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ⓒ클립아트코리아

 

어릴 적 누구나 한 번쯤 공중부양하는 것을 상상해본 적 있으실 텐데요. 상상 속에서만 존재하던 일을 현실로 실현할 수 있는 것이 바로 초전도 현상입니다. 초전도 현상은 매우 낮은 온도에서 전기저항이 0에 이르는 현상으로 초전도 현상이 나타나는 도체를 초전도체라고 합니다.

 

초전도 개발의 역사

초전도 현상이 처음 발견된 것은 1911년입니다. 네덜란드 라이덴 대학의 카멜린 온네스(Heike Kamerlingh-Onnes)가 수은의 전기저항을 측정하는 실험을 하다가 수은 철선을 액체 헬륨 온도인 절대온도 4.2K(영하 268.8℃)까지 냉각하자 전기저항이 갑자기 없어지는 현상을 발견한 것인데요. 이것은 물리학계에서 아주 놀라운 발견이었습니다. 만일 저항이 있다면 전류는 얼마 안 가 사라져야 하는데, 낮은 온도를 유지하는 한 전류가 계속해서 흐르게 되는 영구운동이 가능해진 것입니다. 이후 물리학자들은 초전도 현상을 규명하기 위해 노력하였으나, 수십 년 동안 초전도 현상은 수수께끼로 남아있었습니다. 이후 1986년 스위스의 베드노르츠(Johannes Bednorz)와 뮐러(Karl Müller)에 의해 절대온도 35K(영하 238℃) 이하에서 초전도 현상을 나타내는 LBCO라는 물질이 발견되었고, 1987년에는 절대온도 90K(영하 183℃) 이하에서도 초전도 현상을 나타내는 YBCO라는 물질이 발견되었습니다. 이를 고온 초전도체라 불렀고 초전도는 세계적인 관심을 일으킨 연구 주제가 되었습니다.

 

초전도의 특징

초전도의 특징 중 가장 중요한 점 2가지는 특정 조건에서 저항이 완전히 0이 된다는 점마이스너 효과(Meissner effect)입니다.

 

ⓒ김시원 제작

 

초전도 현상이 나타나기 시작하는 온도를 임계온도라 부르는데요. 이 임계온도 이하에서만 저항이 0이 되고 이 온도는 원소마다 다릅니다. 이렇게 저항이 사라지게 되면 전기를 멀리 보내도 전류를 그대로 통하게 할 수 있습니다. 또 하나의 특징인 마이스너 효과는 자기장 차폐효과라고도 불리며, 아래의 오른쪽 그림과 같이 임계온도 이하에서 외부 자기장을 밀어내는 현상을 말합니다.

 

ⓒ김시원 제작

 

 

외부에서 자기장을 걸어주면 초전도 자체가 외부 자기장과 크기는 같고 방향이 반대인 자기장을 발생시킵니다. 이 효과로 인해 자석은 냉각된 초전도체 위에 떠 있을 수 있게 됩니다.

 

초전도체의 실용화가 어려운 이유

초전도체는 전력손실이 적고, 정상적으로 높은 자기장 발생이 가능합니다. 전류밀도를 높이면 소형화가 가능하다는 이점이 있어 실용화를 위한 개발이 많이 추진되고 있습니다. 하지만 초전도체는 임계온도보다 낮은 온도에서만 초전도 상태가 되기 때문에 임계온도가 너무 낮으면 초전도체를 실용화하기 어려우므로 임계온도를 높이는 것이 중요한 문제입니다. 초전도체 연구는 계속되고 점점 더 높은 온도의 초전도체가 발견되고 있지만, 저온 초전도체보다 다루기 어려워 연구개발에 어려움을 겪고 있습니다. 우리나라의 경우 초전도체 자체보다는 고온 초전도체를 사용한 선재 개발과 전력용 케이블, 전동기, 발전기, 전력저장장치 등 대형기기를 중심으로 연구개발이 진행되고 있습니다.

 

초전도체의 실용화

ⓒ픽사베이

 

①자기공명영상장치(MRI)

주위에서 흔히 접할 수 있는 초전도 기술에는 대표적으로 자기공명영상장치(MRI)가 있습니다. 인체의 심장, 신경, 뇌에서는 극히 미세한 자기장이 발생하는데요. 이러한 극미세 자기장을 측정하여 뇌 질환, 노인성치매 등의 진단이 가능합니다. MRI에는 대부분 저온 초전도 자석이 활용되고 있는데, 저온 초전도 자석은 냉매로 고가의 액체헬륨을 사용하여야 하는 단점이 있습니다. MRI가 비싼 이유이지요. 반면 고온 초전도 자석은 임계온도가 77K 이상으로 헬륨보다 저렴한 액체질소를 냉매로 사용할 수 있어 가격을 1/10로 확 낮출 수 있습니다. 아직 상용 전자석에는 미치지 못하고 있지만, 앞으로 많은 활용이 예상됩니다.

