지난 포스팅에서는 초전도 현상을 이해하는데 중요한 BCS 이론에 대해 알아보았습니다. 우리에겐 아직 생소한 단어인데요, 최근 계속해서 초전도체 이슈로 관련 주식들이 주목을 받으면서 많은 분들이 관심을 가지고 있으리라 생각됩니다. 지난 글에 이어 초전도체 연구의 가속화를 일으킨 고온 초전도체의 발견에 대해 알아보도록 하겠습니다.
고온 초전도체
상대적으로 높은 온도에서도 초전도 현상이 나타나는 물질을 가리킵니다. 기존의 초전도체는 수많은 경우에 극저 온도, 주로 액체 헬륨 온도인 -269도 Celsius 정도에서 초전도 특성을 나타냈습니다. 그러나 1986년에 희토류계 초전도체라 불리는 새로운 유형의 물질이 발견되면서, 이러한 물질들은 비교적 높은 온도에서도 초전도 특성을 나타내는 것으로 알려졌습니다.
희토류계 초전도체
희토류계 초전도체는 희토류 원소 중 하나인 이타륨 (Yttrium)와 바륨 (Barium), 구리 (Copper), 산소 (Oxygen) 등의 원소로 이루어진 초전도체를 가리킵니다. 특히, 1986년에 Bednorz와 Müller에 의해 발견된 이타르바륨청산소화철산이트 (Yttrium Barium Copper Oxide, YBCO)가 대표적인 희토류계 초전도체입니다.
YBCO는 희토류 원소인 이타륨과 바륨, 구리, 산소로 구성된 화합물로서, 분자식은 YBa2Cu3O7입니다. 이 물질은 고온에서 (90K 또는 -183도 Celsius 정도) 초전도 특성을 나타내는데, 이는 이전의 초전도체보다 상대적으로 높은 온도에서의 초전도 현상을 보여줍니다.
희토류계 초전도체의 특징 3가지
1. 고온 초전도 특성
이타르바륨청산소화철산이트(YBCO)와 같은 희토류계 초전도체는 더 높은 온도에서도 초전도 특성을 나타내어, 냉각에 사용되는 액체 질소와 같은 상대적으로 쉽게 얻을 수 있는 냉매를 사용할 수 있게 했습니다.
2. 상용 냉각제 사용 가능
상용 냉각제인 액체 질소로 냉각 가능하므로, 적용 및 사용이 편리하다.
3. 응용 분야의 확대
고온 초전도체의 발견은 자기 부상열 발전, 자기 부상열 진단, 자기 부상열자력발전 등의 분야에서의 응용 가능성을 확대시켰습니다. 이 외에도 다양한 희토류계 초전도체가 연구되어왔으며, 이들은 기존의 초전도체보다 상대적으로 높은 온도에서도 초전도 특성을 나타낼 수 있어 연구 및 응용 분야에서 큰 관심을 받고 있습니다.
YBCO (이타르바륨청산소화철산이트)
대표적인 고온 초전도체의 예로는 YBCO (이타르바륨청산소화철산이트)가 있습니다. YBCO는 90K (-183도 Celsius)에서 초전도 특성을 나타내며, 이는 이전의 초전도체보다 상대적으로 높은 온도입니다. YBCO는 고온 초전도체의 대표주자로서 연구되어 왔으며, 이외에도 다양한 고온 초전도체가 발견되었습니다.
초전도체 응용 가능성의 확장
고온 초전도체의 발견은 초전도체의 응용 가능성을 확장시킬 수 있게 했습니다. 이러한 물질들은 상대적으로 쉽게 냉각할 수 있는 액체 질소로도 냉각이 가능하므로, 냉각에 들어가는 에너지 및 비용이 절감될 수 있습니다. 그로 인해 고온 초전도체는 자기 부상열 발전, 자기 부상열 진단, 자기 부상열자력발전 등 다양한 분야에서의 응용 가능성이 크게 확장되었습니다.
자기 부상열 발전 (Thermoelectric Energy Harvesting)
자기 부상열 발전은 열과 전기 간의 상호 변환을 기반으로 합니다. 이는 열 그라디언트(온도 차)가 존재할 때, 그라디언트를 통해 발생하는 열 전하캐리어(열 전자)의 움직임을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 것을 의미합니다. 자기 부상열 발전은 온도 차이가 큰 환경에서 작동하기 때문에, 신규 에너지원의 탐색 및 센서 네트워크의 전원 공급 등의 분야에서 응용될 수 있습니다.
자기 부상열 진단 (Thermography)
자기 부상열 진단은 물체의 온도 분포를 측정하여 이미지화하는 기술을 말합니다. 이는 물체가 방출하는 열 복사를 감지하여 해당 지역의 온도를 분석하는 것으로, 적외선 카메라를 사용하여 측정됩니다. 의학, 산업, 환경 등 다양한 분야에서 물체의 온도 분포를 실시간으로 관찰하고 분석하는 데에 사용됩니다.
자기 부상열 자력발전 (Thermomagnetic Generator)
자기 부상열자력발전은 자기 부상열과 자기 부상력을 결합하여 전기 에너지를 생성하는 기술을 의미합니다. 자기 부상열자력발전은 자기 부상열체와 자기 부상력체 간의 온도 차이를 활용하여 자기 부상력의 변화를 이용하여 전기를 발생시킵니다. 이 기술은 낮은 온도에서도 작동 가능하며, 환경적으로 친화적인 에너지 소스로 간주됩니다.
이러한 기술들은 에너지 하베스팅, 센서 응용, 의료 진단 등 다양한 분야에서 사용됩니다. 특히, 무선 센서 네트워크와 같이 전원이 제한된 환경에서 작동하는 시스템에 자기 부상열 기술이 적용되면, 배터리 교체 주기를 줄이고 지속적인 에너지 공급을 가능케 할 수 있습니다.
오늘은 초전도체의 연구를 가속화시켜준 고온 초전도체에 대해 알아보았습니다. 초전도체는 자기 부상열 발전, 자기 부상열 진단, 자기 부상열 자력발전 외에도 다양한 분야에서 응용되고 있습니다. 다음번에는 이러한 초전도체의 응용분야에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.