전력 전자의 기술 동향 - 고온 초전도체 (HTS)-

 

전력전자 및 에너지 변환 기술들 중 차후의 중요한 역할을 할 것으로 기대하는 기술 중에 하나인 고온 초전도체 (High-temperature superconductors, HTS) 기술에 대하여 포스팅해 보겠습니다.

 

 

- 고온 초전도체 (HTS) 기술 소개 -

 

고온 초전도체는 기존 초전도체보다 훨씬 높은 온도에서 저항 없이 전기를 전도할 수 있는 초전도 물질의 일종입니다. '고온'이라는 용어는 이러한 물질이 기존 초전도체에 일반적으로 사용되는 액체 헬륨의 끓는점(-268.96°C) 보다 훨씬 높은 30°C(-243.15°C) 이상의 온도에서 초전도가 될 수 있다는 사실을 나타냅니다. 고온 초전도체는 일반적으로 1986년에 처음 발견된 구리 산화물 또는 "컵레이트" 초전도체로 알려진 물질에 속합니다. 이러한 소재는 에너지, 운송, 의료 등 다양한 산업과 기술을 혁신할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

기존 초전도체에 비해 고온 초전도체의 중요한 장점들은 다음과 같습니다.

 

고온 초전도체의 장점

1. 더 높은 작동 온도

고온 초전도체는 비교적 저렴하고 쉽게 구할 수 있는 냉각제인 액체 질소의 끓는점인 77K(-196.15°C) 이상의 온도에서 작동할 수 있습니다. 따라서 훨씬 낮은 온도가 필요한 기존 초전도체보다 상업용 애플리케이션에 더 실용적입니다.

 

2. 더 높은 임계 전류

고온 초전도체는 기존 초전도체보다 더 높은 전류 밀도를 전달할 수 있으므로 더 작은 부피에 더 많은 전력을 전달할 수 있습니다.

 

3.더 작고 가벼운 부품 

고온 초전도체는 더 작은 부피에 더 많은 전력을 전달할 수 있기 때문에 전기 모터 및 발전기와 같은 다양한 애플리케이션을 위한 더 작고 가벼운 부품을 만드는 데 사용할 수 있습니다.

4.더 효율적인 전력 전송 

고온 초전도체는 보다 효율적인 송전선을 만드는 데 사용할 수 있어 에너지 손실을 줄이고 전력망의 용량을 늘릴 수 있습니다.

5.더 빠른 컴퓨팅

고온 초전도체는 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 계산을 수행할 수 있는 양자 컴퓨터와 같이 더 빠르고 효율적인 컴퓨팅 장치를 만드는 데 사용될 수 있습니다.

전반적으로 고온 초전도체는 에너지, 운송, 의료, 컴퓨팅 등 다양한 산업과 기술을 혁신할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.  고온 초전도체는 아직 개발 초기 단계에 있지만, 다음과 같은 다양한 응용 분야에서 사용되고 있는 몇 가지 실제 사례가 있습니다.

 

고온 초전도체의 실제 적용 사례들

1. 자기 공명영상(MRI) 

고온 초전도체는 강력한 자기장을 생성하기 위해 MRI 기계에 사용됩니다. MRI 기계의 초전도 자석은 일반적으로 이트륨-바륨-구리-산화물(YBCO)로 알려진 고온 초전도체 유형으로 만들어집니다.

2. 전력 전송 케이블

고온 초전도체는 기존 케이블보다 훨씬 적은 에너지 손실로 전기를 전송할 수 있는 송전 케이블에 사용하기 위해 개발되고 있습니다. 한 가지 예로 전력망에 사용할 고온 초전도 케이블을 개발하는 REG(Resilient Electric Grid) 프로젝트가 있습니다.

3. 전기 모터 및 발전기

 고온 초전도체는 보다 효율적인 전기 모터와 발전기를 만드는 데 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 하이퍼 테크 리서치(Hyper Tech Research)는 전기 자동차와 항공기에 사용할 수 있는 고온 초전도 모터를 개발했습니다.

4. 핵융합로용 초전도 자석

고온 초전도체는 사실상 무한한 청정에너지 공급원이 될 수 있는 미래 핵융합로에 사용될 자석에 사용하기 위해 개발되고 있습니다.

