초전도체(supercondoctor)

최근 한국에서 LK-99라는 상온 초전도체가 개발됐다는 보도가 있어 세계작인 관심을 모으고 있다. 아직 이론적으로 확실하게 증명된 것은 아니지만, 이 말이 사실이라면 과학기술계의 큰 혁명이 일어날 것으로 예상이 된다. 초전도체는 매우 낮은 온도에서만 작동하므로 초전도체를 이용하기 위해서는 냉각시설이 필수적이지만, 경제적인 비용 문제 때문에 소규모로 이용될 뿐 이용에 많은 제약이 따른다. 그러나 상온 초전도체가 실제로 성공한다면 과학계와 경제계에 매우 큰 파급효과가 일어날 것이며, 과학기술의 큰 획을 긋게 될 것이다. 

초전도체(supercondoctor)란 무엇인가?

초전도체는 매우 낮은 온도에서 전기저항이 0 이 되어 초전도 현상이 나타나는 도체를 말한다. 이러한 물질은 특정 온도(임계 온도) 이하에서만 전기저항이 완전히 사라지는 특성을 가지며, 이를 초전도현상이라고 한다. 초전도체는 임계 온도를 기준으로 나뉘는데 매우 낮은 온도에서만 작동하는 저온 초전도체와 고온 초전도체로 분류되는데, 특히 상온에서 초전도 현상이 나타나는 것을 상온 초전도체라 불린다. 상온에서도 초전도 현상이 입증된다면, 이는 기존의 초전도체 연구에 혁명적인 발전을 가져올 수 있으며 다양한 분야에서의 응용 가능성이 크게 확장될 수 있다.

초전도 현상(The phenomenon of superconductivity)

초전도 현상은 특정 온도 이하에서 일부 물질이 전기 저항이 거의 없어지는 현상을 말한다. 이로 인해 초전도체는 전기 전달에서 높은 효율성을 보이며, 전력 손실을 최소화하여 무손실 전력 수송, 높은 자기장을 이용한 핵융합, 고속 전기 전달을 필요로 하는 분야에서 매우 유용하게 활용된다.

초전도현상은 1911년 영국의 물리학자 헤이저 베슬리 경(Heike Kamerlingh Onnes)에 의해 발견되었다. 초전도체는 특정 온도인 임계온도(critical temperature) 이하에서만 이러한 특성을 나타내는데, 이 온도를 초전도 전이 온도

(critical superconducting temperature)라고도 한다. 초전도 현상은 저온에서 일어난다는 특성 때문에 초전도체는 일반적으로 매우 낮은 온도(예: 액체 헬륨 온도인 약 4.2K 또는 액체 질소 온도인 약 77K)에서 발생한다. 초전도체의 온도가 저온이어야만 하는 것은 오랫동안 한계로 여겨졌으나, 최근의 연구에서는 상온 초전도체에 대한 가능성이 논의되고 있다. 최근 미국 로체스터대학 연구진이 상온과 낮은 압력에서 초전도 현상을 보일 수 있는 새로운 물질을 개발했다고 발표하기도 했다.

초전도 현상이 일어나는 이유는?

초전도 현상은 금속의 온도를 매우 낮추면(절대온도 30K 이하) 전기 저항이 완전히 사라지는 현상이다. 이것은 초전도체에서 전기 저항이 0이 되는 것을 의미한다. 원인은 전자의 특별한 상호작용에 있다. 도체에서 전자는 한 개씩 따로 이동하며 원자와 충돌하여 전기 저항이 발생하지만, 초전도체는 매우 낮은 온도에서 전자들이 쿠퍼 쌍(Cooper pair)라고 불리는 쌍으로 결합하여 이동하는데, 이때 원자핵과 쿠퍼 쌍이 인력 때문에 서로 끌리게 되지만 원자핵의 움직임이 쿠퍼 쌍의 움직임보다 느려서  서로 충돌하기 전에 쿠퍼 쌍이 원자핵과 충돌하기 전에 통과하므로 전기 저항이 생기지 않게 된다. 이 이론을 BCS이론 이라고 한다. 또한 초전도체가 자석 위의 같은 위치에서 공중부양하는 이유는 마이스너 효과와  양자 고정 현상으로 설명되는데, 마이스너 효과는 외부 자기장이 초전도체 내부를 통과하지 못하는 현상이다. 이 현상은 외부 자기장이 흐르면 초전도체 내부에 초전류가 발생하여 외부 자기장과 반대 방향의 자기장을 형성하여 외부 자기장을 밀어내기 때문이다. 양자 고정현상은 냉각되는 도중에 통과하던 자기력선의 일부가 자석 안에 포획되고 완전 냉각된 후에는 마이스너 효과가 함께 작용하여 잡아당기는 힘과 밀어낸 힘이 균형을 이루게 되면서 떠 있는 위치가 고정되는 것이다.

쿠퍼 쌍의 생성

마이스너 효과

양자 고정 현상

초전도체의 종류

저온 초전도체

저온 초전도체(low-temperature superconductor)는 상대적으로 낮은 온도에서 초전도성을 보이는데, 주로 -240˚C(30K) 이하의 온도에서 동작하며, 매우 낮은 온도에서만 초전도성을 나타낸다. 저온 초전도체로는 Nb-Ti 합금과 Nb3Sn 합금이 있다. 저온 초전도체의 주요 응용분야로는 고성능 자기장을 생성하는 자석, 초전도 케이블을 이용한 전력 전송 시스템, 높은 신호 감도를 가진 센서 및 전자기 장치 등이 있다. 또한 과학 연구에서도 저온 초전도체를 이용하여 다양한 실험 및 연구가 진행되고 있다.

고온 초전도체

고온 초전도체는 보통 액체 질소의 끓는점 이상의 온도(77K 또는 -196°C)에서 초전도체가 되는 물질이다. 이 온도 범위는 절대 영도에 가까운 온도를 필요로 하는 기존의 초전도체보다 훨씬 높다. 고온 초전도체는 큐프레이트 초전도체(예: YBCO - 이트륨 바륨 구리 산화물) 및 철 기반 초전도체(예: FeAs 기반 화합물)를 포함하여 여러 제품군으로 분류할 수 있다. 고온 초전도체는 특히 극도로 낮은 온도로 냉각하는 것이 가능하지 않거나 실용적이지 않은 산업 분야에서 수많은 실용적인 응용 분야에 대한 잠재력을 가지고 있다. 예를 들면 전력 전송, 에너지 저장, 자기 부상(maglev) 열차, 의료 영상(MRI) 등이 포함될 수 있다.

상온 초전도체

상온 초전도체는 상온 이상의 온도, 일반적으로 섭씨 25도(298K) 이상에서 초전도성을 나타내는 물질을 말한다. 상온 초전도체의 발견은 기존 초전도체에서 요구되는 극저온 냉각 없이 초전도체를 실용화할 수 있다는 점에서 획기적이다. 아직 공식적으로 인정된 경우는 없지만, 최근 한국 연구팀이 상온 및 상압 초전도체를 개발했다고 주장하는 보고가 있었다. 이러한 주장과 관련된 연구 논문은 사전 인쇄 사이트 'arXiv'에 게시되었다. 상온 초전도체는  오랫동안 도전적인 목표였으며, 사실로 입증되면 전력 전송, 운송(예: 자기 부상열차), 의료 기기, 핵융합로 등 많은 분야에서 지대한 영향을 끼칠 것이다. 물론 노벨상을 받는 것도 확실할 것으로 예상된다.