초전도체는 특정 온도에서 전기 저항이 완전히 사라지는 현상인 "초전도 "를 나타내는 물질을 의미합니다. 이러한 물질은 매우 낮은 온도에서만 초전도 상태를 나타내며, 이를 초전도 온도라고 말합니다. 오늘은 초전도체의 원리와 그에따른 산업육성을 위해 정부가 가지고있는 정책까지 한눈에 알아보겠습니다.
초전도체란
초전도체는 특정 온도에서 전기 저항이 완전히 사라지는 현상인 "초전도"(Superconductivity)를 나타내는 물질을 말합니다. 이는 1911년 네덜란드의 물리학자 카메를링 오네스(Kamerlingh Onnes)에 의해 발견되었습니다. 전기저항이 '0'이 되므로 무손실로 흐를 수 있어 다양한 분야에서도 응용이 가능할 수 있습니다. 예를들어 초전도체는 전기 에너지를 저장하는 장치, 전기 모터, 자기부상열차, MRI등 다양한 분야에서 사용이 가능할 것으로 예상되며 높은 전류 용량과 뛰어난 에너지 효율성으로 주목받고 있지만 동작 온도가 매우 낮기 때문에 현실적으로는 기술과 도전적 연구가 계속 진행되어야 할 것입니다.
초전도체의 원리
초전도체이 원리는 전자들이 일정 온도 이하에서 특정한 방식으로 상호작용하여 전기 저항이 '0'이 되는 물질입니다. 초전도체의 원리는 아직까지 완벽하게 밝혀지지 않았지만 BCS (Bardeen - Cooper - Schrieffer theory)이론이 가장 일반적으로 받아들여지고 있습니다.
BCS이론에 따르면, 초전도체는 전자가 쌍을 이루면 전기 저항이 '0'이 되며 이 쌍을 쿠퍼 쌍이라고 합니다. 쿠퍼 쌍은 전자가 매우 가까운 거리에서 끌어당기면 형성되는 것으로 이 때 전자는 쌍극사 모멘트를 가지게 되는데, 이 쌍극사 모멘트가 서로 상쇄하면서 전기 저항이 '0'이 됩니다. 초전도체는 아직까지 개발 초기 단계에 있지만, 그 잠재력은 매우 높습니다. 초전도체가 상용화되면 에너지 효율을 높이고 환경을 보호하며 새로운 기술을 개발하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대됩니다.
1) 전자 - 전자 상호작용
초전도체의 원리는 전자들이 상호작용으로 일련의 페어를 형성하는 것으로 시작합니다. 이러한 페어는 블록-쿠퍼 페어(BCS 페어)라고도 불립니다. 일반적인 금속에서는 전자들이 서로의 원자들에 의해 산란되어 전기 저항이 발생하는데, 초전도체에서는 전자들이 서로 페어를 형성하여 서로에게 쌍극력을 주고 받아서 산란이 없어지게 됩니다.
2) 페어의 생성
초전도체에서 전자들은 크리스탈 구조 내에서 격자진동(포논 : Phonon)을 통해 상호작용을 합니다. 이 격자진동을 매개로 전자들은 서로 결합하면서 BCS페어를 형성합니다. BCS이론은 이 페어 결합이 부호가 반대인 두 전자가 동일한 에너지 상태를 가지며, 영학적으로 약하게 결합되어 있다는 것을 설명합니다.
3)저온 냉각
초전도체의 초전도 상태를 유지하기 위해서는 일정한 온도 이하에서만 동작해야 한다는 것 입니다. 대부분의 초전도체는 수영하 20켈빈(K)미만의 매우 낮은 온도에서 동작하는데 이는 페어 결합에 필요한 전자의 에너지 상태와 관련되어 있습니다.
4) 영폐 현상
초전도체는 전기 저항이 사라지기 때문에 자기장을 완전히 배제하는 영폐현상을 보입니다. 따라서 외부 자기장에 대해 매우 민감하게 반응하며 자기 자입를 보호하는데 활용될 수 있습니다.
BCS 이론과 초전도체 원리는 초전도체의 동작 원리를 설명하는데 중요한 역할을 합니다 이러한 원리를 이해하고 활용함으로써 초전도체의 응용 분야가 계속해서 확장되고 있으면 더욱 효율적이고 혁신적인 기술과 장치의 개발을 가능하게 만듭니다.
초전도체의 활용분야
초전도체는 다양한 분야에서 혁신적인 응용 가능성을 가지고 있으며, 아래는 그 중 리부 응용 분야들을 나열하였습니다.
1) 자기공명 이미지(MRI)
의료 분야에서 가장 잘 알려진 초전도체 응용 중 하나로써 초전도체를 사용하여 강력한 자기장을 생성하고 정확하며 선면한 이미지를 제공하여 의료 진단의 확실성을 향상시킵니다.
