초전도 기술 적용 전력기기

초전도체의 완전 반자성

1. 초전도성이란 무엇일까?

초전도성이란 어떤 적절한 조건 하에서 완전 도체성과 완전 반자성을 갖는 물질의 특성을 말합니다. 
여기서 완전 도체 특성이란 직류에 대한 저항이 0이 되는 특성, 즉 도전율이 무한대가 되는 물질의 전기적 성질을 말합니다. 이 특성을 이용하면 손실이 없는 전기기기를 만들 수 있습니다.

완전 반자성 (Meissner effect)은 자기화가 외부 자기장의 세기에 완전히 반대가 되는 물질의 자기적 성질을 말합니다. 즉, 초전도체의 완전 반자성은 외부에서 자기장을 걸어주면 초전도체 내부의 자속밀도(B)가 0이 되는 특성으로, 이를 이용하면 자기 부상 열차나 초전도 베어링 등에 활용할 수 있습니다.

 

2. 초전도체란?

적절한 조건 하에서 위에서 설명한 초전도성을 나타내는 물질을 초전도체라고 합니다. 이러한 초전도체에는 여러 물질들이 있으며, 그 중에 단원자로 수은, 납 등이 있고, 합금으로는 NbTi(니오븀-티타늄), Nb3Sn(니오븀-주석) 등이 있습니다. 또한 세라믹으로는 YBCO(이트륨 바륨 구리 산화물), MgB2(이붕화 마그네슘) 등이 있습니다. 대체로 이러한 초전도체는 응용하기 쉽도록 도선 또는 박막 및 벌크 형태로 존재합니다. 

 

3. 초전도체가 초전도성을 갖기 위한 적절한 조건이란? 

초전도체라고 하더라도 초전도성은 항상 존재하지 않고, 특정 조건을 만족해야만 나타납니다. 일반적으로 초전도 물질의 온도를 낮추면 전기저항이 영이 되어 초전도상태로 된다고 알고 있으나, 초전도체는 온도뿐만 아니라 전류밀도, 외부 자기장에 의해서도 상태가 달라집니다. 여기서 초전도 상태와 상전도상태를 결정짓는 경계면 상의 특정 값들을 임계온도(Tc), 임계전류밀도(Jc), 임계자기장(Hc)이라고 하며, 이 값들은 초전도 물질마다 달라집니다. 즉, 초전도 상태가 유지되는 온도가 임계온도 보다 낮더라도, 초전도체에 흐르는 전류밀도가 높으면 초전도 상태가 깨져서 상전도 상태로 전이될 수 있습니다. 이러한 경우, 초전도체라고 하더라도 초전도 상태에서는 저항이 없기 때문에 전류가 많이 흐를 수 있지만, 상전도 상태로 전이된 후에는 저항이 커지기 때문에 흐르던 전류는 제한됩니다. 이러한 초전도체의 상태 전이를 이용한 전력기기가 초전도 한류기이며, 국내에서는 LS 일렉트릭이 해당 기술을 보유하고 있습니다.

 

4. 고온초전도체는 상온보다 높은 고온에서 초전도현상을 갖는 물질인가?

초전도체는 상전도 상태에서 초전도 상태로 전이되는 온도에 따라 저온, 고온, 상온 초전도체로 분류할 수 있습니다. 그러나 이런 방식의 분류에 따른 명칭은 직관적이지 않아 일반인은 헷갈리기가 쉽습니다. 일반적으로 고온초전도체라 함은 저온초전도체 보다 상대적으로 높은 온도에서 초전도성을 갖기 때문에 붙여진 명칭이며, 상온초전도체는 우리가 알고 있는 상온에서 초전도성을 갖는 초전도체를 말합니다.  간단하게는 액체 헬륨 (4.2 K) 내에서 초전도 상태로 전이 되는 초전도체를 저온초전도체 (LTS : Low Temperature Superconductor), 액체 질소 (77 K) 내에서 초전도 상태로 전이되는 초전도체를 고온초전도체 (HTS : High Temperature Superconductor)라고 분류할 수 있습니다. 대체로 합금 형태의 초전도체가 저온초전도체의 특성을 갖고, 세라믹 형태의 초전도체가 고온초전도체의 특성을 갖습니다.

 

5. 초전도선을 이용하면 정말 손실이 없는 전기기기를 만들 수 있는가?

초전도선은 직류 전류에 대해서는 전기저항이 0이기 때문에 손실이 없다고 알려져 있습니다. 그러나 초전도선 역시 일반 구리선 보다는 작지만, Hysteresis, Eddy current Coupling Loss 등 여러 가지 원인들로 인해 교류 전류에 대해서는 손실이 발생하게 됩니다. 그렇기 때문에 현재 상용화 되어있는 대부분의 초전도 응용 기기들은 MRI나 NMR 같이 직류를 사용하는 기기들이 대부분입니다. 하지만 최근에는 교류 손실의 단점을 감안하고 장점만을 고려한 초전도 케이블, 초전도 한류기 같은 교류 기기들도 상용화를 준비 중에 있습니다.