초전도 기술

왜 배우는가: 초전도 기술은 전력손실을 크게 줄일 수 있는 송전·저장·한류 기술로, 발송배전 분야에서 계통 안정도와 설비 효율을 다루는 핵심 수단이다. 기술사 시험에서는 초전도 현상의 정의, 종류, 응용 분야를 묻는 문제로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제131회 2교시 2번, 제125회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

초전도(Superconductivity)란 물질을 임계온도(Critical Temperature, Tc) 이하로 냉각했을 때 직류 저항이 0이 되고 내부 자기장을 밀어내는 현상이다.

답안 첫 줄 정의 문장(채점 포인트): 초전도란 임계온도 이하에서 전기저항이 0이 되고 자기장을 배제하는 현상이다.

핵심 키워드

• 임계온도(Critical Temperature)
• 임계자기장(Critical Field)
• 마이스너 효과(Meissner Effect)
• 영저항(Zero Resistance)
• 제1종·제2종 초전도체(Type-I, Type-II Superconductor)
• 고온 초전도체(High-Temperature Superconductor, HTS)
• 초전도 선재(Superconducting Wire)
• 극저온 냉각(Cryogenic Cooling)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 초전도체는 아주 차갑게 식히면 전기가 아무 손실 없이 흐르는 물질이다. 일반 구리선은 전류가 흐르면 열로 에너지가 빠져나가지만, 초전도체는 이 저항이 사라져 같은 전류를 흘려도 발열이 거의 없다.

정식 정의는 다음과 같다. 초전도 상태에서는 영저항(Zero Resistance) 과 완전 반자성(Perfect Diamagnetism) 이라는 두 특성이 함께 나타난다. 영저항은 직류 전류가 감쇠 없이 계속 흐르는 현상이다. 완전 반자성은 외부 자기장을 내부에서 밀어내는 현상이며, 이를 마이스너 효과라고 한다.

마이스너 효과는 초전도체 표면에 차폐전류가 흘러, 외부 자기장을 상쇄하는 반대 방향 자기장을 만들기 때문에 생긴다. 자석이 초전도체 위에 뜨는 자기부상 현상이 이 원리에서 나온다. 다만 자기장은 표면에서 런던 침투 깊이(London Penetration Depth)만큼만 스며들고 내부에서는 지수적으로 감쇠한다.

임계온도는 초전도 상태가 유지되는 최고 온도이다. 임계온도보다 높으면 초전도성이 사라진다. 임계자기장은 주어진 온도에서 초전도 상태를 유지할 수 있는 최대 자기장 세기다. 온도가 낮아질수록 임계자기장은 커지며, 절대영도에서 최대가 된다. 임계온도와 임계자기장, 그리고 임계전류밀도(Critical Current Density)를 함께 임계값(three critical values)이라고 부르며, 세 값 중 하나라도 넘으면 초전도 상태가 깨진다.

임계온도는 물질마다 다르다. 금속계 저온 초전도체는 임계온도가 상대적으로 낮고, 산화물계 고온 초전도체는 상대적으로 높다. 임계온도 77K 부근에서 냉각 매체로 쓰는 액체질소 온도(약 77K)를 기준으로 실용성이 크게 달라진다.

임계온도 상대적으로 낮음: 저온 초전도체

3. 등장 배경과 필요성

초전도 현상은 네덜란드 물리학자 카머링 오너스가 저온 연구에서 발견하면서 처음 알려졌다. 이후 마이스너와 오크센펠트가 1933년 자기장 배제 현상을 발견해 완전 도체와 구별되는 초전도 상태의 특성이 확인되었다.

초기 초전도체는 임계온도가 극히 낮아 액체헬륨(약 4.2K)으로만 냉각할 수 있었다. 이 때문에 냉각비용이 커서 실용화가 어려웠다. 1986년 산화물 계열 고온 초전도체가 발견되었고, 이후 임계온도 92K인 YBCO가 발견되면서 액체질소(77K)보다 높은 온도에서 초전도가 가능해져 상업적 응용 가능성이 열렸다.

전력 분야에서 초전도 기술이 필요해진 배경은 전력수요 증가와 송전설비 증설에 따른 손실 증가다. 송전 손실은 저항에 의한 줄열이므로 저항을 0에 가깝게 만드는 것이 근본 해결책이 된다. 또한 계통 사고 시 고장전류가 커지는 문제도 있어, 고장전류를 제한하는 초전도 한류기의 필요성도 커졌다.

