1. 270년 전에 발견된 초전도 현상, 왜 이제 와서 난리지?
초전도체의 연구 개발 후 반세기가 넘는 세월이 자난 지금, 언제 현실이 될지 모르던 자기부상열차가 일본에서 개통되기 까지 얼마 남지도 않았다. 자기부상열차는 초저온으로 냉각된 초천도 자석에 의해 생성된 강학 자력으로 열차 전체가 떠있다. 초전도는 특정 금속이나 화합물이 특정 온도로 떨어지면 전기 저항이 0이 되는 현상이다. 많은 사람들이 이것이 미래의 기술이라고 생각할 수 있지만 사실 그 원리가 발견된지 270년 이상이 지났다. 초전도 원리를 적용하는 많은 제품이 이미 의료기기를 중심으로 실용하 되었기 때문이다. 그러나, 실용화에 사용되는 많은 초전도 장치는 액체 헬륨온도 약 영하200도에서 초전도되는 물질을 사용하기 때문에 냉각 비용이 높다는 단점이 있다. 그러나 고온 초전도체라는 물질이 발견되어 냉각 비용이 절감되고 전류 손실이 크게 억제될 수 있었으며, 에너지 절약 목적을 위한 전력 인프라 장비에서의 사용이 확대되기 시작되었다. 특히, 시장 규모가 큰 초전도 케이블을 이용한 초전도 송전의 실현이 주목받고 있다. 초전도성의 장점 중 하나는 특정 온도 이하에서 전기 저항을 감소시켜 전력 손실이 극히 적은 특정금속 및 화합물에 에너지 공급을 할 수 있고 전력을 소비하지 않고 강한 자기장을 생성할 수 있다는 것이다. 초전도성은 1911년에 처음 발견되었는데 액체헬륨 온도로 냉각된 수은의 전기 저항이 감소하는 것이 확인되었다. 하지만 냉각의 필요성과 액체 헬륨이 비싸고 취급이 어렵다는 사실로 인해 산업적 이용은 상당히 제한적이었다. 그러나 많은 연구로 인하여 액화질소 냉각 매체로 사용하여 초전도 상태를 만들 수 있게 되었고, 다양한 산업 설비에 실용화하기 위한 연구 개발이 시작되었다.
2. 결국 냉각 비용을 절감하는 것이 핵심
일반적으로 액체 헬륨으로 냉각해야 하는 초전도를 저온 초전도라고 하며 액체 질소를 고온 초전도라고 한다. 이처럼 초전도성에는 저온 초전도와 고온 초전도가 있지만 고온 초전도가 주목을 받고 있다. 현재 가장 많이 사용되는 초전도 기술은 저온 초전도를 사용하는 MRI(자기공명단증촬영)이라는 의료기기이다. MRI는 액체 헬륨으로 냉각된 니오븀 티타늄 합금으로 만든 초전도 자석을 사용하며, 초전도성에 의해 발생하는 강한 자기장으로 인해 내부를 정밀하게 영상화하여 다양한 질병을 진단하는데 사용된다. 그러나 위에서 언급했던 저렴한 액체 질소를 사용하는 고온 초전도성의 발견은 냉각 비용을 줄이고 실제 적용을 더욱 발전시켰다. 응용 분야 또한 의료분야세 전력 인프라 설비, 모터, 변압기 등으로 확대되고 있다. 그중에서도 초전도 케이블에 의한 송전이 세계 각국에서 주목받고 있으며 기술개발 및 실용화를 위한 노력이 이루어지고 있다. 발전소에서 생상되는 모든 전기가 수용 장소에 도달하는 것은 아니다. 일반 구리 케이블을 사용하여 전력을 전공할 때 전기 저항은 전력을 열로 변환하여 손실을 초래한다. 이것이 전력이 더 멀기 전달 될수록 손실이 커진다는 것을 의미한다. 송전 중 전력 손실은 약 5%로 알려져있다. 이러한 전송 손실을 줄이기 위한 방법으로, 고온의 초전도 물질로부터 케이블을 제조하고 액체 질소로 냉각하면서 전력을 전송하는 초전도 전력 전송이 고안되었다. 이론상으로는 손실 없는 동력 전달 시스템이지만 실제로는 액체 질수 냉각 비용 때문에 완전히 손실이 없다고는 말할 수 없다.