상온 초전도체 개발 의료기기에 미치는 영향

초전도체

2023년 7월 한국을 비롯한 세계 과학계를 놀라게 한 상온 초전도체 개발 소식이 아직 SNS와 지면을 뜨겁게 달구고 있다.초전도 현상과 초전도체의 의미, 의미 상온 초전도체 개발 시 예상되는 우리 삶의 변화와 의료기기의 영향 등에 대해 알아보자.

초전도 현상과 초전도체

초전도성이란? 저항이 0’이면서 가까운 자기장을 N, S극에 관계없이 밀어내는 현상이다.

구리산염 니켈산염의 초전도성 연구, articles 1

초전도체란? 이러한 초전도성을 가진 물질을 의미하는데, 임계온도 이하에서 갑자기 전기저항이 0’되어 전류가 아무런 장애 없이 흐르는 조건과 함께 가까운 자기장과 반대극성을 띠는 반자성 특성 등의 조건을 충족하는 물질을 의미한다.특히 두 번째 현상을 마이스너 효과라고 한다. 초전도체1) 특정 임계온도에서 저항이 0’2)주변 자기장을 밀어내는 마이스너현상1)2)만족시 초전도체로 인정

초전도는 영어로 Superconductivity라고 하는데, 1911년 네덜란드 물리학자 H.K Ones가 극저온 환경을 만들 수 있는 액체 헬륨을 만드는데 성공하면서 액체 헬륨을 이용해 영하 268.8도에서 수은의 전기 저항이 갑자기 0’이 되는 현상을 발견했고, 이를 초전도 현상이라 부르며 수은을 초전도체로 명명하면서 시작됐다.

초전도체는 영어로 슈퍼컨덕트라고 하는데 임계온도인 극저온을 넘어서면 전기저항이 0’이 되고 동시에 가까운 자기장까지 밀어냄으로써 외부의 간섭을 전혀 받지 않는 추가적 현상을 발견하는데, 이를 발명자의 이름인 Walter Meissner에 의해 마이스너’ 효과로 명명하게 되었다.

칼륨 구리니켈의 초전도성 연구도, articles 1

이러한 두 물리적 성질을 만족하는 초전도체는 1986년까지 총 27종의 합금, 금속이 보고됐고, 2019년 맥스플랑크연구소에서 무려 영하 23도에서 초전도성을 갖는 란치늄 화합물 LaH10을 발표해 세계를 놀라게 했다.최초 영하 268.8도에 비해 영하 23도는 상당히 높은 온도이며, 이를 고온 초전도체로 명명하기도 했다.

초전도체 임계온도는 점점 낮아져 향후 상온 초전도체 개발도 가능한 시대가 올 것으로 예상된다.

만약 초저온이나 고온이라는 영하 온도가 아닌 상온에서 활용 가능한 상온 초전도체가 개발된다면 인류의 생활에 미치는 파장은 예상하기 어려운 정도이며 그 파급효과는 예측을 불허할 정도다.초전도체 활용 분야는 철도용 변압기, 발전기, 제철 프로세스 등에서 이미 활용되고 있어 핵융합로, 의료용 중입자 가속기, 초전도 저장장치 등 신규 산업 등으로 획기적인 발전을 가져올 전망이다.현재 초전도체는 Type I, II로 구분되는데 Type I 초전도체는 수은을 포함한 순수 금속물질이며 Type I는 저온&고온 초전도체로 다시 세분화된다.≥ 초전도체 분류

