오늘은 최근에 핫이슈로 회자되고 있는 초전도체의 정의와 역사, 결정구조, 마이너스 효과, 초전도체의 응용분야에 대해 알아보고자 한다.
정의와 역사
초전도 전이 온도(superconducting transition temperature, Tc)라고 하는 특정 온도 이하에서 모든 전기 저항을 상실하는 물질을 초전도체(superconductor)라고 하며, 이 현상은 1911년에 네덜란드의 물리학자 오너스(H. K. Onnes)에 의해서 처음으로 발견되었다. 일반적으로 구리나 은과 같은 금속성 도체(metallic conductor)의 전기 저항은 온도가 낮아짐에 따라 점차 감소한다. 그러나 초전도체의 경우에는 Tc 이하로 냉각되면 갑자기 저항이 0인 완전 도체(perfect conductor)가 되고, 한 번 발생한 전류는 에너지 손실 없이 무한히 흐르며, 특징적으로 외부의 자기장(magnetic field)을 배척하는 마이스너 효과(Meissner effect)가 나타난다. 1986년에 페로브스카이트(perovskite) 구조를 갖는 몇 가지 구리 산화물 세라믹(ceramic) 물질의 Tc가 90K(-183℃) 이상임이 밝혀졌는데, 이러한 물질을 고온 초전도체(high-temperature superconductor)라고 부른다. 이 물질의 발견은 지난 30년 동안 가장 중요한 과학 발전 중의 하나로서, 초전도체는 화학, 물리, 재료 과학 분야에서 수많은 연구를 촉진해 왔으며, 향후 초고속 컴퓨터, 자기 부상 열차, 에너지 손실 없이 송전하는 전력선 개발을 이끌어 갈 것으로 기대되고 있다. 1911년 4월 네덜란드의 물리학자 오너스는 수은을 액체 헬륨으로 4.2K까지 냉각할 때 갑자기 전기 저항이 소멸하는 현상을 발견하였다. 이후 과학자들은 점점 더 높은 온도에서 초전도 현상을 보이는 물질을 발견하기 위해 노력했으며, 현재 6000종 이상의 초전도체가 알려져 있다. 1957년 바딘(Bardeen), 쿠퍼(Cooper), 슈리퍼(Schrieffer)는 BCS 이론(BCS theory)으로 알려진 초전도 이론을 발표하였다. 이 이론에 따르면, 특정 조건에서 연속적인 포논(phonon, 격자 진동의 양자 물리량) 상호 작용에 의해 매개된 두 전자 간 인력이, 같은 전하를 띠는 전자들 사이에서 직접적으로 작용하는 반발력을 상쇄시키고도 남아 약한 인력이 작용할 수 있는 정도로 유도할 수 있다. 두 전자는 서로 약하게 묶여 소위 쿠퍼 쌍(Cooper pair)을 형성하는데, 이 쿠퍼 쌍이 바로 초전도의 근원이 된다. 그리고 국내 연구진이 ‘상온 상압 초전도체’를 개발했다는 논문을 사전논문 사이트 아카이브에 올려 세계 과학계가 발칵 뒤집혔다. 대다수의 국내외 전문가들은 해당 논문의 진위 여부에 회의감을 드러내고 있지만, 초전도체를 연구하던 과학자들은 이 논문이 제시한 ‘레시피’대로 초전도체를 만드는 실험에 나섰다고 한다. 초전도체는 특정한 온도 아래에서 물질의 저항이 0이 된다. 전기를 쓸 때 저항을 0으로 줄여 손실을 최소화할 수 있어 에너지 사용에 있어 혁명이 일어날 수 있다. 이 밖에 자석의 자기장이 내부로 침투하지 못해 공중에 붕 뜨는 현상이 일어나 자기 부상열차 둥에 이용할 수 있다고 한다.
