초전도체는 응용분야가 무궁무진하고 산업 전반에 걸쳐 엄청난 파급효과를 유발하기 때문에 제2의 산업 혁명을 일으킬 신성장 동력으로 꼽히고 있습니다. 아쉽게도 현재까지는 극저온 상태에서만 초전도 현상을 나타내는 물질 밖에 없어 냉각 유지비용 과다로 일부 영역에서만 사용되고 있었지만, 이제 냉각시스템이 필요 없는 현성티엔씨의 상온 상압 초전도성 물질 개발로 새로운 사업영역의 문이 열리고 있습니다. 현성티엔씨의 상온초전도 전구체는 Powder로 제작되어 모든 PIT(Powder in Tube) 공정에 투입되고, Target으로 제작되어 모든 CC(Coated Conductor) 공정에 투입될 것입니다. 기존의 업체와 경쟁하는 것이 아닌, 기존시장과  새로운 시장 모두를 아우르는 세계에서 가장 강력한 소재기업이 될 것입니다.

1. 초전도체(Superconductor)란?

SF영화에서 공중에 떠 있는 신비한 섬을 보셨을 겁니다. 태양계 바깥 먼 외계행성에서나 발견될 것 같은 꿈의 물질인 초전도체로 구성되었기 때문입니다.

초전도체(Superconductor)란 특정한 환경에서 전기저항이 전혀 없는 완전도체 특성과 주변 자기장을 밀어내는 완전 반자성 특성을 지니는 물질을 말합니다.

지금까지 개발된 초전도 물질은 극한의 저온 상태에서만 특성을 발휘하기 때문에 냉각비용 과다로 MRI, 자기부상열차 등을 제외하고는 산업 전반에 적용하지 못하고 있어 왔습니다.

◈ 초전도체의 특성

◈ 초전도체 적용분야

2. 초전도체의 불가사의 특성

♠ 전기저항이 제로
임계온도에서 갑자기 제로저항을 보인다

♠ 마이스너 효과
초전도체에 자기장을 접근시키면 초전도체에 침투하지 못하고 밀쳐낸다

♠ 단위 자속량
모든 초전도체에 쿠퍼쌍이 존재하여 자기장의 양인 자속량이 동일하다

♠ 동위원소 효과
동위원소(원자번호는 같고 질량수가 다른 원소)끼리도 초전도 임계온도가 전혀 비슷하지 않다

♠ 에너지의 갭
초전도체마다 에너지양이 다르며 임계온도와 대체로 비례관계에 있다

♠ 임계자계
모든 초전도체는 자기장의 세기가 어느 값 이하일 때 초전도성을 유지한다

♠ 결정구조의 불변
초전도체의 임계온도 위와 아래에서 결정체의 성질에 변화가 없다

♠ 상전도와 초전도 경계구역이 완만
상전도와 초전도구역의 경계는 날카롭게 구분되지 않고 구릉처럼 완만하다

♠ 전자와 정공(hole)이 전류운송
초전도체도 반도체와 같이 전자와 정공이 전류를 운반한다

♠ 낮은 열전도
아주 불가사의하게도 초전도 상태가 되면 방열재 수준만큼 열전도도가 줄어든다

♠ 압력을 가하면 임계온도가 변한다
수은계의 경우 임계온도가 135K인데 압력을 가하면 165K로 변한다

3. 초전도체의 종류 (재료)

♣ 금속계 초전도체

주기율표 상의 많은 금속 원소들이 저온에서 초전도체가 되며 단일 원소로 구성된 초전도체는 니오븀(Nb), 납(Pb), 주석(Sn), 알루미늄(Al) 등이 있고 화합물 및 혼합물 초전도체는 NbTi, NbN, Nb3Sn, Nb3Ge, NbGeAl, MgB2 등이 있다. 

금속 초전도체의 특징은 임계온도가 낮으며, 금속성 때문에 초전도 특성을 결정하는 변수인 초전도 결 맞음 길이(superconducting coherence length)가 길어서 웬만한 불순물이나 결합에도 대체로 초전도성이 잘 약화되지 않는 특징이 있다.
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♣ 산화물계 초전도체

액체질소 온도보다 높은 온도에서 초전도성이 유지되는 산화물 초전도체가 발견되었으며 1986년 La2-xBaxCuO4 의 발견을 시작으로 하여 수십 종이 발견되었는데, 그 중 대표적인 것으로는 YBa2Cu3O7, Bi2Sr2Ca1Cu2O8, Tl2Ba2Ca2Cu3O10, HgBa2Ca2Cu3O8, La2-xBa(Sr)xCuO4 등과 같은 구리 화합물과, BaKBiO3 등과 같은 비구리 화합물이 있다. 

금속계 초전도체보다 임계온도가 월등히 높아 “고온초전도체”로 불리며, 잘 부스러지는 성질과 몇 가지 화학적인 환경에서의 불안정성 등이 있으나 이를 극복하여 실용화를 위한 연구진행이 한창이고, 초전도 결 맞음 길이(superconducting coherence length)가 극히 짧아 불순물이나 구조결함에 초전도 성질이 아주 민감하게 변하는 특징이 있다.

♣ 유기물 초전도체

유기물 초전도체로는 k-(BEDT-TTF)Cu[N(CN)2]Br, (BETS)2(Cl2TCNQ), a-(BEDT-TTF) 2NH4Hg(SCN)4 등 많은 종류가 있으며, 이들은 매우 복잡한 유기화합물 구조를 하고 있다.

