초전도체와 자기부상열차 (원리 및 현존하는 자기부상열차까지)

초전도체 기반 자기부상열차는 마찰 없이 고속 이동이 가능한 미래 교통수단입니다. 마이스너 효과, LSM 추진 원리부터 상하이·일본 자기부상열차 사례까지 자세히 알아봅니다.

초전도체는 특정 온도 이하에서 전기 저항이 사라지고, 자기장을 밀어내는 마이스너 효과를 나타내는 물질이다. 이와 같은 특성을 활용하여 개발된 자기부상열차(Maglev, Magnetic Levitation)는 기존의 철도 시스템과 달리 궤도와의 물리적 접촉 없이 부상하여 이동하는 혁신적인 교통수단이다. 본 글에서는 초전도체 기반 자기부상열차의 원리부터 미래 전망에 대해 다룬다.

 

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1. 자기부상열차는 어떤 원리로 떠서 달릴까?

1.1 초전도체가 자기장을 밀어내면 왜 떠오를까?

초전도체는 임계 온도 이하에서 외부 자기장을 밀어내는 마이스너 효과(Meissner Effect)를 나타낸다. 이로 인해 초전도체는 외부 자기장을 완전히 차단하는 완전 반자성(diamagnetism) 성질을 가진다. 자기부상열차는 이러한 특성을 활용하여 궤도에서 떠오른 상태로 움직이게 된다.

 

이때 발생하는 부상력은 렌츠의 법칙(Lenz’s Law)에 기반한다. 외부 자기장이 초전도체에 침투하려 할 때, 이를 방해하는 방향으로 유도 전류가 생기고, 이 전류가 반대 방향 자기장을 생성하여 초전도체와 자석 사이에 강한 반발력이 발생한다. 이 반발력이 초전도체를 공중에 띄우는 실제적인 힘이 된다.

 

초전도체가 공중 부양을 가능하게 하는 이유 – 마이스너 효과 완벽 해설

 

2.2 초전도체 내부에서 자기장은 어떻게 사라질까?

초전도체 내에서 자기장의 거동을 설명하는 수식으로 런던 방정식(London Equation)이 있다. 런던 방정식은 초전도 상태에서 초전류(supercurrent)가 어떻게 형성되며, 자기장이 초전도체 내부에서 어떻게 변하는지를 설명하는 수학적 모델이다. 일반적으로 금속 내부에서 전류가 흐르면 자기장이 내부로 침투할 수 있지만, 초전도체에서는 일정 깊이 이상 자기장이 내부로 침투하지 못하고 급격히 감소한다.

 

이 과정은 런던 방정식에 의해 설명되며, 자기장은 초전도체 표면에서 지수적으로 감쇠하여 침투 깊이 내에서 거의 0에 수렴한다. 이 침투 깊이는 초전도체의 재료 특성에 따라 수십~수백 나노미터 수준이다.

 

 

 

즉, 초전도체 내부에서는 자기장이 0으로 수렴하며, 외부 자기장을 배척하는 성질을 갖게되고 이것으로 인하여 초전도체 표면에서는 강한 반발력이 발생하여 자기부상이 가능해진다.

 

2.3 자기부상열차는 어떻게 안정적으로 떠 있을까?

자기부상열차는 단순히 부상하는 것만으로는 안정적인 주행이 어렵다. 이를 위해 자기장에 의해 추가적인 안정화 메커니즘이 필요하다. 대표적인 방식으로는 전자기적 안정화(Electromagnetic Suspension, EMS)와 전자역학적 안정화(Electrodynamic Suspension, EDS) 방식이 있다.

 

• EMS 방식: 궤도에 설치된 전자석이 차량에 장착된 초전도체를 끌어당기는 방식으로, 정밀한 전자기 제어가 필요하다.
• EDS 방식: 차량의 초전도체와 궤도의 영구자석 사이에 자기 유도가 발생하여 자연스럽게 부상하고 안정화되는 방식이다.