2) 전력 전송 및 저장
초전도체는 전기 저항이 없기 때문에 전력 전송에서 에너지 손실을 최소화하고 효율성을 높일 수 있습니다. 또한, 초전도체를 사용한 에너지 저장 장치인 초전도 자기 저장 장치(SMES)를 활용하여 전력망의 안정성과 효율성을 더욱 더 향상시킬 수 있습니다.
3) 과학 연구
대형 과학 연구 시설에서 초전도체를 사용하여 강력한 자기장을 생성하여 입자를 가속시키는데 활용하고 있으며 이는 입자를 가속기나 핵 융합 실험장치에 등에 적용하고 있습니다.
4) 자기부력 열차
초전도체를 사용해서 자기 부력을 생성하여 기차를 떠오르게 하고 지면과의마찰을 줄이는 원리로 동작하는 자기 부력열차 개발이 현재까지도 진행되고 있습니다.
5)전자 기기
초전도체의 높은 전류 용량과 소형화된 기기에 적용 가능한 틍성으로, 초전도 신경망과 같은 전자 기기에도 활용되고 있습니다.
6)에너지 효율적인 전기 변환장치
초전도체를 이용한 초전도 전기 변환 장치는 높은 효율로 전기를 변환하며, 재생에너지를 활용하는데 유용합니다.
7) 초전도 전선 및 케이블
초전도체는 전기 전송에서 에너지 손실을 최소화하고 전력 흐름을 강화하는데 사용되는 전선 및 케이블의 제조에 활용됩니다.
8) 자기 센서 및 감지기
초전도체는 민감한 자기장 감지기와 센서의 제작에도 이용되고 있습니다.
이 외에도 초전도체는 계속해서 새로운 응용분야가 발견되어 연구되고 있습니다. 초전도체의 발전은 다양한 기술과 산업 분야에서 획기적인 혁신과 성능 향상을 이끌어내고 있으며, 특히 에너지 효율성과 기술적인 발전에 기여하는 중요한 기술로 평가되고 있습니다.
초전도체의 산업육성을 위한 정부의 정책
한국 정부는 초전도체 산업 육성을 위해 다양한 정책을 시행하고 있습니다. 초전도체 산업 육성 종합계획은 한국이 초전도체 산업을 세계적인 수준으로 육성하고, 4차 산업혁명을 선도하기 위한 중요한 밑거름이 될 것으로 기대됩니다
★ 초전도체 산업 육성 종합계획 수립
정부는 2022년 1월, 초전도체 산업 육성 종합계획을 수립했습니다. 이 계획은 2030년까지 초전도체 시장에서 10%의 점유율을 달성하는 것을 목표로 하고 있습니다. 현재 초전도체의 시장은 미국, 일본, 중국이 주도하고 있습니다. 한국은 초전도체 소재와 장비 분야에서 강점을 가지고는 있지만, 시스템 분야는 아직 개발 초기 단계에 있습니다.정부는 이 계획을 통해 초전도체 산업에 5조 원을 투자하고, 1만 개의 일자리를 창출할 계획입니다.
★초전도체 연구개발 지원
정부는 초전도체 연구개발을 지원하기 위해 다양한 정책을 시행하고 있습니다. 그 중 대표적인 정책은 다음과 같습니다.
1) 초전도체 관련 연구개발 과제 지원
2) 초전도체 연구개발 인력 양성
3) 초전도체 관련 기업을 대상으로 기술이전과 사업화 지원
★초전도체 제조공정 고도화 지원
정부는 초전도체 제조공정 고도화를 지원하기 위해 다양한 정책을 시행하고 있습니다. 예를 들어, 정부는 초전도체 제조공정 장비를 국산화하고, 초전도체 제조공정 기술을 고도화하고 있습니다. 또한, 정부는 초전도체 제조공정 인력을 양성하고 있습니다.
★초전도체 장비 국산화 지원
정부는 초전도체 장비 국산화를 지원하기 위해 다양한 정책을 시행하고 있습니다. 현재는 초전도체 장비 개발 기업에 자금을 지원하고, 초전도체 장비 개발 기업을 대상으로 기술이전과 사업화를 지원하고 있습니다.
★초전도체 인력 양성 지원
정부는 초전도체 인력 양성을 지원하기 위해 다양한 정책을 시행하고 있습니다. 예를 들어, 초전도체 관련 학과에 재학 중인 학생들에게 장학금을 지급하고, 초전도체 관련 인력 양성 과정을 운영하고 있습니다. 또한, 초전도체 관련 기업을 대상으로 인력을 양성하고 있습니다. 이러한 정책을 통해 한국은 초전도체 산업을 세계적인 수준으로 육성하고, 앞으로 4차 산업혁명을 선도할 수 있을 것으로 기대됩니다.
지금까지 초전도체의 원리 및 산업육성을 위한 정부의 지원정책까지 함께 알아보았습니다. 지금까지의 시행과정을 거쳐 더욱 더 큰 발전으로 이루어져 대한민국이 전세계의 산업혁명을 주도할 그 날을 기다려봅니다.