초전도체 특성 물질 Type I 순금속 물질 수은 등 Type I 저온 초전도체 고온 초전도체 Hg, Nb 합금 La-Ba-Cuo YBCO

저항이 극히 적고 0’에 가까워 전력손실이 적고 원하는 수위까지 높은 자기장 발생이 가능해 전류밀도를 높임으로써 소형화 및 가격을 낮출 수 있기 때문이다.초전도체 개발 의료기기의 영향초전도체를 이용한 기술의 응용은 전자, 에너지, 수송 및 의료에 널리 보급되고 있으며 2005년에 비해 2020년 이후에는 최대 300배 이상 성장할 것으로 예측하고 있다.초전도체의 의료기기 분야 활용은 초전도 자석, 초전도 양자 간섭 소자(SQUID) 가속기, 고주파 디바이스 등을 이용해 진단에 응용되고 있다.초전도체를 이용한 MRI 영상초전도체 의료기기 중 자기공명영상MRI(Magnetic Resonance Imaging)는 과학을 통한 의료진단 역사에 획기적인 기여를 한 실례 중 하나다.기존 엑스레이를 통한 방사선 노출과 CT 대비 보다 섬세한 연골, 조직 영상 구현은 MRI의 큰 장점이다.또 환자가 체위를 바꾸지 않고 3차원적으로 촬영이 가능한 장점도 갖고 있다.초전도체를 활용한 MRI 의료기기MRI는 자기장을 가진 원통 속에 사람이 들어가자 검사하는 인체 영역에 고주파를 쏘고 체내 수소 원자 핵의 공명을 발생시키고 이에 대한 정보를 디지털 영상으로 전환한 진단 기기이다.MRI는 초전도 자석, 경사 자기장 시스템, 고주파 시스템, 냉각기와 주변 장치로 구성된다.MRI가 좋은 해상도의 영상을 얻기 위해서는 강한 자기장이 필요하지만 초전도체 자석이 이런 역할을 하게 된다.다만 초저온 상태에서만 구현 가능성 초전도체 특성에 의해서 고가이면서도 많은 면적을 차지하는 냉각기가 필수적이다.만약, 상온에서 작동하는 상온 초전도체가 개발하면 냉각기를 포함한 단열 장치 등이 필요 없게 된다, 거대한 체적을 획기적으로 줄일 수 있게 된다.또 자장의 강도도 증가할 수 있게 되면 현재 보급형인 3T(Tesla)수준에서 7-10T수준까지 높일 수 있게 됨으로써 보다 정밀 분해 능력 수준을 높인다, 초정밀 MRI, fMRI의 개발도 가능하게 된다. 7-10T수준의 자기장 강도 MRI라면 장기의 형태 구조나 이상을 보는 수준을 넘어 뇌내부의 지방질 대사, 아미노산 대사까지 섬세하게 알아볼 수 있어 알츠하이머 치매, 파킨슨 병의 약물 개발에 큰 도움이 되게 된다.상온 초전도체가 상용화되면 더 싸진 가격과 많은 공간을 차지하지 않으면 의원급에서도 MRI사용이 가능하고 파킨슨 병, 뇌 중풍 등의 신경계 질환의 조기 발견이 가능하게 된다.그 밖에 초전도체 의료 기기 응용 분야는 핵 자기 공명 장치인 NMR, 자기 약물 전달 시스템인 MDDS등에도 폭넓게 응용되고 있다.articles 1Phase Diagram of Nickelate Superconductors Caculated by Dynamic Vertex Approximation, Frontiers in Physics, 2022파킨슨병과 파킨슨증후군, 간질 뇌졸중 진단에 필수적인 검사 중 하나가 MRI 영상이다.현재 초전도체 기술 수준은 상온에서 초전도성 구현이 어렵기 때문에 영하 269도 냉각을 위한 고가의 헬륨가스 농축과 온도 유지를 위한 단열 시스템이 필요하다.만약 상온 초전도체 MRI 의료기기가 개발되면 냉각시스템 자체가 불필요해져 가격과 부피를 획기적으로 낮출 수 있고, 작은 중소형 병원급에서도 활용이 가능해져 뇌신경계 질환 조기 진단에 큰 도움이 될 것이다.파킨슨병과 파킨슨증후군, 간질 뇌졸중 진단에 필수적인 검사 중 하나가 MRI 영상이다.현재 초전도체 기술 수준은 상온에서 초전도성 구현이 어렵기 때문에 영하 269도 냉각을 위한 고가의 헬륨가스 농축과 온도 유지를 위한 단열 시스템이 필요하다.만약 상온 초전도체 MRI 의료기기가 개발되면 냉각시스템 자체가 불필요해져 가격과 부피를 획기적으로 낮출 수 있고, 작은 중소형 병원급에서도 활용이 가능해져 뇌신경계 질환 조기 진단에 큰 도움이 될 것이다.파킨슨병과 파킨슨증후군, 간질 뇌졸중 진단에 필수적인 검사 중 하나가 MRI 영상이다.현재 초전도체 기술 수준은 상온에서 초전도성 구현이 어렵기 때문에 영하 269도 냉각을 위한 고가의 헬륨가스 농축과 온도 유지를 위한 단열 시스템이 필요하다.만약 상온 초전도체 MRI 의료기기가 개발되면 냉각시스템 자체가 불필요해져 가격과 부피를 획기적으로 낮출 수 있고, 작은 중소형 병원급에서도 활용이 가능해져 뇌신경계 질환 조기 진단에 큰 도움이 될 것이다.