초전도체, Superconductor 란? 아는 척 하기

 초전도체가 무엇인지 궁금하지죠? 이  글에서는 초전도체에 대한 기본 정보를 정리하여  특성, 응용 분야 및 더 많은 내용을 정리하여 봅니다.  쉽지는 않은 주제이니 "아는 척"하기 정도로 가볍게 읽어 주시길 바라며  향후 최근 이슈에 대해서도 다뤄 보고자 합니다.

 

서론

 초전도체는 과학과 기술의 세계를 혁신시켰습니다. 이 놀라운 물질들은 전기 저항이 없으며 자기장을 배출하여 자기 부상열차에서 정밀한 의료 기기까지 다양한 응용  분야에 걸쳐 사용됩니다.

 기존의 초전도체는 극저온과 높은 압력이 필요해서 실용성이 제한되었습니다. 하지만 최근의 발전으로 상온, 상압 초전도체가 발견되면서 다양한 산업 분야에서 새로운 가능성이 열렸습니다. 

 초전도 현상을 처음 발견한 헤이커 카메를링 오너스는 1913년 노벨 물리학상을, 그리고 BCS 이론을 발견한 3명의 물리학자는 1972년 노벨 물리학상을 공동수상 했습니다. 기존의 초전도 현상을 설명해온 BCS 이론을 대체할 새로운 초전도 이론이 나온다면 또 다시 노벨 물리학상의 주인공이 되지 않을까요?

 

 상온, 상압 초전도체란 무엇인가?

 초전도체에는 치명적 약점이 있습니다. 우리 주변에서 초전도체를 쉽게 볼 수 없는 이유는 이 약점 때문입니다. 슈퍼맨이 크 립토나이트에 맥을 못 추는 것처럼, 초전도체에게 크립토나이트라고 할 수 있는 것은 높은 온도입니다.

 낮은 온도에서 놀라운 특성을 보이던 초전도체는 온도가 올라가면 힘을 발휘하지 못하고 일반적인 전도체로 변합니다. 이렇게 초전도 성 질을 잃는 온도를 전이 온도 라고 합니다.

 문제는 초전도 현상이 사라지는 전이 온도가 사람이 살 수 없는 너무 낮은 온도라는 점입니다. 일반적인 초전도체는 절대 0도보다 고작 몇도 높은 온도에서 초전도성을 잃습니다.(참고로 절대 온도는 섭씨 영하273도를  0으로 시작하며 단위로는 켈빈 (K) 을 사용한다)

  역사상 처음으로 발견된 초전도체인 수은은 4K (섭씨 -269도) 이하에서 초전도 현상을 보이고, MRI에 들어가는 전자석으로 사용되는 나이오븀-티타늄 (Nb-Ti) 합금 도 약 10K의 전이 온도를 갖습니다. 지구상에서 가장 추운 곳의 온도도 섭씨 영하 100도 아래로는 떨어지지 않으니, 우리 주변에서 초전도체를 만나기 어려운 것은 당연합니다.

 상온, 상압 초전도체는 상대적으로 높은 온도와 정상적인 기압에서 초전도성을 나타내는 물질입니다. 기존의 초전도체와 달리 이러한 물질은 일상 환경에서 쉽게 얻을 수 있는 조건에서 작동합니다. 이 혁신적인 발전은 과학자들과 엔지니어들 사이에서 큰 관심을 불러일으키고 다양한 분야에서 혁신적인 기회를 제공합니다.

초전도체의 역사

초전도체의 역사는 1911년 네덜란드의 물리학자 헤이케 카메를링 온네스가 수은에서 초전도성을 발견한 것으로 거슬러 올라갑니다. 수은의 온도를 절대영도에 가까운 극저온으로 내리는 실험을 하던 중 이상한 현상을 발견했습니다. 전기의 저항이 완전히 없어지는 사실을 확인한 것. 이처럼 전기 저항이 0이 되는 것을 초전도 현상이라 합니다.