5. 고속 열차

고온 초전도체는 잠재적으로 에너지 소비를 줄이고 속도를 높일 수 있는 고속 열차의 부양 및 추진 시스템에 사용하기 위해 연구되고 있습니다

 

 

- 고온 초전도체 (HTS) 기술의 역사와 기술 동향 -

 

최초의 고온 초전도체는 1986년 IBM 연구원 게오르그 베드노르츠와 알렉스 뮐러가 발견한 것으로, 이들은 특정 종류의 세라믹 재료가 30K(-243.15°C) 이상의 온도에서 초전도가 될 수 있다는 사실을 발견했습니다. 기존의 초전도체는 일반적으로 절대 영도(-273.15°C)에 가까운 온도에서 저항이 0에 가까워야 하기 때문에 이 발견은 초전도 분야에서 중요한 돌파구였습니다. 고온 초전도체가 발견된 이후 연구자들은 이 물질의 특성을 이해하고 실용적인 응용 분야를 개발하기 위해 노력해 왔습니다. 

고온 초전도체는 더 효율적인 전력 전송, 더 빠른 컴퓨팅, 향상된 의료 영상 촬영을 가능하게 하여 에너지, 운송, 의료 등 다양한 산업에 혁신을 일으킬 잠재력을 가지고 있습니다. 고온 초전도체는 실용화를 위한 연구와 개발이 계속되고 있는 추세입니다. 고온 초전도체에서 한 가지 트렌드는 더 높은 초전도 온도와 임계 전류를 나타내는 새로운 소재를 개발하는 것입니다. 연구자들은 철 기반 초전도체와 같은 새로운 종류의 물질을 연구하여 향상된 특성과 더 실용적인 응용 분야를 제공할 수 있는 물질을 찾고 있습니다. 또 다른 추세는 고온 초전도체에 대한 실용적인 애플리케이션 개발입니다. 앞서 언급했듯이 고온 초전도체는 에너지, 운송, 의료 등 다양한 산업과 기술을 혁신할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 하지만 이러한 애플리케이션을 시장에 출시하려면 상당한 연구와 개발이 필요합니다.

 

- 고온 초전도체 (HTS) 기술의 한계점들 -

 

수십 년에 걸친 연구에도 불구하고 고온 초전도체는 아직 완전히 이해되지 않았으며, 제조 및 취급의 어려움으로 인해 실제 적용이 제한되어 왔습니다.  고온 초전도체는 많은 잠재적 이점을 제공하지만, 이러한 소재가 실제 응용 분야에 널리 사용되기 전에 해결해야 할 몇 가지 과제가 있습니다. 고온 초전도체의 현재 기술의 한계는 다음과 같습니다:

고온 초전도체의 한계

 

고온 초전도체는 제조가 어렵고 비용이 많이 들기 때문에 가용성이 제한되고 이를 사용하는 애플리케이션의 비용이 증가합니다.

2. 취급

고온 초전도체는 매우 부서지기 쉽고 산소 및 기타 오염 물질에 민감하기 때문에 취급 및 처리가 어렵습니다.

3. 기존 기술과의 통합

고온 초전도체는 기존 기술 및 인프라와 호환되지 않을 수 있으므로 실제 애플리케이션에 통합하기가 어렵습니다.

4. 제한된 임계 전류

고온 초전도체는 기존 초전도체보다 더 높은 전류 밀도를 전달할 수 있지만, 임계 전류는 여전히 기존 도체에 비해 제한적입니다. 즉, 고온 초전도체는 높은 전류 밀도가 필요한 모든 애플리케이션에 적합하지 않을 수 있습니다.

5. 안정성

고온 초전도체는 높은 자기장이나 기타 환경 요인에 노출되면 초전도 특성을 잃을 수 있으며, 이로 인해 일부 애플리케이션에서는 안정성과 신뢰성이 제한될 수 있습니다.

전반적으로 고온 초전도체는 많은 잠재적 이점을 제공하지만, 실제 응용 분야에 널리 채택되기 전에 극복해야 할 몇 가지 기술적 및 실용적 과제가 남아 있습니다. 이러한 과제를 해결하고 고온 초전도체가 가진 잠재력을 최대한 활용하기 위한 연구 및 개발 노력이 계속되고 있습니다. 전반적으로 고온 초전도체는 많은 산업과 기술에 혁명을 일으킬 잠재력을 가지고 있지만, 그 잠재력을 완전히 실현하기 위해서는 더 많은 연구와 개발이 필요합니다. 이러한 소재를 제조, 취급, 통합하는 데 따르는 어려움에도 불구하고 지속적인 연구 노력으로 고온 초전도체로 구현할 수 있는 가능성의 한계를 계속 넓혀가고 있습니다.

이상, 고온 초전도체 (High-temperature superconductors, HTS) 기술에 대하여 포스팅을 마치겠습니다.

읽어주셔서 감사합니다.