 

2.4 LSM 추진 기술이란? 초전도체와 만나면 어떻게 달라질까?

초전도 LSM(Linear Synchronous Motor, 선형 동기 모터) 추진 기술은 자기부상열차에서 사용되는 핵심적인 추진 방식 중 하나로, 고속 운행과 높은 에너지 효율을 가능하게 한다. 이 기술은 기존의 회전형 동기 모터와 달리, 회전 운동 없이 직선 운동을 직접 생성하는 방식을 채택하여, 보다 부드럽고 안정적인 속도 제어가 가능하다. 자기부상열차에서 LSM을 활용하면 마찰 없이 강력한 추진력을 제공하며, 초전도체 기술을 적용하면 에너지 손실을 최소화할 수 있다.

 

선형 동기 모터(LSM)의 기본 개념

LSM은 기존의 회전형 동기 모터(Rotary Synchronous Motor)와 비교하여 전자의 흐름을 통해 생성된 자기장을 직선 운동으로 변환하는 방식으로 작동한다. 기본적인 원리는 다음과 같다.

 

1. 선로(궤도)에 설치된 1차 코일(Primary Coil)은 전류가 흐르면 자기장을 생성하며, 일정한 주파수로 전자기장을 변화시킨다.
2. 차량에 장착된 2차 코일(Secondary Coil)은 이 자기장과 상호작용하여 차량이 전자기장의 변화를 따라 이동하게 된다.
3. 1차 코일과 2차 코일 간의 전자기적 상호작용을 최적화하여, 높은 추진력과 속도를 제공할 수 있다.

 

일반적인 전자기 추진 방식과 차별화되는 점은, LSM이 기계적인 접촉 없이도 선형 방향으로 강한 힘을 생성할 수 있다는 점이다. 기존의 회전형 모터는 회전축을 중심으로 힘을 전달해야 하므로 기계적 마찰과 에너지 손실이 발생하지만, LSM은 이러한 물리적 마찰 없이 직접 추진력을 발생시킨다.

 

초전도체 적용 – 저항 없는 강력한 추진력

LSM의 2차 코일에 초전도체(Superconducting Material)를 적용하면 전기 저항이 0이 되므로 에너지 손실이 거의 없어진다. 초전도체를 사용한 LSM 추진 기술의 주요 장점은 다음과 같다.

 

• 전류 손실 최소화: 초전도체는 전류가 흐를 때 에너지를 열로 변환하지 않기 때문에, 기존 전자석 기반 추진 방식보다 훨씬 높은 효율을 제공한다.
• 강력한 자기장 생성: 초전도체는 일반적인 전자석보다 훨씬 강한 자기장을 생성할 수 있어, 더 높은 추진력과 빠른 가속이 가능하다.
• 지속적인 안정성: 초전도체를 사용하면 자기장이 일정하게 유지되므로, 장시간 운행 시에도 성능 저하가 거의 발생하지 않는다.

 

특히, 초전도체를 적용한 LSM 시스템은 기존의 전자석 기반 추진 시스템보다 더 적은 전력을 사용하면서도 강한 자기 반발력을 생성할 수 있다. 이는 자기부상열차가 높은 속도를 유지하면서도 안정적인 운행을 할 수 있도록 만드는 핵심 기술 중 하나이다.

 

동기식 추진 방식 – 일정한 속도와 효율적인 제어

LSM의 동기식(Synchronous) 특성은 자기부상열차가 일정한 속도를 유지하면서도 정밀한 제어가 가능하도록 해준다. 이는 다음과 같은 원리로 작동한다.

1. 전력 공급: 선로(궤도)에 장착된 1차 코일이 교류 전력을 공급받아 일정한 주파수의 자기장을 생성한다.
2. 자기장 동기화: 차량의 2차 코일(초전도체 포함)은 1차 코일에서 발생한 자기장과 동기화되어 일정한 간격을 유지하면서 추진력을 얻는다.
3. 정확한 속도 제어: 자기장이 일정한 속도로 변화하면서, 차량은 부드러운 가속과 감속을 수행할 수 있다.