초전도체 이미지

 전도성은 전기가 물질을 통해 얼마나 쉽게 이동할 수 있는지를 나타내는 척도다. 사실 금처럼 전도성이 좋은 금속에서도 전기는 여전히 어떤 저항과 마주칩니다. 그러나 초전도체는 그러한 모든 장벽을 제거하고 극한 온도에서 무저항을 제공합니다.
 이 놀라운 발견은 그 후 몇십 년간 초전도성 물질에 대한 광범위한 연구를 이끌었습니다.

 

초전도성 연구의 발전

1. 고온 초전도체 (HTS)

1980년대에는 고온 초전도체의 발견으로 중대한 발전이 이루어졌습니다. 이러한 물질들은 이전에 알려진 것보다 훨씬 높은 온도에서 초전도성을 나타냈습니다. 예를 들어 이트륨 바륨 구리 산화물 (YBCO) 및 비스무트 스트론튬 칼슘 구리 산화물 (BSCCO)가 있습니다. 이러한 고온 초전도체는 여전히 낮은 온도에서 운전하지만 액체 질소의 끓는 점보다 높은 온도에서 작동하기 때문에 특정 응용 분야에서 실용적이었습니다.

2. 상온, 상압 초전도체 (NTNS)

 가장 최근이자 혁명적인 초전도성 연구의 발전은 상온, 상압 초전도체의 발견입니다. 이 물질들은 물의 녹는점보다 높은 온도에서 전기를 전도하며 극저온 냉각 또는 압력 처리가 필요하지 않습니다. 이러한 발전은 과학계에서 새로운 기대감을 불러일으키고 다양한 산업 분야에서 혁신적인 기회를 제공합니다.

 

 초전도체의 특성

 초전도체는 말 그대로 전도체를 뛰어넘는 전도성을 갖는 물질을 말합니다. 슈퍼맨을 일반적인 사람보다 힘이 더 센 사람 이라고 할 수 없는 것처럼, 초전도체는 평범한 전도체보다 단순히 전기를 조금 더 잘 흘리는 물질이 아닙니다.   초전도체 는 전도체가 가질 수 없는 놀라운 성질을 보입니다.

1. 전기 저항 = 0

 초전도체는 전기 저항이 0 입니다.  같은 전지를 연결했을 때 저항이 큰 물질은 흐르는 전류의 양이 적습니다. 같은 모양을 가졌다고 했을 때, 부도체는 전도체보다 훨씬 높은 저항을 가지며, 적은 양의 전류가 흐를 수밖에 없습니다.

 전도체 라고 해서 저항이 없는 것은 아닙니다. 저항이 부도체에 비해 작을 뿐, 전류가 흐를 때 이 저항의 값에 비례해서 전류의 손실이 일어납니다. 그런데 초전도체는 이 전기 저항이 0 입니다. 터무니없는 소리 같지만, 초전도체의 저항은 정말 존재하지 않습니다. 즉 전기가 흘러도 전혀 손실이 발생하지 않습니다.

 초전도체의 가장 놀라운 특성은 전기 저항이 없이 전기를 전도할 수 있는 능력입니다. 초전도체가 임계 온도 이하인 경우 전자들이 짝을 지어 물질 내에서 산란 없이 움직여 완벽한 전기 전도성을 나타냅니다.

2. 마이스너-옥센펠트 효과

 초전도체는 물질 내부에 들어오려는 자기장을 모두 밀어내는 마이스너-옥센펠트 효과를 보입니다.

 들어오는 자기장을 밀어내기 위해 초전도체는 표면에 전류가 흘러서 반대 방향의 자기장을 만들어내는 데, 이것은 서로 같은 극의 자석이 서로를 마주 보고 있는 것과 비슷한 형태가 되어  자기부상 효과 를 일으킵니다. 이 효과를 이용해 자기부상 열차는 공중에 떠서 빠른 속도로 이동할 수 있습니다.

