초전도체

초전도체 현상이란, 도체의  전기저항이 0이 되는 현상을 의미한다.

초전도체를 이용한 전력기기에는 초전도 케이블, 초전도 변압기, 초전도 한류기, 초전도 회전기 등이 있으며, 기존 전력기기에 비하여 기기의 크기와 에너지 손실을 저감 할 수 있으며 향후 전력산업 발전에 크게 기여할 것이다.

 

1. 초전도 원리

1) 초전도 현상 

어떤 물질이 일정 조건하에서 물질의 전기저항이 완전히 사라지는 특성과 자기장을 배척하는 완전 반자성 특성을 갖게 되는 현상을 말한다.

초전도 원리

2) 초전도체가 되기 위한 조건

온도, 자기장, 전류 등이 일정한 임계값의 범위 안에 있어야 한다.

- 전이(Transition)란, 상온에서 초전도성을 나타내지 않는 물질이 일정조건하에서 초전도체로 변하는 것을 의미한다.

- 임계전이 온도란, 초전도체가 외부자기장과 통전전류가 없는 상황에서 초전도성을 나타내는 최고의 온도를 의미한다. 초전도 물질의 종류에 따라 임계전이 온도가 달라진다.

 

2. 초전도의 특징

1) 초전도체의 임계값

- 임계값이란, 임계전류밀도, 임계자기장, 임계온도 3가지를 의미한다.

- 초전도체는 임계값 범위 안에 존재해야만 초전도 성질을 유지한다.

- 임계값 중 하나라도 임계범위를 벗어나면 초전도체는 상전도체로 변화한다. (Quench 현상)

- Quench 현상

마이스너 효과와 반대로 초전도체 주위의 온도가 임계온도 이상이 되면 초전도의 성질을 잃어버리고 상전도체로 변하는 현상

 

2) 전기저항 제로효과

- 원리

어떤 물질의 온도를 임계온도 이하로 낮추면 전기저항이 완전히 사라져 도체 중에서도 가장 전도율이 높은 물질이 된다. 전기저항이 없는 초전도체의 경우 저항이 없기 때문에 초전도체를 따라 흐르는 초전류는 감쇠하지 않고 영원히 흐르게 된다.

(초천도 에너지저장장치 SMES)

- 특징

임계전류밀도를 초과하면 초전도성을 잃고 저항이 나타난다. 초전도체는 임계온도와 임계자기장이 클수록 좋다.

 

3) 마이스너 효과 (Meissner Effect)

- 원리

보통 물질은 도체 위에 자석을 두면 자석에서 발생되는 자기장이 도체 내부로 침투한다. 그러나 초전도 상태에서는 자기장을 밖으로 밀어내는 성질이 있어 자석은 초전도체와의 거리를 그대로 유지하면서 위에 떠 있게 된다. 이를 마이스너 효과라고 한다.

- 특징

초전도 내부로 자기장이 통과하지 못하는 완전반자성의 성질을 갖는다. 외부에서 가해진 자기장을 상쇄시키기 위한 전류가 초전도체에 흘러서 외부의 자석과 반대되는 자극을 만듦으로써 나타나는데 자기장을 밀어내는 자기 부상효과를 이용하여 자기부상 열차나 초전도 베어링 등을 제작할 수 있다.

마이스너 효과(Meissner Effect)

4) 자기장 보존

초전도체 상태가 되기 전의 초전도 회로 내부의 자기장은 냉각으로 초전도체가 되어 자기장에 변화가 있어도 냉각되기 전의 원래 자기장을 유지한다.

 

5) 조셉슨 효과 (Josephson Effect)

- 2개의 초전도체가 매우 얇은 절연막을 두고 격리되어 있을 경우 터널효과에 의해서 전자가 특수한 쌍(쿠퍼쌍)을 이루어 절연막을 통과하는 현상

- 고감도 측정장치와 전자기파와의 간섭을 이용한 검파기 등에 응용된다.

 

3. 초전도 전력기술의 특징

1) 효율의 향상

2) 전력기기의 소형화 및 용량증대

예를 들면, 전기차 배터리의 소형화 및 용량증대, ESS 설비의 안정성 확보 및 용량증대 등이 있다.

3) 전력계통의 안정도

- 초전도 전력기기는 손실이 적고 전류밀도가 높은 반면에 과부하에 대한 유연성이 높아서 전력계통 및 전압의 안정도가 향상되고 유효전력 공급이 증대된다.

- 초전도 한류기는 선로에서 한류한계가 없으므로 과도상태에 대비한 설비투자가 절감된다.

4) 친환경 

- 효율 향상으로 에너지 절약 효과

- 화력발전 감소와 온실가스 감축효과

- 전류통전능력 향상으로 구리 등 광물자원의 절약이 가능하다.

 

4. 초전도 전력기기의 기대효과 및 해결과제

1) 기대효과

- 전기저항 0에 의한 낮은 에너지 손실, 높은 송전용량 실현이 가능하다.

- 총발전량을 최소화하여 이산화탄소 방출을 최소화할 수 있다.

- 전력공급에 있어서 고품질, 신뢰성, 안전성을 향상 시킬 수 있다.

2) 해결과제

- 절연 및 냉각기술의 개발

- 초전도 선재화 및 표면부식 방지기술 개발

- 극저온 환경에 적합한 절연재료 개발

- 단락사고 시 Quench 현상 발생에 대한 방지대책 개발