자기 선속 고정
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1. 개요
자기 선속 고정은 초전도체 내 자기 선속의 움직임을 억제하여, 초전도체의 성능 저하를 막는 기술이다. 특히, 고온 초전도체에서 발생하는 "자기 선속 크리프" 현상을 방지하여 임계 전류 밀도와 임계 자기장을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 자기 선속 고정은 초전도체 내 결함을 활용하거나, 외부 자기장을 가하여 자속 양자를 고정하는 방식으로 구현되며, 자기 부상, 운송, 극소형 장치 진동 제어 등 다양한 분야에 활용된다.
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고온 초전도체는 액체 질소 온도 이상에서 초전도 현상을 보이는 물질로, 구리 산화물 발견 이후 다양한 물질이 개발되었지만 작동 메커니즘은 완전히 규명되지 않았으며, 전자-전자 상호작용이 중요하고 송전, 의료, 자기부상열차 등에 응용될 잠재력을 가진다.
| 자기 선속 고정 | |
|---|---|
| 자기 선속 고정 개요 | |
| 정의 | 초전도체의 자기 선속이 재료 내의 결함에 의해 고정되는 현상 |
| 관련 현상 | 초전도 현상 |
| 자기 선속 고정 상세 | |
| 자기장 침투 | 외부 자기장이 임계 자기장 Hsubc,1을 초과하면 자기 선속이 초전도체 내부로 침투 |
| 자기 선속 흐름 | 자기 선속은 일반적으로 초전도체 내에서 자유롭게 움직이며, 전류가 흐를 때 전압 발생 (에너지 손실) |
| 자기 선속 고정 역할 | 자기 선속 고정은 자기 선속의 움직임을 막아 초전도체의 초전도 특성을 유지하고, 더 높은 전류를 전송 가능하게 함 |
| 원리 | 초전도체의 불균일성(결함, 불순물, 입계)이 자기 선속을 끌어당기거나 밀어내어 자기 선속을 특정 위치에 고정시킴 |
| 효과 | 초전도체의 임계 전류 증가 자기 히스테리시스 곡선에 영향 자석 위에서 초전도체가 떠 있는 것처럼 보이는 자기 부상 현상 |
| 자기 선속 고정 관련 정보 | |
| 활용 | 강력한 초전도 자석 자기 공명 영상 (MRI) 고속 자기 부상 열차 |
| 기타 | 자기 선속 고정은 초전도체의 성능 향상에 필수적인 요소 |
2. 자기 선속 고정의 중요성
자기 선속 고정은 고온 초전도체에서 "자기 선속 크리프" 현상을 억제하여 초전도체의 성능 저하를 막는 데 중요한 역할을 한다. 자기 선속 크리프는 SQUID 자력계의 정확도를 떨어뜨리고, 고온 초전도 자석의 최대 자기장 세기를 감소시키는 등 초전도체 활용에 여러 문제를 일으킨다.
자기 선속 고정은 벌크 초전도체에 중입자선을 조사하거나 불순물을 넣어 결함을 만들고, 이 결함에 자속 양자화를 가두어 유도 기전력에 의한 전기 저항 발생을 막는다.[5] 초전도 박막에서는 리소그래피와 에칭으로 (의사) 삼각 격자 모양의 구멍(Anti-dots)을 만들어 손실을 줄이기도 한다.[5]
상온에서 초전도체에 자기장을 침투시킨 후 초전도 상태로 만들거나, 초전도 상태의 제2종 초전도체를 자석에 접근시켜 자속을 침투시켜 자기 선속 고정을 할 수 있다.[6] 이때, 마이스너 효과로 자기장이 밀려나고, 침투된 자속은 핀 고정 효과로 특정 위치에 고정된다. 자속 양자들은 서로 밀어내며, 다른 요인이 없다면 삼각 격자 모양( 아브리코소프 격자)으로 배열된다.[6]
초전도 자기 부상은 마이스너 효과와 핀 고정 효과가 함께 작용한 결과이다. 마이스너 효과는 자속을 밀어내고, 핀 고정 효과는 초전도체와 자석 사이의 거리를 일정하게 유지한다.[7]
2. 1. 자기 선속 크리프
자기 선속 크리프는 초전도체 내부에 고정된 자기 선속이 시간이 지남에 따라 서서히 움직이는 현상이다. 이 현상은 초전도체에 가짜 전기 저항을 발생시키고, 임계 전류 밀도와 임계 자기장을 감소시켜 초전도체의 성능을 저하시킨다. SQUID 자력계와 같은 정밀 측정 장비의 정확도를 떨어뜨리고, 고온 초전도 자석의 최대 자기장 세기를 감소시키는 등 실제 응용에 문제를 일으킨다.제1종 초전도체에서는 이러한 현상이 나타나지 않는다.[3]
자속 양자화가 내부에 침투해 있는 제2종 초전도체에 전류를 흘리는 경우, 전류에 의한 로렌츠 힘 때문에 자속 양자화가 전류에 대해 수직 방향으로 힘을 받는다. 이 힘을 받아 자속 양자화가 초전도체 내부를 이동하면 유도 기전력이 발생하여 초전도체임에도 불구하고 전기 저항이 발생한다.[4]
3. 자기 선속 고정의 원리
제2종 초전도체에 전류를 흘리면, 전류와 자기장에 의해 로렌츠 힘이 발생하고, 이 힘은 자속 양자를 움직이게 한다. 초전도체 내부에 결함(불순물, 중입자선 조사 등)을 인위적으로 만들면, 이러한 결함이 자속 양자를 포획하여 움직임을 억제한다. 이를 핀 고정 효과라고 한다.