이러한 동기식 추진 방식은 기존의 전자기 유도 방식보다 훨씬 높은 정밀도로 속도를 제어할 수 있으며, 속도의 변동이 적어 승차감이 향상된다. 또한, 마찰이 거의 없는 초전도체 기반 LSM 시스템을 적용하면 에너지를 보다 효율적으로 활용할 수 있어 장거리 운행 시에도 지속적인 성능 유지가 가능하다.

 

초전도체만으로는 부상은 가능하지만, 자체적인 추진력을 생성하지 못하므로 LSM 같은 추진 기술과의 결합이 필수적이다. 이는 부상과 추진을 분리하여 최적화할 수 있다는 점에서 시스템 설계의 유연성을 확보하게 해준다.

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3. 자기부상열차는 왜 빠르고 조용할까?

자기부상열차의 가장 큰 장점 중 하나는 마찰이 거의 없는 고속 이동이 가능하다는 점이다. 기존 철도는 바퀴와 선로 사이의 접촉으로 인해 마찰력이 발생하며, 이로 인해 에너지가 손실되고 속도가 제한된다. 그러나 자기부상열차는 자기장을 이용하여 열차를 공중에 띄우고 추진하는 방식이므로, 마찰로 인한 속도 제한이 존재하지 않는다. 이러한 특성 덕분에 현재 개발된 자기부상열차는 시속 600km 이상을 달성할 수 있으며, 이는 기존 고속철도(시속 300~350km)보다 훨씬 빠른 수준이다. 또한, 이론적으로는 시속 1,000km 이상의 초고속 이동도 가능하다는 연구가 진행되고 있어, 향후 기술 발전에 따라 더 빠른 열차 운행이 가능해질 전망이다.

 

자기부상열차는 또한 에너지 효율성이 매우 높다. 초전도체는 전기 저항이 0이기 때문에 전력이 열로 변환되어 손실되는 비율이 극히 낮으며, 이는 장거리 운행 시 기존 철도 시스템보다 훨씬 적은 에너지를 소비할 수 있음을 의미한다. 일반적인 전기철도나 디젤 기관차는 전력을 공급받아 모터를 작동시키는 방식이지만, 자기부상열차는 초전도체의 자기 반발력을 이용해 부상한 상태에서 추진력을 얻기 때문에 더 적은 에너지를 사용하고도 동일한 속도를 유지할 수 있다. 또한, 초전도체를 활용한 자기부상열차 시스템은 신재생 에너지와의 연계 가능성이 높아, 장기적으로 탄소 배출량을 줄이고 지속 가능한 교통 시스템으로 발전할 가능성을 더욱 높이고 있다.

 

또한, 소음과 진동이 거의 없는 쾌적한 승차감을 제공한다. 기존 철도는 선로와 바퀴 간의 물리적 접촉으로 인해 소음과 진동이 필연적으로 발생하며, 특히 고속 운행 시 마찰력으로 인해 승차감이 저하된다. 그러나 자기부상열차는 바퀴 없이 공중에 떠서 이동하므로, 차량과 선로 간의 마찰이 없고 소음이 획기적으로 줄어든다. 이로 인해 열차 내부의 승객은 기존 고속철도보다 훨씬 조용하고 편안한 환경에서 이동할 수 있으며, 소음 공해 문제도 크게 완화될 수 있다.

 

이러한 특성 덕분에 자기부상열차는 대도시 간 초고속 교통망 구축에 적합하며, 미래 도시 교통 시스템에서도 중요한 역할을 할 것으로 기대된다. 또한, 초전도체 기술의 발전과 함께 자기부상열차의 속도, 에너지 효율성, 승차감이 더욱 향상될 것이며, 궁극적으로 기존 철도 시스템을 대체하거나 보완하는 교통수단으로 자리 잡을 가능성이 크다.

 

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4. 현재 세계에서 실제 운행 중인 자기부상열차는 무엇이 있을까?