마이스너-옥센펠트 효과

                                                                                                   

3. 조셉슨 효과

 마지막으로는 초전도체가 거시적 양자 현상이기 때문에 일어나는 현상이 있습니다. 초전도체는 다른 물질과 접합했을 때 계면의 초전도체의 파동함수가 경계를 넘어가고 섞이며 조셉슨 효과라 불리는 특이한 전기적 성질을 보입니다. 이 성질은 극도로 민감한 자기장 센서를 만들거나, 양자 컴퓨터의 큐빗을 만드는 데에 사용되고 있습니다.

4.  임계 온도 (Tc)

 임계 온도인 Tc는 물질이 일반적인 저항 상태에서 초전도 상태로 전이되는 온도입니다. 상온, 상압 초전도체에서 Tc는 상대적으로 높은 온도에서 발생하며 고가의 냉각 시스템 없이도 다양한 응용 분야에 실용적입니다.

전이 온도는 올라갔지만 여전히 지구의 자연 온도보다 터무니없이 낮은데, 이것이 왜 중요한지 물을 수 있는데 그렇지 않습니다. 저온 과학에서는 온도의 범위에 따라 사용되는 냉매가 다르고, 냉매의 종류에 따라 온도를 얻는 난이도가 다릅니다. 냉각 과정에서 가장 많이 사용되는 냉매는 액체 헬륨과 액체 질소입니다.

초전도 전이온도

위의  그래픽, 초전도 전이온도 에서 회색 점선으로 표시된 끓는점들인데, 액체 헬륨의 경우 4.2K, 액체 질소의 경우 77K입니다. 주전자를 불 위에 올려놓았을 때 아무리 화염 온도가 높아도 끓는점이 100도를 넘지 않는 것처럼, 액체 냉매의 온도는 실온이 300K라도 항상 끓는점에 머물고 있습니다.

 따라서 4.2K 이상의 온도가 필요할 때는 액체 헬륨을 사용하고 액체 질소를 사용하여 77K 이상의 온도를 얻습니다.

 첫 번째 구리 기반 초전도체는 액체 질소의 온도보다 낮고 헬륨을 필요로 하지만, 그 후 발견된 Y-Ba-Cu-O로부터 액체 질소의 온도보다 높은 온도에서 초전도성을 보입니다.

 일부 물질의 전이 온도는 일반적으로 사용되는 액화 천연 가스 온도인 111K보다 훨씬 높습니다. 액체 질소를 사용하는 것이 액체 헬륨을 사용하는 것보다 쉽지만 또한 훨씬 경제적입니다.

 실험 물리학 전공자들은 농담 삼아 액체 질소는 물과 액체 헬륨은 위스키 비용이 든다고 말하지만, 시장 가격에 따라 액체 질소는 100리터당 약 10만 원, 액체 헬륨은 같은 부피에 약 500만 원 정도 듭니다.

 따라서 헬륨을 사용할 때는 만들 수 없었던 응용은 질소로도 가능합니다. 예를 들어 우리나라를 포함한 몇몇 나라에서는 이미 액체 질소를 사용하여 냉각된 초전도 송전선을 매립하여 사용하고 있습니다. 그리고 앞으로 더 많은 기술이 현실에 적용될 것입니다.

 

상온, 상압 초전도체의 응용 분야

1. 전력 전송

전기 에너지의 효율적인 전송은 현대 인프라의 중요한 측면입니다. 상온, 상압 초전도체는 전력 전송 중의 에너지 손실을 크게 감소시켜 지속 가능하고 경제적인 전기 유통을 가능케 합니다.

2. 자기 부상열차 (맥네트릭 레브) 기차

자기 부상열차는 초전도체 자석을 사용하여 레일 위에 띄워서 마찰 없이 놀랍도록 빠르고 에너지 효율적인 운송을 가능케 합니다. 상온, 상압 초전도체의 사용은 맥네트릭 기술을 더욱 접근 가능하고 경제적으로 실행 가능하게 만들 수 있습니다.

