초전도의 기술적 특성, 산업기술 응용 및 향후 전망

1. 개 요

□ 초전도체의 첫 번째 특징은 임계온도 이하가 되면 갑자기 전기저항이 0이 된다.

□ 이 후 임계자속밀도와 임계전류밀도 특성이 발견되었으며 초전도체의 세 가지 특성은 서로 밀접한 관계가 있다.

2. 초전도의 일반적인 특징

1) 임계온도

초전도체(Superconductor)는 적절한 조건이 되면 전기저항이 완전히 사라져 도체 중에서도 가장 전도율이 큰 물질이 된다. 보통 어떤 물체에 전류가 흐르면 그 물체에는 전류의 제곱과 물체의 저항을 곱한 값의 열이 발생하게 되고 이로 인해서 에너지의 손실이 크게 되지만 전기저항이 없는 초전도체의 경우 에너지 손실 없이 훨씬 더 많은 양의 전류를 멀리 보낼 수 있다.

2) 임계자속밀도(마이스너 효과)

(1) 도체 위에 간격을 유지한 상태로 자석을 두면 자석에서 발생되는 자기장이 도체에 도달하고 도체 내부에 자기장이 침투한다. 그런데 어떤 특정온도(임계온도)이하가 되어 초전도가 일어난 경우(초전도 상태가 된 경우), 보통물질과 달리 자기장을 밖으로 밀어내는 성질이 있어 자석은 초전도체와 거리를 그대로 유지하면서 위에 떠 있게 된다. 이 때 초전도체 내부의 자속밀도(B)를 측정하면 0이 되고 이러한 초전도체의 완전 반자성을 마이스너 효과라 한다.

(2) 마이스너 효과는 외부에서 자석과 반대되는 자극을 만듬으로써 나타나는데 자기장을 밀어내는 자기부상효과를 이용하여 자기부상 열차나 초전도 베어링 등을 제작할 수 있다.

–>가까이에 자석을 두었을 때 그 자석이 만드는 자기장에 반발하는 성질을 반자성이라고 하는데, 초전도 물질은 ‘완전 반자성’의 성질을 보여준다. 하지만 이때 주위의 온도가 올라가 임계온도 이상이 되면 시료는 초전도의 성질을 잃어버리게 되고(이를 퀜치 현상이라고 한다) 자석은 더 이상 떠있지 못하게 된다.

3) 조셉슨 전류

(1) 초전도체와 초전도체 사이에 전류가 흐르지 못하는 부도체를 끼워넣어도 전류가 흐르는 현상을 말한다.

(2) 반도체나 일반적인 금속 속의 전자는 각각 별개로 행동하지만, 조셉슨접합 안의 전자는 나란히 운동한다. 조셉슨접합을 통해서 직류전류를 흘려보낼 때, 한계전류까지는 절연막이 있음에도 불구하고 초전도체 사이에 전위차(電位差)가 발생하지 않고, 직류전류가 흐른다(직류조셉슨효과). 그런데 직류전류가 한계전류를 넘으면, 초전도체 사이에 전위차가 생겨 교류전류가 흐르게 된다(교류조셉슨효과). 이 때 교류주파수는 직류전압에 비례하고, 외부로부터 전자기파(마이크로파)를 조사(照射)하면 간섭현상이 생겨, 교류주파수가 전자기파 주파수와 같을 때 직류전류가생긴다. 이에 대한 응용 연구는, 조셉슨전류가 외부자기장에 민감하게 반응하는 것을 이용하여 자기장 ·전류 ·전압 등의 고감도측정장치, 교류조셉슨효과와 외부로부터 가한 전자기파와의 간섭을 이용한 검파기(檢波器) 등에 응용되며, 또한 컴퓨터의 연산소자로서 이용될 수 있다

3. 초전도 기술의 산업응용

1) 초전도 전동기

산업문명의 고도화와 에너지의 사용량 증가에 따라 이산화탄소 가스의 발생이 나날이 증가함으로써 환경오염의 문제 및 지구 온난화 현상이 발생하고 있다. 미국의 경우 전체 전기에너지의 사용량 중 64%정도를 전동기가 소모하고 있으며 이중에서 절반 정도를 1000마력 이상의 전동기들이 차지하고 있다. 기존의 대용량 전동기의 효율을 약 2%정도 향상시킬 경우 미국은 연간 약 20억 달러(2조)의 에너지 절약효과를 기대할 수 있고 전기에너지생산의 66%를 LNG, 석유, 석탄 등 화석연료가 차지하고 있기 때문에 지구온난화의 주원인인 이산화탄소의 배출량을 줄일 수 있다.

2) 초전도 변압기

초전도 변압기는 기존 변압기의 권선을 초전도체로 대체하여 동손이 없으므로 효율이 향상되고, 전류용량이 큰 초전도체를 사용함으로써 소형화가 가능할 뿐만 아니라 기존 변압기에서 사용하는 절연유를 사용하지 않아 화재나 폭발의 위험이 없고 환경오염을 감소시킬 수 있다. 최근에는 교류손실이 적은 고온초전도체가 개발되면서 가격이 저렴한 액체질소를 사용할 수 있는 고온초전도 변압기의 개발이 활발히 진행되고 있다.

