초전도체 활용 5가지 ! 상온 초전도체 뇌 mri 핵융합 발전 자기 부상 열차

-180℃에서 찾은 과학 초전도체

 

초전도체 !

온도를 낮춰줘야 초전도체가 되기 때문에 액화질소를 사용한다.

액화질소는 약 -200℃ 정도 되고 이 물체는 약 25℃ 되니까 (온도 차이로) 끓고 있다. 다 끓고 나면 열이 빠져나갔기 때문에 (초전도 현상을 띄는) 초전도체가 된다.

초전도라고 하면 '전기를 아주 많이 전한다'는 뜻을 가지고 있다. 전기를 많이 전하려면 저항이 작아야 하는데 초전도는 저항이 없다. 저항 제로의 특징이 있고 또 한 가지 특징은 자기장을 싫어해서 외부의 자기장을 밀어내는 완전 반자성을 갖는데 이것을 초전도라고 말한다. 

※마이스너 효과 : 초전도체가 자석의 자기장을 밀어내는 효과

초전도체가 되기 전에 자석을 대면 자력이 (초전도체 내부로) 들어가게 된다. 그러니까 자력이 들어가 있으면서도 동시에 (자력을) 밀어내기도 한다. 

※매달림 현상 : 중력, 자기력, 완전 반자성 3가지 힘이 평형을 이룰 때 자석 아래 일정 공간에 매달리게 되는 효과

지금 활용되고 있는 분야는 의료 분야에서 활용되는데 병원에 우리 몸을 진단하는 MRI(자기공명영상장치)라는 의료기기가 있다. 그 동그란 통이 초전도체로 만든 자석이다. MRI가 가장 많이 활용되고 있는 분야이고 자기부상열차에 (초전도 기술을) 사용할 수 있고, 현재 송전케이블을 구리선으로 사용하고 있지만 

초전도선으로 바꾸면 높은 효율을 내고 작은 사이즈로 만들 수 있다는 이점이 있다.

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● 카멜린 오네스 (1853-1926) _ 네덜란드의 과학자, 1911년에 초전도 현상을 발견

100년 전에 초전도 현상이 처음 발견됐는데 그 물질이 수은이었다. 수은이 금속인데 수은이 절대온도로 4도, 영하 269도 정도가 된다. 거기서 저항을 재봤더니 0이 됐다.

초전도체 YBCO라는 고온 산화물 초전도체는 임계온도가 90K정도로 높다. 그래서 77K 액체질소의 온도에서는 당연히 초전도성질을 나타내게 되는 것이다. 이 초전도체가 보통 부상력이 표면 근처에서 10kg 이상을 나타내고 있다. 

■ 초전도 케이블

초전도 케이블에 사용되는 초전도체는 원래 물질자체가 세라믹으로 만들기 때문에 상온에서는 그 세라믹 저항이 그대로 나타나서 구리보다는 훨씬 저항이 많이 나온다. 그 다음에 온도를 극저온으로 내리면 초전도체는 초전도 현상에 의해서 저항이 사라져버리기 때문에 저항이 제로가 되고, 구리는 온도에 비례해서 내려가게 되어있다. 그래서 극저온 상태에서는 구리가 더 저항이 많다.

저항이 없어짐으로 인해 전력손실이 줄어들고, 같은 단면적에 많은 전력을 보낼 수 있어 토목비용이 줄어들고, 그래서 궁극적으로는 송전비용이 줄어들고 그 결과 전기요금이 저렴해지는 그런 효과를 얻을 수 있다. 

■ MRI

좋은 MRI 영상을 얻기 위해서는 자장의 세기가 높아야 된다. 자장의 세기를 높게 하기 위해서는 초전도 자석을 사용해야지만 높은 자성을 얻을 수 있다.

일반적으로 전자석은 금속 코일을 감아서 만드는데 이런 코일로는 강력한 자석을 만들 수 없다. 그래서 여기에 초전도체를 이용하는 것이다. 병원에 있는 MRI는 초전도체를 이용해야 되기 때문에 영하 269도의 액체 헬륨으로 냉각을 하고 있고, 물론 단열이 잘 되어있기 때문에 주변에서 찬 것을 보지는 못하지만 MRI가 이렇게 터널처럼 구멍이 있어서 환자가 들어가 촬영을 하게 되는데 그 주위에 있는 전자석들은 초전도체를 이용한 영하 269도의 환경이다. 

■ 뇌자도 장치

우리 뇌신경 신호를 잡아낼 때 머리의 뼈라든지 아니면 뇌의 피부라든지 이런 조직들을 거치면서 신호가 왜곡이 될 수 있는데, 자장신호는 그런 매질에 대한 왜곡이 전혀 없기 때문에 '발병 부위가 어디일 것이다', '신호가 나타나는 부분이 어디일 것이다'라고 추정이 가능하다.

