초전도 현상 - 고온초전도 발견 10년 - 최근의 초전도 쟁점 -
우리의 초전도 연구 수준은 어디까지 와 있는가?

   고온초전도 발견 10주년을 기념하기 위한 학술회의가 1996년 3월 12일부터 3월 16일까지 미국 휴스턴에서 열렸다. 이번 학회에는 초전도 연구에 큰 업적을 이루었거나 현재 가장 활 발하게 활동하고 있는 학자를 중심으로 참석인원을 400여명으로 제한하였다. 또한 초전도 학회의 주제를 전반적인 역사적 사실, 지난 10년간 물리학 측면에서 관찰한 진전, 물질과 응 용적인 측면과 과학과 기술의 접목으로 제한을 하였다.
이 학회에는 고온초전도 현상의 발견으로 Nobel 상을 수상받은 스위스의 뮬러 박사, BCS 이론의 Schrieffer 박사를 비롯한 M. L. Cohen(UC Berkeley), R. C. Dynes(UC Sandiego), Kitazawa(Tokyo), Cardona(Max Planck Institute), Leggette(일리노이대 - Urbana) 등등이 참석하여 진지한 토론을 하였다.
이 회의를 주관한 사람은 액체질소온도 이상에서 처음으로 초전도 현상을 발견한 대만계 미 국인 물리학자 츄 박사였다. 한국에서는 본인을 포함하여 서울대학 박영우 교수, 이화여대 양인상 교수, 성균관대 최한용 교수, 삼성종합기술원 공준호 박사 등이 참석하였다. 이 회의 에서 토의된 내용들 중 지난 10년간의 고온초전도의 발전과정 및 가장 쟁점이 되고 있는 고 온초전도의 원인규명, 성질, 그리고 초전도 응용부분이었다.
그러면 왜 세상사람들이 고온초전도라는 물질에 깊은 관심을 기울이고 있고, 세계적으로 이 연구에 막대한 인력과 연구비를 투자하고 있을까? 고온초전도체의 응용분야가 무궁무진하여 잘 활용만 한다면 새로운 산업혁명을 일으킬 수 있기 때문인 것을 많은 사람들이 잘 알고 있는 사실이지만, 이것만큼이나 중요한 것은 고온초전도체 내부에는 이해하여야 할 아름다운 물리현상이 존재하고 있기 때문이다. 그렇다면 이 초전도 현상이란 무엇인가? 초전도 역사와 그 응용에 관하여 논하여 보도록 하자.

   1991년 최초로 초전도체를 발견한 사람은 네덜란드의 물리학자 오네스(Onnes)였다. 그는 1908년 기체헬륨을 압축하여 절대온도 4도(4K, 즉 -269℃)의 액체헬륨을 만들어내는데 성공하였고, 이 액체헬륨을 이용하여 물질의 온도를 절대 0도에 가깝게 냉각시킬 수 있었다. 이 액체헬륨을 이용하여 물질의 온도를 절대온도 0도에 가깝게 냉각시킬 수 있었다. 그래서 수은을 저온으로 냉각시키면서 전기저항을 측정하던 중 액체헬륨의 기화온도인 4.2K 근처에서 수은의 저항이 급격히 사라지는 것을 발견하였다. 이렇게 저항이 사라지는 물질을 사람들은 초전도체라 부르게 되었다.
초전도 현상의 또다른 역사적 발견은 1933년 독일사람 마이스너(Meissner)와 오센펠트(Oschenfeld)에 의해 이루어졌다. 그들은 초전도체가 단순히 저항이 없어지는 것뿐만 아니라 초전도체 내부의 자기장을 밖으로 내보내는 현상(자기 반발 효과)이 있음을 알아냈다. 이러한 효과는 마이스너 효과(Meissner effect)라 불리우며 저항이 없어지는 특성과 더불어 초전도의 가장 근본적 특성으로 인식되어지고 있다.
좀더 이해를 돕기 위해 사진을 보면서 설명하도록 하자. 초전도체 위에 자석을 두면 자석에서 발생되는 자기장이 초전도체에 도달하게 되어 초전도체 내부에 자기장이 침투하게 된다. 그러나 초전도체는 보통물질과 달리 자기장을 배척하는 성질이 있으므로 자석은 초전도체 위에 떠 있을 수밖에 없다. 하지만 이때 주위의 온도가 올라가면 시료는 초전도의 성질을 잃어버리게 되고 따라서 자석은 더 이상 떠있지 못하게 된다. 이와 같이 어떤 특정한 온도(이를 임계온도라고 부른다)이하에서 저항이 완전히 사라지고 내부에 자기장이 존재하지 못하는 상태를 초전도 상태라 한다.
이러한 성질을 가진 초전도 물질은 금속, 유기물질, 세라믹 등에서 1천종 이상 발견되었으나 나이오비움-티타늄 합금과 나이오비움-주석 합금 등 5-6종만이 실용화되어 있다. 이러한 이유는 초전도 현상이 매우 낮은 온도에서만 일어나므로 값비싼 액체헬륨을 써서 냉각시 켜야하기 때문이며, 따라서 그 냉각비용이 엄청나서 고도의 정밀기계 이외에는 이용되지 못 하고 있다. 또한 액체헬륨 제조시 필요한 기체헬륨은 가벼워서 대기중에는 별로 남아있지 않고 그나마 오클라호마지방 근처의 유전에만 존재하고 있다. 따라서 초전도를 이용한 새로운 기술의 실용화는 액체헬륨온도인 4K보다 훨씬 높은 온도에서만 가능하다.