초전도 박막의 경우, 리소그래피 및 에칭 기술을 사용하여 규칙적인 패턴의 구멍(Anti-dots)을 만들어 핀 고정 효과를 유도할 수 있다.
상전도 상태에서 자기장을 침투시킨 후 초전도 상태로 전이시키거나, 초전도 상태에서 자석을 접근시켜 자속을 침투시키는 방식으로도 핀 고정을 구현할 수 있다. 핀 고정된 자속 양자들은 서로 밀어내며, 결함 등의 영향이 없다면 삼각 격자 형태(아브리코소프 격자)로 배열된다.
초전도체 위에 자석이 부상하거나 자석 위에 초전도체가 부상하여 정지해 있는 현상(초전도 자기 부상)은 종종 마이스너 효과에 의한 자속을 밀어내는 힘만으로 설명되는 경우가 있는데, 이는 오해이다. 마이스너 효과만으로는 불안정하며, 핀 고정 효과만으로는 초전도체와 자석이 붙어 있는 상태도 가능하다. 실제로는 자속을 밀어내는 마이스너 효과로 부상하고, 핀 고정 효과로 인해 정지하는 것이다.
4. 자기 선속 고정의 활용 및 미래
자기 선속 고정은 리프트, 마찰 없는 관절 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 초전도층이 얇을수록 자기장이 걸렸을 때 자기 선속이 더 강하게 고정된다.
4. 1. 무저항 연결
초전도체는 자석 위에 떠 있는 상태로 고정되어 접촉 없이 안정적인 연결을 유지할 수 있다.[6][7]4. 2. 운송 분야
자기 선속 고정은 운송 분야에서 혁신적인 변화를 가져올 수 있는 기술로 주목받고 있다. 특히, 초전도체가 자석 위에서 어떤 표면으로부터도 떨어진 채 고정되는 현상을 이용하여 마찰 없는 이동이 가능하다.프랑스의 파리 디드로 대학교는 'MagSurf'라는 기기를 개발하여 자기 선속 고정을 통해 사람을 운송할 수 있는 호버보드와 유사한 효과를 시연했다.[6][7][3][4] 브라질의 리우데자네이루 연방 대학교에서는 MagLev Cobra라는 자기 선속 고정 기반 자기 부상 열차 시스템을 개발하고 있는데, 이는 기존 도시 철도 시스템보다 더 작은 형태를 목표로 한다.[4]
자기 선속 고정 효과는 극소형 장치의 진동을 격리하는 데에도 활용될 수 있다. 초전도체를 공간에 고정시키는 능력을 이용하여 스프링과 같은 댐핑 장치로 사용함으로써, 위성 부품의 진동을 줄이는 연구가 진행되고 있다.
5. 핀 고정 효과와 초전도 자기 부상
초전도 자기 부상은 마이스너 효과에 의한 자속 배척과 핀 고정 효과에 의한 지지력이 결합된 현상이다. 마이스너 효과만으로는 동극끼리의 자석을 접근시켰을 때처럼 불안정한 반발력이 발생하지만, 핀 고정 효과가 더해져 안정적인 부상 및 정지 상태를 유지할 수 있다.
참조
[1]
웹사이트
Flux pinning in action
https://physicsworld[...]
2022-02-15
[2]
간행물
Superconductivity
Science Online database
[3]
간행물
Le Mag Surf
http://www.univ-pari[...]
Universite Paris-Diderot
2011-10-06
[4]
뉴스
http://www.mpq.univ-[...]
PBS news
2013-10-30
[5]
간행물
Superconductivity
Science Online database
[6]
간행물
Le Mag Surf
http://www.univ-pari[...]
Universite Paris-Diderot
2011-10-06
[7]
뉴스
http://www.mpq.univ-[...]
PBS news
2013-10-30
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