상하이 자기부상열차 (Shanghai Maglev Train)

중국 상하이에서는 독일의 트란스라피드(Transrapid) 기술을 기반으로 한 상하이 자기부상열차가 2004년부터 상업 운행을 시작했다. 이 열차는 상하이 푸둥 국제공항과 시내를 연결하며, 최고 속도는 약 431km/h에 달한다. 이는 세계에서 상업 운행 중인 가장 빠른 자기부상열차로 알려져 있다.

일본의 자기부상열차 (JR-Maglev)

일본은 초전도 자기부상 기술을 활용한 자기부상열차를 개발 중이며, 2015년 시험 주행에서 603km/h의 세계 최고 속도를 기록했다. 현재 도쿄와 나고야를 연결하는 주오 신칸센(Chuo Shinkansen) 노선을 건설 중이며, 2027년 개통을 목표로 하고 있다.

대한민국의 인천국제공항 자기부상열차

대한민국은 독자적인 기술로 도시형 자기부상열차를 개발하여, 2016년 인천국제공항과 용유도를 연결하는 노선을 개통했다. 이 노선은 약 6.1km 길이로, 최고 속도는 110km/h이며, 세계에서 두 번째로 상용화된 도시형 자기부상열차로 평가받고 있다. 그러나 2023년 11월 1일부터 도시철도 시설로서의 운영이 종료되었으며, 향후 궤도 시설로 전환하여 운영을 재개할 예정이다.

독일의 트란스라피드 (Transrapid)

독일은 트란스라피드라는 자기부상열차 기술을 개발하여, Emsland 시험선에서 여러 차례 시험 운행을 진행했다. 상하이 자기부상열차가 이 기술을 채택하여 상용화되었지만, 현재 독일 내에서는 상업 운행 중인 노선은 없다.

중국의 차세대 자기부상열차 개발

중국은 상하이 자기부상열차 외에도 자체 기술로 고속 자기부상열차를 개발 중이다. 2021년에는 최고 속도 600km/h를 목표로 한 새로운 자기부상열차 프로토타입을 공개하였으며, 향후 상용화를 추진하고 있다.

 

EMS 방식, EDS 방식의 자기부상열차.

참고로 EMS 방식(Electromagnetic Suspension)이 적용된 대표적인 자기부상열차는 다음과 같다.

• 상하이 자기부상열차(Shanghai Maglev Train) – 독일 트란스라피드(Transrapid) 기술을 기반으로 한 EMS 방식의 자기부상열차로, 2004년부터 상업 운행을 시작했다.
• 독일 트란스라피드(Transrapid) – 독일에서 개발한 EMS 방식 자기부상열차로, 여러 번 시험 운행되었으며 상하이 자기부상열차에 적용되었다.

일본은 EDS(Electrodynamic Suspension) 방식을 적용한 초전도 자기부상열차인 JR-Maglev를 개발하고 있으며, 2015년 시험 주행에서 세계 최고 속도인 603km/h를 기록한 바 있다. 현재 도쿄와 나고야를 연결하는 주오 신칸센(Chuo Shinkansen) 노선을 건설 중이며, 2027년 개통을 목표로 하고 있다.

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5. 자기부상열차는 앞으로 어디까지 발전할 수 있을까?

5.1 고온 초전도체가 도입되면 어떤 변화가 생길까?

현재 상용 자기부상열차는 극저온 환경에서 작동하는 저온 초전도체(Low-Temperature Superconductor, LTS)를 사용한다. 그러나 연구가 진행되면서 비교적 높은 온도에서도 작동 가능한 고온 초전도체(High-Temperature Superconductor, HTS)가 개발되고 있으며, 이를 적용하면 냉각 비용이 크게 절감될 것으로 기대된다. 

 

고온 초전도체(HTS)는 액체질소(N₂, 약 -196°C)로 냉각이 가능하지만, 저온 초전도체(LTS)는 액체헬륨(He, 약 -269°C)이 필요해 냉각 비용이 높다. HTS는 자기장에 더 강한 임계 전류를 유지할 수 있으며, 자기부상 안정성에서도 보다 유리한 성질을 가진다.