3. 의료 영상 장치

초전도체는 자기 공진영상 (MRI) 장치의 중요한 구성 요소입니다. 상온, 상압 초전도체의 도입은 MRI 기기의 발전을 이끌어내어 더욱 더 명확하고 상세한 영상을 제공하여 진단과 치료를 개선합니다.

4. 양자 컴퓨팅

양자 컴퓨팅은 컴퓨팅 성능을 혁신적으로 개선할 수 있는 가능성을 갖고 있습니다. 상온, 상압 초전도체로 만들어진 양자 비트는 더 안정적이고 확장 가능한 양자 컴퓨터 시스템에 기여할 수 있습니다.

5. 에너지 저장

에너지 저장은 재생 에너지 원천에 중요합니다. 상온, 상압 초전도체는 높은 효율과 작은 크기의 에너지 저장 솔루션을 개발하는 데 기여할 수 있으며 재생 에너지를 그리드에 통합하는 데 도움이 됩니다.

미래 전망과 과제

상온, 상압 초전도체의 발견은 흥미로운 가능성을 제공하지만 여전히 몇 가지 도전이 남아 있습니다. 과학자들은 이러한 놀라운 특성의 기반이 되는 메커니즘을 더 잘 이해하기 위해 노력하고 있습니다. 연구가 진행됨에 따라 새로운 물질과 응용 분야가 나타날 것으로 기대되며 과학과 기술의 영역을 더욱 발전시킬 것입니다.

 

FAQs

Q: 상온, 상압 초전도체와 기존의 초전도체는 어떻게 다릅니까?

A: 상온, 상압 초전도체는 더 높은 온도와 대기압에서 작동하므로 기존의 초전도체보다 더 다양한 응용 분야에서 실용적입니다.

Q: 상온, 상압 초전도체의 잠재적인 응용 분야는 무엇인가요?

A: 상온, 상압 초전도체는 전력 전송, 교통(맥네트릭 기차), 의료 영상 장치, 양자 컴퓨팅 및 에너지 저장 등 다양한 분야에서 활용 가능합니다.

Q: 상온, 상압 초전도체는 재생 에너지 저장에 사용될 수 있나요?

A: 네, 상온, 상압 초전도체는 높은 효율과 작은 크기의 에너지 저장 솔루션을 개발하는 데 기여하여 재생 에너지를 그리드에 통합하는 데 도움이 됩니다.

Q: 상온, 상압 초전도체와 관련하여 어떤 도전 과제가 있나요?

A: 상온, 상압 초전도체는 흥미로운 가능성을 제공하지만 과학자들은 이러한 놀라운 특성의 기반이 되는 메커니즘을 완전히 이해하기 위해 계속 연구하고 있습니다. 따라서 그들의 잠재력을 최대한 발휘하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다.

Q: 상온, 상압 초전도체의 미래 전망은 어떻게 될까요?

A: 지속적인 연구와 개발을 통해 새로운 물질과 응용 분야가 등장할 것으로 기대되며, 이를 통해 상온, 상압 초전도체가 다양한 산업 분야에서 더욱 활용될 것입니다.

 

결  론

 상온, 상압 초전도체의 등장으로 초전도성 분야에 새로운 시대가 열릴 가능성이 높아지고 있습니다. 이러한 물질들은 교통부터 의료 및 컴퓨팅까지 다양한 산업에서 혁신적인 가능성을 제공합니다. 연구와 개발이 지속되면 이 흥미로운 물질들의 응용 분야는 더욱 확장되며, 더 지속 가능하고 기술적으로 발전된 미래를 형성할 것입니다. 그러기에 우리가 관심을 둘 가치가 충분히 있다고 있습니다.

참고: 김기덕, 물질물리학 고온 초전도의 시작  2022.6.16.