■ 심자도 장치

 64개의 스퀴드센서로 측정한 64채널 파형 데이터로 이 파형 데이터를 이용해서 특정 구간의 자기장 분포를 시간적으로 변하게 매핑(Mapping)을 할 수가 있다. 이 자기장 분포로부터 다시 전류분포를 얻을 수가 있는데 전류분포를 얻게 되면 허혈인지, 부정맥인지 등 심장질환을 진단할 수 있게 된다.

※스퀴드(SQUID, 초전도 양자간섭소자) _ Superconducting QUantum Interference Device

스퀴드센서가 우리 인간이 개발한 자기센서 중에서 가장 감도가 좋은 센서이기 때문에 사람 몸에서 나오는 여러 가지 신호들, 예를 들어 뇌에서 나오는 자기신호, 심장에서 나오는 자기신호, 태아의 뇌 또는 심장에서 나오는 자기신호 등등을 측정할 수 있는데 이걸 이용하게 되면 뇌기능 진단이라든지 심장질환 진단에 활용이 될 수가 있다. 이것뿐만 아니라 스퀴드를 이용하게 되면 아주 먼 거리에 있는 금속물체... 예를 들어 잠수함이 지나가는 것을 검출할 수 있다든지 또는 지하광맥이 묻힌 곳을 검출한다든지 등등의 미약한 신호를 측정하는데도 활용이 될 수가 있다.

■ 핵융합

 KSTAR와 같은 세계에서 처음 지어지는 초전도 장치가 한 번의 실험으로 플라즈마를 발생했다는 것이 중요한 것이다. 0.3초는 사실 굉장히 짧은 건데, 시작에서 굉장히 많은 부분품으로 이루어진 장치가 그 모든 부분품이 한 번에 작동을 잘했다는 그러한 의미에서 중요한 성과라고 알려진다.

 실제로 수소원자 두 개가 합해지면 기후에는 전혀 영향을 주지 않는 깨끗한 헬륨과 같은 새로운 원소가 만들어지면서 에너지를 방출하기 때문에 굉장히 깨끗한 에너지라고 알려져 있다. 그 연료가 되는 수소 원자, 특히 중수소원자는 바닷물에 거의 무한히 포함되어 있다. 그래서 연료 고갈문제를 걱정하지 않아도 된다는 측면에서 핵융합이 만약에 실용화만 되면 거의 무한한 에너지를 인류가 얻을 수 있다고 생각할 수 있는 것이다.

※KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Reserch) : 대한민국이 독자 설계, 제작해 2007년 완공한 초전도기술을 적용한 토카막형 핵융합연구장치

  핵융합 반응이 일어나기 위해서는 거의 1억 도에 가까운 고온의 플라즈마가 필요하다. 이것을 담을 수 있는 그릇이 세상에 없기 때문에 저희는 강력한 자석을 이용해서 자기장의 힘에 의해서 고온의 플라즈마를 담는 그런 기능을 하게 되었다. 그래서 KSTAR장치에는 약 30개의 초전도자석이 들어가 있다. 

※초전도자석 : 초전도체를 사용한 전자석으로 극저온에서 운전 KSTAR안에는 30개가 들어가 있음.

이 초전도자석은 극저온으로 냉각되었을 때만 초전도 특성이 나타나기 때문에 극저온 헬륨냉각 설비가 필요하게 된다.

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▶ 인간은 상상을 넘어서는 영하 150도 이하의 극저온 세계, 일부 물질들이 극저온 상태가 되면 전기 저항이 사라지는 '초전도 현상' 초전도 상태에서 물질은 반자성을 띄고 있어 자기장이 들어오는 것을 밀쳐낸다. 따라서 초전도체는 영구자석 위에서 붕 뜨는 부상력을 보이게 된다. 이런 초전도체는 금속과 세라믹, 유기물질 등에서 수백종이 발견되었고, 우리생활과 다양한 첨단기술 분야에 응용되고 있다. 

 특히 무한한 에너지 생산을 위한 핵융합 연구에서 극저온 기술은 핵심이다. 핵융합 반응이 일어나기 위해 필요한 1억℃ 고온의 플라즈마를 담을 자기장 그릇에 초전도자석을 사용한다. 우리나라의 독자기술로 제작한 핵융합연구장치 KSTAR에는 30개의 초전도자석이 사용되었으며, 초전도상태를 유지하기 위한 저온설비는 필수이다.

 

 

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초전도체 superconductor 특성 활용 쓰임 설명 explain

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