초전도체 – 재료 | 납, 주석, 니오븀 및 세라믹

초전도체란 무엇인가

초전도체는 특정 온도, 즉 임계 온도(T_c) 이하로 냉각될 때 전기를 저항 없이 전도할 수 있는 물질입니다. 이는 전기 전류를 에너지 손실 없이 운반할 수 있다는 것을 의미하며, 이로 인해 전력 발생, 의료 영상, 교통 등 다양한 분야에서 매우 유용하게 활용됩니다.

초전도체의 응용

초전도체의 응용은 다양하며, 의료 영상 기기(예: MRI 기계), 교통(예: 자기부상열차), 전력 생성 및 배포(예: 핵융합 실험을 위한 고장력 자석) 등에서 찾아볼 수 있습니다. 하지만 초전도성을 발휘하기 위해서는 저온 상태가 필요하며, 이는 일부 응용 분야에서 비실용적이고 비경제적일 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 과학자들은 더 높은 온도에서 초전도성을 나타내는 새로운 물질을 지속적으로 연구하고 개발하고 있으며, 이것이 미래에 더 널리 사용될 수 있도록 할 것입니다.

초전도체의 종류

초전도체는 주로 두 가지 유형으로 분류됩니다:

Type I 초전도체: 단일 임계 자기장을 가지며, 이 이하에서는 완벽한 전도성을 보이고, 이를 초과하면 초전도 특성을 갑자기 잃습니다. 이들은 “부드러운” 초전도체로도 불립니다. 예를 들어 수은(Hg), 납(Pb), 주석(Sn) 등이 있습니다.

Type II 초전도체: 두 개의 임계 자기장을 가지며, 이 사이에서는 일부만 초전도 상태를 나타내는 혼합 상태를 보입니다. 이들은 “단단한” 초전도체로 알려져 있으며, 예로는 니오븀-티타늄(NbTi), 니오븀-주석(Nb₃Sn), YBCO(이트륨 바륨 구리 산화물) 등이 있습니다. Type II 초전도체는 더 높은 자기장과 온도에서 작동할 수 있고, 강한 자기장 속에서도 초전도 특성을 유지할 수 있어 MRI 기계와 입자 가속기와 같은 응용 분야에서 널리 사용됩니다.

이 외에도, BCS(Bardeen-Cooper-Schrieffer) 이론에 속하지 않는 비전통적 초전도체가 있으며, 이에는 고온 초전도체와 중중자 초전도체 등이 포함됩니다.

초전도체 재료 목록

다음은 주요 초전도체와 그 특성을 나타낸 표입니다:

주석(Sn): Type I, 임계 온도(T_c) = 3.7K, 임계 자기장(T) = 0.005
납(Pb): Type I, T_c = 7.19K, T = 0.015
수은(Hg): Type I, T_c = 4.15K, T = 0.091
니오븀-티타늄(NbTi): Type II, T_c = 10.4K, T = 12.5
니오븀-주석(Nb₃Sn): Type II, T_c = 18.1K, T = 25
이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO): Type II, T_c = 92K, T = 20.2
비스무트 스트론튬 칼슘 구리 산화물(BSCCO): Type II, T_c = 107K, T = 70.2
란타넘 바륨 구리 산화물(LBCO): Type II, T_c = 40K, T = 0.2
마그네슘 디보라이드(MgB₂): Type II, T_c = 39K, T = 0.2
철 기반 초전도체(FeSe): Type II, T_c = 8K, T = 0.17
이러한 초전도체는 현대 기술에서 다양하게 응용되고 있습니다.