 

ⓒ인천국제공항 홈페이지

 

②자기부상열차

자기부상열차는 바퀴를 사용하지 않고 자기력을 이용하여 열차가 선로 위로 부상된 채로 주행하는 열차입니다. 한마디로 자기력으로 떠오른 채 움직이는 열차인데요. 선로와의 마찰이 없어 빠른 속도를 낼 수 있고 분진이 발생하지 않고 소음이 적다는 장점이 있습니다. 국내 최초 도시형 자기부상철도인 인천공항 자기부상철도는 자기력으로 레일 위를 8mm 떠서 운행되고, 기존 경전철보다 운영비를 80% 수준으로 절감할 수 있습니다. 승차감이 좋고 수송 능력이 뛰어나 새로운 교통수단으로 부상하고 있습니다.

 

③초전도 케이블

초전도 케이블은 기존 전력케이블에 사용된 구리 도체 대신 고온초전도 도체를 사용한 전력케이블로 대도시의 전력공급 문제를 해결할 수 있는 환경친화적인 전력케이블입니다. 초전도 케이블은 기존의 케이블에 비해 대용량 저손실로 전송할 수 있고, 이 때문에 동일 용량을 송전할 경우 기존의 케이블보다 낮은 전압으로 송전이 가능합니다. 또한, 도심에 초고압 변전소를 설치할 필요가 없어 송전비용을 줄일 수 있으며, 케이블을 소형화시킬 수 있습니다.

 

한전, 세계 최초로 초전도 케이블 상용화에 성공

한국전력은 2019년 세계 최초로 ‘꿈의 송전망’이라 불리는 초전도 케이블 상용화에 성공하였습니다. 우리나라보다 앞서 관련 기술을 개발했던 선진국들보다 짧은 시간에 최고의 기술력을 가지게 된 것입니다. 초전도 송전기술은 기존 케이블 대비 송전손실을 1/10 수준으로 저감시키며, 송전용량은 5배 이상 증가시킬 수 있어 저전압·대용량 송전이 가능한 차세대 전력 송전기술입니다. 한국전력은 초전도 소재 기술 100% 국산화를 달성하고 신갈~흥덕 변전소 사이 1km 구간에 초전도 전력 케이블을 설치하여 2019년 11월 상업운전을 시작하였습니다. 이에 우리나라는 국제에너지기구(IEA)에서 발행하는 백서에 ‘세계 최초 초전도 상용국’으로 등재되는 등 국제적으로 성과를 인정받았습니다.

 

한전, 도심지에 적용한 초전도 케이블 시범사업

한전은 도심지 전력공급 해결을 위한 초전도 케이블 시범사업을 올해 내로 실시할 전망입니다. 시범사업 예정 구간은 문산~선유 변전소로 대형 변전소 등 대규모 전력시설은 도심지 외곽에 짓고 소형 초전도 플랫폼을 도심 부하 중심지에 건설할 계획입니다. 2019년 세계 최초의 상용화를 이룬 당시 목표는 변압기 증설이 곤란한 변전소 간에 상호 부하 공급능력을 공유하는 것이었습니다. 반면, 올해 진행될 시범사업은 도심지에 전력을 공급하는 것이 목표입니다. 최근 급속한 도시화에 따라 전력수요가 지속해서 증가하며, 전력설비의 집중적인 건설이 요구되고 있는데요. 이와 동시에 도시 내 전력설비 건설을 반대하는 민원 또한 증가하고 있어 이에 대한 대안이 될 것이라 기대됩니다.

 

이번 기사에서는 초전도 현상의 이론적인 부분과 실제로 적용되고 있는 초전도 기술에 대해 살펴보았습니다. 상상으로만 할 수 있었던 것들이 극저온 세계에서는 가능해진다는 점이 놀라웠는데요. 앞으로 저온이 아닌 상온 초전도체가 발견된다면 정말 역사적인 순간을 맞이하게 될 것 같습니다. 과거에는 불가능이라 여겨졌던 초전도 기술 분야에서 한국전력은 놀라운 기술력을 보여주며 새로운 가능성을 열어가고 있습니다. 계속해서 발전해나가는 한국전력 앞으로도 응원합니다!

 

 

 


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  • 도리 2021.09.16 16:41
    저항이 0에 가까워지면 아주 작은 에너지로도 여러 기관들을 이용할 수 있는건가요?

한국전력 블로그 굿모닝 KEPCO!

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