 

예를 들어, 한국철도기술연구원은 고온 초전도 현상을 활용한 추진기술과 자기부상기술을 바탕으로 시속 1000km의 속도를 목표로 하는 초고속 자기부상열차 '하이퍼튜브'를 개발 중이다. 또한, 중국의 서남교통대학교에서는 고온 초전도 기술을 이용한 세계 최초의 1:1 모델 자기부상열차를 개발하여, 동력 공급 없이도 부상 및 주행이 가능한 시스템을 선보였다. 이와 같은 연구 개발은 자기부상열차의 상용화와 성능 향상에 중요한 역할을 하고 있으며, 향후 고온 초전도체의 발전은 자기부상열차 기술의 혁신을 더욱 가속화할 것으로 기대된다.

5.2 자기부상열차는 전 세계로 확산될 수 있을까?

일본, 중국, 독일을 비롯한 여러 나라에서 자기부상열차 프로젝트를 진행 중이며, 기존 고속철도를 대체할 가능성이 높아지고 있다. 미래에는 대륙 간 초고속 교통망 구축도 가능할 것으로 예상된다.

 

예를 들어 일본은 도쿄와 오사카를 연결하는 '추오 신칸센(Chuo Shinkansen)' 프로젝트를 추진 중이며, 2027년 도쿄-나고야 구간 개통을 목표로 하고 있다. 이는 시속 505km로 운행되며, 환경 문제로 인해 일부 공사가 지연되고 있다. 중국은 시속 600km급 고속 자기부상열차 개발을 진행 중이며, 창사-류양 노선 등 다양한 프로젝트를 추진하고 있다. 또한, 세계 최초의 1:1 모델 자기부상열차를 개발하여 시험 주행을 진행 중이다. 독일은 Max Bögl 등의 기업이 자기부상열차 기술을 개발 중이며, 중국과 협력하여 시범 선로를 운영하고 있다. 이를 통해 자기부상 기술의 지속 가능성을 입증하고자 한다.

5.3 자기부상열차는 지속가능발전(SDGs)에 어떻게 기여할까?

SDGs(Sustainable Development Goals, 지속가능발전목표)는 2015년 유엔(UN)에서 채택한 국제적인 개발 목표로, 2030년까지 인류와 지구가 지속 가능하게 발전할 수 있도록 설정된 17가지 목표를 의미하며 탄소 배출량이 낮은 자기부상열차는 기후 변화 대응과 SDGs 달성에 다음과 같이 기여할 수 있다. 

1. SDG 7: 지속 가능한 에너지 - 자기부상열차는 에너지 효율성이 높아 지속 가능한 에너지 사용을 촉진한다.
2. SDG 9: 산업, 혁신 및 인프라 구축 - 고속 교통 인프라 발전을 통해 도시 간 연결성과 경제 발전을 촉진한다.
3. SDG 11: 지속 가능한 도시 개발 - 대기 오염을 줄이고 지속 가능한 교통수단을 제공하여 친환경적인 도시 환경을 조성한다.
4. SDG 13: 기후 변화 대응 - 탄소 배출이 적은 교통수단으로, 기후 변화 대응에 중요한 역할을 한다.

 

다만, 초전도체 냉각 인프라 구축, 궤도 정렬 정밀도, 고속 이동 시의 안정성 확보 등은 여전히 해결해야 할 기술 과제로 남아 있다. 이러한 한계점은 향후 연구 개발을 통해 개선될 것으로 기대된다.

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초전도체 기반 자기부상열차는 기존 교통 시스템을 혁신적으로 변화시킬 수 있는 기술이다. 초전도체의 물리적 특성을 활용하여 마찰 없이 이동하며, 에너지 효율성이 높고 환경 친화적인 교통수단으로 발전할 가능성이 크다. 향후 고온 초전도체 기술이 더욱 발전하고 인프라가 구축되면, 자기부상열차는 글로벌 차원의 주요 교통수단으로 자리 잡을 것이다.