결정구조
1-2-3 초전도체의 결정 구조를 보면 구리 원자의 2/3는 5개의 산소 원자로 구성된 사각뿔로 둘러싸이고, 산소 원자들의 일부는 이웃한 [CuO5] 원자단에 공유되어 2차원적인 사각뿔 층을 이룬다. 나머지 구리 원자는 4개의 산소 원자로 구성된 사각 평면에 의해 둘러싸이고, 4개의 산소 원자 중에서 2개는 이웃한 [CuO4] 사각 평면에 공유되어 [CuO4] 그룹 사슬이 된다. 이트륨(Y)의 경우 +3, 바륨은 +2, 산소는 -2인 일반적인 산화수를 기초로 할 때, 구리 원자가 정수가 아닌 +2.33의 산화수를 갖는다는 점이 흥미롭다. 무한히 확장된 구리와 산소 원자층 및 정수가 아닌 산화수를 가진 구리가 전류 흐름에 중요한 역할을 하는 것으로 보인다. 그러나 고온 세라믹 초전도체에서 일반적으로 인정되는 초전도 이론은 아직 없다. 이 분야는 실험이 이론보다 훨씬 앞서 있는 분야 중 하나이다.
마이너스 효과
초전도체의 성질 중 가장 흥미로운 성질은 자석을 부상시키는 능력이다. 초전도체를 Tc 이하로 냉각하여 자석을 그 초전도체 위에 놓으면 초전도체와 자석이 서로 반발하여 자석이 공기 중에 떠 있는 것처럼 초전도체 위에 뜬다. 자석과 초전도체 사이의 반발력은 다음과 같은 이유로 발생한다. 자석을 초전도체 쪽으로 움직이면 초전도체 표면에 초전류(supercurrent)가 유발되는데, 자석 이동을 중지한 다음에도 전류는 계속해서 흐른다. 곧이어 초전류로 인해 초전도체에 자기장이 발생하고 이것은 자석으로부터 생기는 자기장을 정확하게 상쇄하게 된다. 그리하여 초전도체 벌크 내부에서 알짜 자기장은 0이 되는데, 이 현상을 마이스너 효과라고 한다. 반면 초전도체 외부에서는 자석과 초전류 때문에 생기는 자기장들은 동일한 두 막대자석의 극이 마주치는 것처럼 서로 반발한다. 따라서 초전도체 위의 자석은 아래 방향의 중력과 함께 위 방향의 자력을 받아 두 힘이 동일한 점에서 떠 있게 된다.
초전도체의 응용분야
초전도체는 여러 분야에 응용될 수 있는데, 예를 들어 강력한 초전도 자석은 의료 진단에 널리 이용하고 있는 자기 공명 영상(MRI) 장치나 초전도 양자 간섭 장비(SQUID)의 필수 부품이다. 또한 현재 운행 중인 고속 자기 부상 열차를 만드는 데에도 이용된다. 초전도체는 고속 입자 가속기에서 전하 입자의 경로를 휘게 만드는 자석 제조에도 이용된다. 그러나 이러한 응용은 액체 헬륨으로 4.2K까지 냉각된 통상적 초전도체(Tc ≤ 20K)를 이용하는데, 액체 헬륨은 정교한 극저온 장치가 필요한 값비싼 물질이다. 그런데 새로운 고온 초전도체의 Tc 값이 우유보다 싸고 풍부한 액체 질소 냉매의 끓는점 이상에 있기 때문에 고무적이고, 훨씬 더 높은 Tc 값을 갖는 물질에 대한 연구도 계속되고 있다. 장거리 전력 수송과 같은 것에 이용하려면 실온에서 초전도성을 보이는 물질이 필요한데, 현재 알려진 고온 초전도체들은 녹는점이 높고 부서지기 쉬운 분말이므로, 전기 장치에 필요한 도선과 코일로 제조하기가 쉽지 않다. 그런데도 고온 초전도체의 공업적 응용이 시도되고 있다. 초전도성 박막은 휴대전화 기지국의 마이크로파 필터로 이용되고 있고, 또한 현재 길이 1km 정도의 초전도성 도선은 상업적으로 이용할 수 있다.
참고자료 : 네이버 지식백과