국내에서는 2001년부터 2011년까지 차세대 초전도 응용기술 개발 사업을 통해 초전도 선재, 케이블, 변압기 기술을 확보했다. 해외에서도 미국, 일본, 유럽을 중심으로 실증과 사업화가 진행되고 있다.

초전도 기술의 핵심 가치는 송전 손실 감소와 대용량 저전압 송전이다.

액체질소 온도 77K

4. 구성요소·원리·절차

초전도 응용기기는 초전도 상태를 만드는 냉각계통, 전류가 흐르는 초전도 선재, 그리고 이를 감싸는 단열 용기로 구성된다. 초전도 상태는 임계온도 이하, 임계자기장 이하, 임계전류밀도 이하라는 세 조건이 동시에 만족될 때 유지된다. 세 값 중 하나라도 넘으면 초전도 상태가 깨지고 저항이 나타난다.

초전도 상태는 임계온도·임계자기장·임계전류 세 조건이 동시에 만족될 때만 유지된다.

초전도 케이블은 구조가 기존 케이블과 다르다. 안쪽에서 바깥쪽으로 중심의 구리 포머층, 대전류를 통전하는 초전도 통전층, 두 층 사이의 절연층, 액체질소가 흐르는 냉각용기, 최외곽의 진공 단열층 순서다. 구리 포머층은 고장 시 발생하는 대전류를 우회시키는 역할을 맡는다.

원리는 다음과 같다. 통전층의 직류 저항이 0이므로 줄 손실이 없다. 다만 교류에서는 자기장 변화에 따른 교류손실이 생기며, 이 손실은 냉동기가 제거해야 할 열이 된다. 따라서 냉동기 용량은 통전층 발열량(전력 손실량), 상도체부를 통한 외부 열침입, 케이블 단열 특성을 함께 고려해 정한다.

냉각계통의 절차는 다음과 같다.

• 냉동기가 액체질소를 냉각해 통전층 온도를 임계온도 이하로 유지한다.
• 펌프가 액체질소를 가압해 일정 유속으로 순환시킨다.
• 순환 과정에서 외부 열침입과 교류손실 열을 흡수한다.
• 열을 흡수한 액체질소는 냉동기로 돌아와 다시 냉각된다.

초전도 케이블은 길이가 약 500m 단위로 제작되므로 장거리에서는 중간 접속함으로 연결하고, 양 끝에는 종단 접속함을 두어 상도체 외부 설비와 연결한다. 고장 전류를 제한하는 초전도 한류기는 임계전류를 넘으면 저항이 나타나는 원리를 이용한다.

계산 예제로 냉동기 열부하를 개략 본다. 냉동기 열부하는 Q = Q_{\text{교류손실}} + Q_{\text{열침입}} 으로 쓴다. Q는 냉동기가 제거해야 할 열[W], Q_{\text{교류손실}}은 통전층의 교류손실[W], Q_{\text{열침입}}은 외부 열침입[W]이다. 교류손실 값이 주어진 조건에 따라 계산되며, 냉동기 소비전력은 열부하를 냉동기 성능계수로 나눈 값이다. 이 계산에서 냉동기 효율이 낮을수록 소비전력이 커져 손실 절감 효과가 줄어든다.

5. 관련 법령·기준·표준

초전도 기술은 전용 법령이 아직 없고, 전력설비 측면에서는 전기설비 관련 기준이 적용된다. 전력계통에 연계되는 설비는 한국전기설비규정(KEC) 의 일반 요구사항을 따르며, 2021-01-01부터 옛 '전기설비기술기준의 판단기준'을 대체했다. 초전도 기기의 안전 요건(극저온 냉매, 고압가스 관련 설비)은 고압가스 안전관리법 등 관련 법령에서 다룬다. 초전도 한류기와 케이블의 구체 시험 방법은 국제 전기 표준 체계를 참고하되 표준 번호는 확인된 범위에서만 쓴다.

기준값을 정리하면 다음과 같다.

1종과 2종 초전도체의 구분도 기준으로 쓴다. 1종 초전도체는 임계자기장 Hc가 하나이며 상태 전이가 급격하다. 2종 초전도체는 Hc1과 Hc2 두 임계자기장을 가지며, 두 값 사이에서 자기장이 부분적으로 침투하는 혼합상태가 나타난다. 산화물 고온초전도체는 대부분 2종에 속한다.