임계온도가 매우 낮아 상용화 가능성이 낮으며, 최근에는 DNA 가닥이 극저온에서 초전도성을 보였다는 보고도 있다.

4. 초전도체의 종류 (임계온도)

◐ 저온초전도체
    (LTS ; Low Temperature Superconductor)

통상 영하 243℃(30K) 이하에서 초전도 현상을 보이는 물질로 냉각을 위해 고가의 액화헬륨(비등점 4.2K)이 필요하다.

◐고온초전도체 
   (HTS ; High Temperature Superconductor)

통상 영하 30℃ 이하에서 초전도 현상을 보이는 물질로 냉각을 위해 비교적 저렴한 액화질소(비등점 77K)가 필요하다.

◐상온초전도체
   (RTS ; Room Temperature Superconductor)

통상 영하 30℃ 이상에서 초전도 현상을 보이는 물질로 초저온 냉각시스템이 불필요하다.

5. 초전도체의 종류 (특성)

♥ 1종 초전도체 (type I superconductor)

어떤 온도상태에서 임계자기장을 경계로 정상상태와 초전도상태로 상전이(相轉移) 되며, 그 경계 이하에서는 마이스너(반자성)에 인해 외부 자기장 침투가 불가하다. 일반적으로 하나의 원자로 구성된 순수 금속물질이 주종을 이루고 있고 낮은 임계온도를 지니고 있어 저온초전도체로 분류한다.

♥ 2종 초전도체 (type II superconductor)

어떤 온도상태에서 임계자기장의 일정 범위가 있어 그 안에서는 마이스너(반자성) 성질과 동시에 외부 자기장 침투가 일부 가능하다. 일반적으로 금속화합물, 산화물, 유기물 등이 이에 해당하며 높은 임계온도를 지니고 있어 고온초전도체로 분류한다.

1. 새로운 패러다임의 시작, 현성티엔씨

현성티엔씨는 전고체전지의 효율적인 전극재료 개발을 위해 금속산화물 합성을 진행하던 중 세계 최초로 상온/상압 상태에서의 초전도 가능물질을 고안하게 되었습니다.

쉽게 구할 수 있고 가격 또한 저렴한 원소들을 합성하여 기존에는 없었던 새로운 물질을 만들어 내겠다는 욕심에서 출발했으나, 너무나 평범하여 많은 과학자들이 등한시 해 왔던 원소들임에도 불구하고, 새로운 물질로 만들어진 후에는 그 조합 자체가 어떠한 압력이나 냉각상태가 없더라도 초전도 특성을 보일만한 충분한 이유가 있어 보였습니다.

현성티엔씨는 학계의 자문을 받아  독자 고안한 합성물질 2종(Pb3MgO5, Cd5MgO6)에 대해 시편제작과 분석을 실시하기로 했습니다. 이 물질이 상온 상압에서 단 1%의 초전도 성질만 보여도 기술 확장성과 산업적 파급력은 대단할 것이기 때문입니다.

산학연 공동으로 진행한 PXDR, SQUID 분석 결과는 가히 예상을 뛰어넘는 획기적인 수치였습니다.  세계가 지난 100여 년간 그토록 갈망하던 상온 상압에서의 초전도 현상이 37℃, 47℃에서 펼쳐진 것입니다.

현성티엔씨는 긴급히 상온초전도성 물질 2종을 특허로 보호하고, 자체 고안해 두었던 나머지 12가지 신규 합성물질(특히 상온 상압 0℃, -97℃ 중심)도 실험에 착수함은 물론, 본격적으로 상온 초전도 물질사업에 돌입했습니다. 

인류의 삶은 뜻하지 않은 계기에서 변화될 수 있는 바, 현성티엔씨의 놀라운 경험이 다시 한번 이를 증명하게 될 것으로 보입니다.  이제, 현대과학의 새로운 패러다임을 시작하겠습니다.

2. 상온초전도성 물질의 확인

◈ 세계 최초 SQUID 분석을 통한 상온/상압 초전도 현상 확인

◈ 가격이 저렴한 원료사용, 냉각장치 불필요 편익으로 인해 초전도 전구체사업의 확대와 전기, 전자, 에너지, 교통, 의료산업의 폭넓은 사용이 예상

3. 상온초전도성 물질의 생산

저온/고온초전도체는 생산원가와 냉각 운영비 부담이 높아 사실상의 전구체(어떤 물질에 선행하는 물질) 업체가 존재하지 못하고 있었습니다. 초전도물질을 적용한 선재(Wire)를 직접 제작하여 초전도체가 반드시 있어야만 하는 MRI, 자기부상열차 등에 공급해 오던 형태였을 뿐입니다. 이제 현성티엔씨의 상온 상압 초전도성 물질 발견을 계기로, 가격경쟁력과 함께 냉각장치 구비의 비경제성까지 없앤 강력한 전구체 소재사업을 통해, 그 동안 초전도성 물질을 필요로 해오던 거대한 규모의 산업전반에 범용의 상온초전도 전구체를 공급하고자 합니다. 

◈ Sintering 공법

◈ 열수화반응저온소결 공법

◈ Cold Sintering 공법

◈ Sputtering Deposition 공법