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[물리학이 알고 싶다] 초전도(Superconductivity)란 무엇인가?
구제환 전자바이오물리학과 교수  |  .
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승인 2020.03.16  14:47:05
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기존 “나의 책방” 코너에 이어 2020학년도 1학기부터는 “000(전공)이 알고 싶다” 코너가 실릴 예정입니다. “000(전공)이 알고 싶다”는 교수가 학생들에게 자신의 전공과 수업에 관해 설명해주는 코너입니다. 학생들이 보다 전문적인 지식을 얻어가고, 교수와 학생이 서로 소통할 수 있는 공간을 마련하고자 기획됐습니다.

 

초전도 대표적 특성은 특정 온도 이하에서 저항이 영이고 내부에 자기장이 존재하지 않고 외부자기장에 대해 반발하는 반응을 보이고 과도한 자기장이나 전압에 대해서는 초전도상태가 파괴된다는 것이다. 과도한 자기장에 대해서 반응하는 유형이 두 가지인데 하나는 하나의 한계치에 대해서 그 이상이면 모두 초전도가 파괴되는 형태이고, 다른 하나는 한계치가 두 개이고 작은 한계치 이상일 때 대부분은 초전도가 유지되고 일부에서 소용돌이가 생겨서 이 부분은 보통 금속상태인 유형이다.

대표적 초전도 현상으로 자석에 초전도물질이 밀려서 뜨는 모습이 있는데 이것은 인상적이다. 이는 초전도물질이 자기장에 반대해서 그렇다고 알려져 있다. 이를 반자기 현상이라 한다. 초전도 현상은 1911년 네덜란드의 오네스(Onnes)와 그의 조수가 수은에서 거의 섭씨 영하 270도 근처에서 저항이 영으로 변하는 것을 발견하며 알려졌다. 오네스는 이를 통해 노벨상을 수상하기도 했다. 온도를 내리는 방법은 액체 헬륨을 기화시키면서 실험샘플에서 열을 뺏어 내리는 것이다. 공교롭게도 그 당시의 최대 난제는 기체 헬륨을 액화시키는 것이었는데 오네스가 그것을 최초로 달성했다. 오네스는 이를 이용해 극저온에서 저항측정 실험을 조수에게 해보라고 했는데 뜻밖의 결과를 얻었다 전해진다. 나중에 인터넷 등으로 확인해보면 알겠지만 헬륨 액화 장비가 요즈음의 웬만한 건물만 해서 놀라울 정도이다.

그 뒤에 많은 저항(Resistance)이 큰 나쁜 금속들(예로 납)에서만 초전도 현상이 발견됐고 저항이 작은 좋은 금속들인 구리, 금, 은, 백금에서는 관측되지 않고 현재까지 그 이유를 모르고 있다. 한 가지 팁으로 저항은 물체의 크기에 관련되고 순수 물질 자체의 저항은 비저항(Resistivity)이라 부른다. 이 이론은 1957년 바딘(Bardeen), 쿠퍼(Cooper), 슈리퍼(Schrieffer) (BCS)에 의한 전자쌍(쿠퍼쌍)으로 설명됐고, 성공적이어서 1972년에 노벨상을 받았다. 격자진동이 중개해서 전자쌍이 에너지손실이 없게 돼 초전도가 나온다고 밝혀졌다. 즉 격자진동이 하나의 전자로부터 에너지를 뺏고 쌍 중 다른 전자엔 그 에너지를 줘서 초전도가 나온다.

고체는 대부분이 원자핵(양이온)들이 규칙적인 격자구조를 갖고 그것을 결정구조(Crystalline)라 한다. 예외적으로 규칙적이지 않고 멋대로 구조를 갖는 비정질 구조(Amorphous)도 있는데, 비정질 실리콘이 대표적이다. 1986년에 베드노즈(Bednorz)와 뮬러(Mueller)(노벨상 수상자)에 의해 구리산화물 초전도물질이 발견되었고, 2008년에 일본그룹에 의해 철 화합물 초전도체가 발견되었다. 이 초전도 물질들을 고온초전도체라 한다.

왜 고온초전도라 하는가는 두 가지 이유가 있다. 일 세대 초전도 물질은 액체헬륨을 사용하여 섭씨 영하 270도 근처까지 온도를 내려야 하고 이론적으로도 섭씨 영하 240도 이상은 초전도가 불가능하다고 알려졌으며 이를 저온초전도라 한다. 그와 대조적으로 고온초전도는 액체질소를 써서 온도를 내리고, 초전도가 섭씨 영하 240도 이상에서 생기고, 최고온도는 섭씨 영하 150도 정도가 현재 최고 관측치이다. 참고로 액체질소는 같은 양의 생맥주 가격보다 싸고 액체헬륨은 소량도 수십만 원을 호가한다. 그렇지만 고온초전도는 40년 가까이 흘러도 아직 공인받는 이론은 없는 실정이다.

그동안 여러 가지 유형의 초전도 물질들이 관측돼 왔다. 유기물 초전도, 중전자 초전도(무거운 전자) 등 10여 가지 다른 유형들의 초전도체가 발견돼 기존 초전도 현상과 동일 여부에 대해 논란이 이어져 오고 있다. 최근에는 고압을 가한 초전도 실험들이 주목받고 있다. 초전도응용으론 MRI와 조셉슨 접합을 들 수 있다. MRI는 핵자기공명 의료장치로 초전도 상태가 필요하다. 조셉슨 접합은 두 초전도체 사이에 얇은 부도체를 끼워 넣은 형태의 접합을 일컫는다. 최근에 구글의 양자컴퓨터에서 이 조셉슨 접합을 이용하여 큐빗(양자정보단위)을 생성한다고 알려져 있다. 그렇지만 아쉽게도 저온초전도체는 안정적이지만 고온초전도체들은 대부분이 불안정해서 내구성에 문제가 있기 때문에 정밀기구로 사용하는 것에선 난관에 봉착해 있다.

결론적으로 고온초전도체에서는 이를 설명하는 이론을 찾는 것이 급선무이고 내구성이 있는 또 다른 고온초전도체의 발굴이 필요하다. 보통 고온초전도체는 압력을 가하지 않는 대기압에서 초전도는 보통 섭씨 영하 100도 이하에서 일어난다. 물론 극도의 고압에서는 상온초전도 현상도 관측되곤 한다. 따라서 상온초전도체 발견이 요구되고 있는 상황이다, 즉 시대적 요구이다. 최근에 인도그룹에서 나노입자 초전도체에서 상온초전도가 발견되었다고 하나 아직 공인받지 못하고 있다. 상온초전도체가 발견된다면 인류는 진정한 제2의 산업혁명에 들어서리라 믿는다.

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