 대량의 전력을 전송할 수 있습니다.

 

자기부상 열차: 초전도체를 이용한 자기부상 열차는 바퀴의 마찰 없이 운행되므로, 고속 운행이 가능합니다.

의료 기기: MRI와 같은 의료 기기에서는 강력한 자기장을 생성하기 위해 초전도체가 사용됩니다.

과학 연구 장비: 입자 가속기, 핵융합 반응장치 등 과학 연구에서 필요로 하는 강력한 자기장을 생성하는데 초전도체가 활용됩니다.

전자기기: 초전도체를 이용한 전기 회로는 에너지 손실이 없기 때문에, 컴퓨터나 통신 장비 등의 성능을 향상시킬 수 있습니다.

 

이렇게 다양한 분야에서 활용되는 초전도체의 특성은, 그 분야의 성능을 향상시키거나 새로운 가능성을 열어주고 있습니다. 하지만, 현재 사용되는 초전도체는 낮은 온도에서만 작동하기 때문에 냉각 장치가 필요한 한계가 있습니다. 이를 해결하기 위한 연구가 계속 진행 중입니다.

초전도체의 한계

초전도체는 그 특성상 많은 가능성을 가지고 있지만, 아직 몇 가지 한계점들이 존재합니다.

 

• 냉각 문제: 현재까지 상용화된 초전도체는 저온에서만 초전도 특성을 보입니다. 이 때문에 초전도체를 이용하려면 복잡하고 비싼 냉각 시스템이 필요하며, 이는 초전도체의 널리 사용되는데 한계를 두고 있습니다.
• 재료 문제: 고온에서도 초전도 특성을 보이는 물질들은 대부분 복잡한 구조를 가진 세라믹 재료입니다. 이러한 재료는 제작 과정이 복잡하고 비용이 높으며, 기계적 강도가 약한 편입니다.
• 기술적 문제: 초전도체는 외부의 영향에 매우 민감합니다. 특히, 강한 전류나 자기장, 높은 온도 등은 초전도 상태를 파괴할 수 있습니다. 이런 문제들을 해결하기 위한 기술 개발이 필요합니다.
• 경제적 문제: 초전도체와 관련된 기술들은 대부분 비용이 매우 높습니다. 이는 초전도체의 상업적인 활용을 어렵게 만드는 주요한 요인 중 하나입니다.

 

이런 한계들을 극복하기 위한 연구가 계속 진행되고 있습니다. 특히, 룸 템퍼처 초전도체에 대한 연구는 이러한 문제들을 해결할 수 있는 가능성을 제시하고 있습니다.

 

초전도체 관련 테마주가 이슈가 되는 이유(초전도체의 미래)

앞서 설명드린 초전도체의 한계를 극복이 가능하지 않을까라는 기대감 때문에 이슈가 되고 있습니다. 즉 초전도체의 미래가 현실 앞으로 빠르게 다가올 수도 있을 것 이라는 기대감을 의미합니다. 

 

상온 초전도체가 실현된다면, 현재 냉각 과정을 거쳐야 하는 기존의 초전도체를 사용하는 분야뿐만 아니라, 일상생활의 다양한 부분에서도 활용될 수 있을 것입니다.

 

• 전력 전송: 에너지 손실 없이 전력을 전송할 수 있으므로, 전력 손실을 최소화하는 전력선로 개발에 활용될 수 있습니다. 이를 통해 전력 효율성을 크게 높일 수 있을 것입니다.
• 전자기기: 컴퓨터나 스마트폰 등의 전자기기에서 발생하는 열 문제를 해결할 수 있습니다. 이를 통해 기기의 성능을 향상시키고, 에너지 효율을 높일 수 있습니다.
• 교통: 자기부상 열차나 전기 자동차 등에 활용될 수 있습니다. 특히 자기부상 열차의 경우, 냉각 장치 없이도 초전도를 유지할 수 있게 되면, 기존보다 훨씬 더 효율적인 운행이 가능해질 것입니다.
• 의료기기: MRI 등의 의료기기에서도 룸 템퍼처 초전도체의 활용이 기대됩니다. 현재 MRI는 강력한 초전도 자석을 이용하기 위해 복잡한 냉각 시스템이 필요하지만, 룸 템퍼처 초전도체가 상용화되면 이러한 냉각 시스템이 필요 없게 될 것입니다.
• 에너지 저장: 초전도 배터리 개발에 활용될 수 있습니다. 이를 통해 고효율의 에너지 저장 방식을 실현할 수 있을 것입니다.

 

이와 같이 상온 초전도체는 에너지 전송과 저장, 전자기기, 교통, 의료 등의 분야에서 혁신적인 변화를 가져올 수 있을 것입니다. 

 

최근의 산업의 시대정신은 AI라고 생각합니다. 하지만 상온 초전도체가 정말 구현이 되다면, AI와 초전도체가 양대 산맥을 이루어 인류의 삶은 급격한 변화를 겪을 것이라 생각을 합니다.