초전도체

1911년 최초로 초전도현상이 발견된 이후 100여 년 만에 과학자들이 상온(15°C)에서 초전도가 되는 상온 초전도체를 발견하는데 성공했다. 사진은 초전도현상에 의해 물체가 허공에 떠 있는 장면.

초전도체(superconductor)는 초전도 전이 온도(superconducting transition temperature, Tc)라고 하는 특정 온도 이하에서 모든 전기 저항을 상실하는 물질을 말한다.

초전도체는 자기장의 특성에 따라 자기장이 들어가지 못하는 제1종 초전도체와 자기장이 침투하지만 초전도성을 유지하는 제2종 초전도체로 구분된다. 제1종 초전도체는 나이오븀(Nb), 바나듐(V) 등 금속 원소이며, 제2종 초전도체는 합금, 화합물 등이 해당된다.

특히 제2종 초전도체는 내부에 자기장이 들어가면서도 무저항을 유지하는 성질을 가지고 있다. 초기에 발견된 제2종 초전도체는 NbTi, Nb₃Sn 등 합금이 있다. 이는 액체 헬륨으로 냉각해야 할 정도의 낮은 온도(영하 260도 이하)에서 초전도성을 나타내므로 '저온 초전도체'라고 부른다. 1987년부터 발견되기 시작한 세라믹 계열 초전도체 역시 제2종 초전도체인데, 합금계보다는 수십도 높은 온도에서 초전도성을 나타내므로 '고온 초전도체'라고 부른다.

내용

초전도체는 임계온도보다 낮은 온도에서만 초전도상태가 된다. 임계온도가 너무 낮으면 초전도체를 실용화하기 어려우므로 임계온도를 높이는 것이 중요한 문제로 다루어졌다. 임계온도는 고정된 값이 아니고 자기장과 전류와도 관계가 있다. 예를 들어 초전도체가 자기장 속에 있거나 전류가 흐르고 있으면 임계온도가 더 낮아진다.따라서 임계온도가 높다고 해서 무조건 좋은 초전도체라고 할 수는 없다. 자기장 내에서의 임계온도가 자기장이 없을 때에 비해 현저히 낮다면 사용하기 어렵다. 그 외에도 초전도체는 기계적, 열적으로 다루기 어려운 여러 가지 특성이 있기 때문에 실용화를 위해서는 여러 분야가 복합된 기술이 필요하다.

역사

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 6,000종 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.

1986년까지는 Nb₃Ge 화합물의 Tc가 23.2K로 최고였으나, 그해 취리히 IBM 연구소의 뮐러(K. A. Müller)와 베드노르츠(J. G. Bednorz)가 합성한 비화학량론적(non-stoichiometric) 바륨 란타넘 구리 산화물(BaxLa₂-xCuO₄, 여기에서 x는 대략 0.1) 경우에 35K의 Tc가 확인됨으로써 그 기록은 깨어졌다. 이후 과학자들은 더 높은 Tc 값을 갖는 구리를 포함한 산화물을 계속 발견하였다. 예를 들어, 90K의 YBa₂Cu₃O₇, 125K의 Tl2Ba₂Ca₂Cu₃O₁₀, 133K의 HgBa₂Ca₂Cu₃O₈₊ₓ, 그리고 지금까지 가장 높은 138K의 Hg₀.₈Tl₀.₂Ba₂Ca₂Cu₃O₈.₃₃이 있다. 세라믹이라고도 하는 이 금속 산화물은 대부분 부도체이기 때문에, 높은 Tc 값을 나타내리라고는 전혀 예상하지 못했다.

고온 초전도체의 결정 구조

고온 구리 산화물 초전도체는 뒤틀려 있거나 산소가 결핍된 여러 층의 페로브스카이트 구조로 설명할 수 있다. 고온 세라믹 초전도체의 결정 구조의 특징 중 하나는 교대로 반복되는 [CuO₂] 평면을 가지고 있다는 점이며, 이때 [CuO₂] 층의 수가 많아질수록 일정 정도까지는 초전도체의 Tc가 높아진다. 액체 질소의 끓는점(77K)보다 높은 온도에서 Tc를 갖는 첫 번째 구리 산화물 YBa₂Cu₃O₇에 있어서 세 가지 다른 금속인 이트륨, 바륨, 구리의 몰 비가 1: 2:3이므로 1-2-3 초전도체라고도 불린다.

다양한 고온 초전도체 물질의 특성

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.

마이스너 효과

마이스너 효과의 모식도. 온도가 Tc보다 낮으면 초전도체가 화살표로 표시된 자기력선을 배척한다.

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.

상온 초전도체 개발

2020년 10월 15일, '사이언스 뉴스'는 과학자들이 마침내 상온에서 초전도현상이 가능한 최초의 상온 초전도체(room-temperature superconductor)를 찾아냈다고 보도했다. 지난 1911년 네덜란드 라이덴 대학의 카멜린 온네스(Heike Kamerlingh-Onnes) 교수가 초전도현상을 발견한 후 109년 만의 일이다. 상온 초전도체를 발견한 곳은 미국 뉴욕에 소재한 로체스터 대학이다. 연구를 이끈 물리학자인 랭거 디아스(Ranga Dias) 교수는 새로 발견한 초전도체가 15°C 이하에서 초전도현상이 가능하다고 말했다. 디아스 교수는 두 개의 다이아몬드 사이에 탄소와 수소, 유황을 삽입한 후 레이저로 지구 기압보다 약 260만 배 강한 압력을 가해 15°C에서 초전도현상을 유도하는데 성공할 수 있었다고 설명했다.

상온 초전도체 개발은 산업적으로도 큰 의미를 지니고 있다. 향후 전기저항이 없는 전선을 개발할 경우 그동안 전기저항으로 소실됐던 막대한 양의 전기에너지를 보존할 수 있다. 그런 만큼 세계적으로 전기에너지 생산량을 대폭 줄여나갈 수 있다. MRI(자기공명영상장치)서부터 입자가속기, 양자컴퓨터 등에 이르기까지 다른 첨단 기술 발전에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다.

초전도체의 응용

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 휴대 전화 기지국의 마이크로파 필터로 이용되고 있고, 또한 현재 길이 1km 정도의 초전도성 도선은 상업적으로 이용할 수 있다.

참고자료

• 〈초전도체〉, 《화학백과》
• 〈초전도체〉, 《한국민족문화대백과사전》
• 〈초전도체〉, 《나무위키》
• 이강봉 기자, 〈세계 최초로 ‘상온 초전도체’ 개발〉, 《사이언스타임즈》, 2020-10-15

같이 보기

• 초전도
• 저항

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