3) 초전도 한류기

전력계통에서 단락 및 지락사고로 인해 발생하는 고장전류를 제거하거나 줄이기 위해 초전도기술을 접목시킨 전력기기로 정상상태에서는 전력손실 및 전압강하 발생이 없고, 사고상태에서는 스스로 사고를 감지해서 자동으로 계통의 임피던스를 증가시켜, 사고전류를 허용치 이하로 제한함으로써 전력계통의 기기를 보호하여 기존 차단기의 용량문제나 전력계통의 안정도 문제를 해결할 수 있는 환경 친화적인 새로운 사고전류 대책 기술이다.

4) 초전도 케이블

전력수용의 증가와 집중화에 대비하여 도심지에 적용하기에 가장 이상적인 지중 송전방식으로서 송전에너지 밀도가 매우 높고, 송전에너지 손실이 현저하게 적은 초전도 전력케이블을 고려할 수 있으며 이중 고온초전도체의 특징은 아래와 같다

(1) 대용량, 저손실

초전도케이블은 현재의 케이블에 비해 대전류를 흘릴 수 있을 뿐만 아니라 교류손실이 종래 케이블에 비하여 1/20로 극히 작으며 송전용량 또한 현재보다 수 배 이상 증가시킬 수 있다.

(2) 저전압 송전

현재 전려케이블은 주로 송전전압을 상승시키는 방법에 의해 송전용량을 증대시키고 있으나 초전도케이블은 대전류를 흘리는 것이 가능하기 때문에 동일용량을 송전할 경우 기존의 전력케이블보다 낮은 전압으로 송전이 가능하다. 즉 345, 765kV로 승압하여 송전하지 않고 154kV, 22.9kV로 수용가까지 저전압 대전류의 대용량 송전이 가능하다

(3) 송전비용의 절감

① 지중계통의 전압등급의 균일화가 가능하고 도심의 초고압 변전소의 생략이 가능하여 송전비용을 줄일 수 있다.

② 절연레벨의 감소로 송,변전기기의 Compact화 및 전력기기 가격의 저하가 가능하다.

③ 저전압화에 의해 케이블의 충전전류가 크게 감소하기 때문에 보상용 리액터를 경감하여 계통전체에 걸쳐 송전비용을 줄이는 것이 가능하다.

(4) 케이블의 소형화

초전도 케이블은 1회선당의 송전용량이 대단히 크기 때문에 동일한 용량을 송전하는 경우 종래 케이블에 비해 소요 회선수가 감소된다.

(5) 케이블 관로의 소형화(건설비용의 절감)

동일 송전용량으로 기준할 때 케이블의 포설에 필요한 Tunnel의 직경을 60%정도 작게 할 수 있기 때문에 기존 관로나 전력구의 활용이 가능하여 건설비용을 대폭 절감할 수 있다.

(6) 장거리 송전 가능

초전도 케이블은 저손실, 대전류, 저전압 송전이 가능하여 케이블 허용전류 중 충전전류가 차지하는 비중이 작기 때문에 종래의 케이블에 비해 충전전류가 송전길이의 제약 조건으로 작용하는 경우가 작아 장거리 송전이 가능하다.

4. 결 언

초전도 기술은 여러분야에 응용되고 있다. 우리나라의 전력수요는 지속적으로 증가 및 집중화 되고 있으나 도심지의 송전선로, 배전선로의 경과지는 한정 되어있다. 따라서 고온 초전도체의 지중 송전방식 적용은 전력수요증대의 문제를 해결할 수 있는 가장 이상적인 방안이며, 초전도 케이블로 대체할 경우 송전손실을 현저히 줄일 수 있고 저전압 송전이 가능하기 때문에 여러가지 이득을 취할 수 있어 가장 기대되는 분야라고 할 수 있다.

참조

초전도 전동기

전동기의 구리선(코일)을 전기손실이 없는 초전도선으로 대체한 것이다. 초전도 현상을 이용해 모터를 만들면 고자장화를 구현할 수 있어 대용량 모터를 쉽게 만들 수 있다. 더욱이 소형·경량화, 고출력·고효율화까지 최첨단 모터 기술을 실현할 수 있다.

초전도 변압기

초전도 코일을 사용하는 변압기는 철손, 유전체손의 손실은 그대로 발생한다.

하지만 초전도 변압기는 동손의 손실이 없기 때문에 일반변압기에 비해 손실은 상당히 적다

30MVA용량을 기준으로 했을 때 일반 유입변압기의 무게는 30톤, 초전도 변압기는 16~24톤

전류특성:일반변압기는 단락전류는 정격전류의 10~15배, 초전도 변압기는 임계전류의 10%선에서 결정. 임계전류 이상의 전류가 흐르면 사고전류로 인식하고 제한.

초전도 한류기

사고전류 제한, 주변기기로의 사고 파급효과 감소

초전도 소자는 임계온도 영하 196도이하에서는 정상전류가 흐를때는 아무런 손실이나 임피던스없이 정상전류가 흐르나

초전도 소자에 임계전류값 이상이 흐르면 초전도 성질을 잃게 되어 임피던스가 급격히 증가하면서 사고전류를 제한

초전도체 케이블

한국전력 2019년 10월 세계최초 상용화 성공

영하 196도 이하로 온도를 낮춘 진공상태에서 전기저항이 0이되는 초전도 금속을 사용해 제작하는 케이블

초전도 케이블은 기존전선과 같은 크기로 5배 이상의 전력을 공급. 송배전 선로가 줄어들고 전력손실이 1/10 수준으로 감소해 연간 1조원이 넘는 비용을 절감.