초전도체 특성 및 전력분야 활용

왜 배우는가: 초전도체는 저항이 0이라는 특성 때문에 송전 손실 저감, 고장전류 제한, 고자장 응용 등 전력 분야에서 실용화가 진행 중인 소재다. 시험에서는 특성(완전도체·마이스너 효과), 임계값, 고온 초전도체의 의미, 전력 응용 사례가 반복해서 출제되므로 원리와 수치를 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제137회 4교시 6번, 제126회 4교시 4번, 제103회 4교시 2번, 제94회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

초전도체는 임계온도 이하에서 직류 저항이 0이 되고 내부 자속을 완전히 밀어내는 물질이다.

• 초전도현상
• 임계온도(Tc)
• 임계자기장(Hc)
• 임계전류밀도(Jc)
• 마이스너 효과
• 고온 초전도체
• 초전도 한류기(SFCL)
• 초전도 케이블

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 초전도체는 아주 차갑게 식혔을 때 전기가 아무 저항 없이 흐르는 물질이다. 한 번 흐르기 시작한 전류는 에너지 손실 없이 계속 흐른다. 이런 상태를 초전도 상태라고 한다.

정식으로는 물질이 임계온도(Tc) 이하, 임계자기장 이하, 임계전류밀도(Jc) 이하의 조건에서 전기저항이 0이 되고 내부 자속을 배제하는 상태를 초전도 상태라고 정의한다. 세 가지 임계 조건 중 하나라도 넘으면 초전도 상태가 깨지고 상전도 상태로 돌아간다.

임계온도(Tc) 는 초전도 상태가 나타나는 가장 높은 온도다. 이 온도를 넘으면 자기장이 없어도 저항이 생긴다. 임계온도는 물질마다 다르다.

임계자기장(Hc) 은 초전도 상태를 유지할 수 있는 최대 외부 자기장 세기다. 온도가 낮을수록 임계자기장은 커지며, 절대영도에서 최댓값을 가진다. 제2종 초전도체는 임계자기장이 두 개 있다. 첫 번째 임계자기장을 넘으면 자속 와류(vortex)가 침투하기 시작하고, 두 번째 임계자기장을 넘으면 초전도성이 완전히 사라진다.

임계전류밀도(Jc) 는 초전도 상태를 유지할 수 있는 최대 전류밀도다. 전류가 이보다 커지면 물질 내부에 자기장이 생겨 초전도성이 깨진다. 송전이나 코일에 응용할 때 가장 중요한 한계 조건이다.

마이스너 효과 는 임계온도 이하로 냉각될 때 물질 내부의 자속이 갑자기 밀려나는 현상이다. 1931년 마이스너와 오셴펠트가 발견했다. 단순히 저항이 0인 도체와 구별되는 초전도체만의 성질이다. 이 효과 때문에 초전도체는 완전 반자성체로 작용해 자기부상이 가능하다.

제2종 초전도체 는 대부분의 고온 초전도체가 속하는 종류다. 두 개의 임계자기장을 가지며, 두 값 사이에서는 자속이 부분적으로 들어가는 혼합 상태를 보인다.

3. 등장 배경과 필요성

초전도 현상은 1911년 네덜란드의 카멀링 온네스가 수은을 4.2K 근처로 냉각했을 때 저항이 사라지는 것을 관찰하면서 처음 알려졌다. 이후 1933년 마이스너 효과가 발견되어 저항 0과 완전반자성이 별개의 성질임이 드러났다. 이 시기의 초전도체는 액체 헬륨 온도에서만 작동했기 때문에 냉각 비용이 커서 실용화가 어려웠다.

전력 분야에서는 송전 손실과 고장전류 문제가 커지면서 초전도체에 대한 관심이 높아졌다. 전력 수요가 늘고 계통이 복잡해지면 고장전류가 차단기 차단 용량을 넘는 문제가 생긴다. 초전도체는 저항이 0이라는 점을 이용해 송전 손실을 줄이고 고장 시 전류를 제한할 수 있다.