1911년 초전도 현상이 처음 발견된 후 거의 모든 사람들이 비교적 값싼 냉매인 액체질소로 냉각 가능한 온도, 즉 77K 이상에서 초전도 현상을 보이는 물질은 우주에 존재하지 않으리라 믿고 있었다. 그러나 1986년 IBM의 베드노르쯔(Bednorz)와 뮬러(M ller)에 의해 개발된 란타늄계열의 초전도체를 필두로 1987년 대만계 미국 과학자 풀 츄 박사에 의해 77K 이상에서 초전도 현상을 보이는 물질을 개발하였다. 그것들이 바로 유명한 산화물계 초전도체들이다. 현재 고온초전도체로 주목받고 있는 것은 희토류 산화물인 란타늄계(임계온도 30K)와 이트륨계(임계온도 90K), 비스무스 산화물계, 수은계(임계온도 134K) 등이 있 으며, 본 초전도 연구단에서는 이러한 고온초전도체를 만들어 실험하고 있다.

    고온초전도체의 발견

   초전도 현상이 처음 발견된 이후 거의 모든 사람들은 값이 매우 싼 액체질소로 냉각 가능한 온도인 영하 200도(77K)에서는 초전도 현상을 보이는 물질이 우주에는 존재하지 않으리라고 믿고 있었다. 그러나 이러한 믿음이 옳지 않다는 사실이 고온초전도의 발견과 더불어 깨어졌다. 이 고온초전도체의 발견만큼 전세계적으로 많은 과학자들에게 영향을 준 사건은 과학기술 사상 그 유례를 찾기 힘들 것이다.

Bednorz와 뮬러(Muller)에 의하여 LaBaCuO가 30K의 초전도체일 가능성이 10년전인 1986년 9월에 발표되었을 때만 하더라도 초전도 연구에 종사하는 사람들조차 이 사실에 별관심을 갖지 않았다. 왜냐하면 지난 수십년간 이러한 발표들이 번번히 헛소문이었기 때문이다. Bednorz와 Muller의 발표가 있은 지 3개월 후 1986년 12월 미국재료학회 연례총회에서 동경대의 키타자와 교수가 Bednorz와 Muller의 연구결과를 확인하는 발표를 하였을 때부터 많은 사람들이 관심을 갖게 되었다. 이때 벌써 미국의 Houston 대학의 Chu, AT&T Bell 연구소, IBM, 중국의 Zhao 등이 산화물 초전도체에 관한 연구를 시작하였으며 더 높은 임계온도의 초전도체 탐색을 진행중에 있다.
본인은 이때 박사후 연구원으로 오하이오주립대학에서 연구생활을 하였었고 이 학회에도 참석하였었다. 초전도 연구경쟁은 Chu와 그의 제자인 알라밤대학의 Wu에 의해 임계온도 90K 이상인 Y1Ba2Cu3Ox(Y-123, YBCO)가 발견되면서 더욱 가열되기 시작하였다. YBCO가 발표되던 1987년 2월에는 매일같이 TV와 신문에서 고온초전도에 관한 뉴스가 보도되었고, 물리학이란 어렵고, 골치 아픈 학문이라 여기던 일반 대중들도 이 놀라운 물질에 관하여 흥미를 갖게 되었다.
본인은 1987년 1월부터 그 당시까지 진행하던 모든 연구를 던져놓고 이 연구에 뛰어들기 시작하였다. 이 당시 본인과 갓 박사학위를 받았던 노태원 박사(현 서울대학교 물리학 교수)가 오하이오 주립대학에서 이 연구에 참여 Bednorz와 M ller의 연구결과를 확인한 후 극적외선 장치를 이용하여 초전도 간격을 측정하는 연구에 돌입하였다. 또한 YBCO의 발견 소식이 New York Time 에 발표되던 같은 주 주말 노태원 박사와 함께 YBCO 제작에 성공하여 이 물질의 연구에 참여하게 되었다.
1987년 3월 18일 뉴욕에서 개최된 미국물리학회 총회에서는 계획에도 없었던 고온초전도 특별 발표장을 마련하였으며 이 고온초전도 연구를 듣기 위하여 1000여명이 들어갈 수 있는 대회의장에 3000여명 이 몰려드는 대 혼란이 있었다. 이 사건을 Time, Newsweek등의 주간지들도 고온초전도의 발견을 제2의 전기의 발견, 제3의 산업혁명이라고 부르며 특집을 내게 되었다. 이 당시 새벽까지 진행된 발표회에는 중국의 Zhao, 일본의 타나까 미국의 Chu, AT&T Bell 연구소팀의 특별발표후에 계속 연이은 발표가 있었다. 이 당시 본인이 속하였던 오하이오 주립대학에서는 이 물질을 이용하여 측정한 초전도 자기적 성질 측정에 관한 발표를 하게 되었고 현초전도 분야중 이 쪽을 일생의 연구주제로 삼게 되었다.

    초전도체의 응용

   초전도체가 왜 많은 사람들의 관심을 끌게 되었을까?
그것은 초전도체가 갖고 있는 무궁무진한 응용성에 기인한다. 예를 들어 의학적 응용에서는 초전도자석이 자기공명현상(Magnetic Resonance Imaging : MRI)을 이용하여 뇌의 내부구조를 알아내는데 쓰여왔다. 이 방법은 뇌의 내부를 직접 관찰하거나 X-선을 사용하지 않으므로 뇌의 내부에 상처를 입히지 않아도 된다. 이때 강력한 자석이 필요한데 이를 위해 초전도 전선 내부에 초전도 상태를 유지한 채 강력한 전류를 흘려 사용한다. 지금은 액체헬륨으로 냉각시키고 있지만 고온초전도체를 사용해서 그 냉매로 액체질소를 이용한다면 상당히 낮은 비용으로도 MRI가 가동되며, 뇌뿐 아니라 신체의 다른 부위까지도 X-선 장비가 MRI로 대치될 것이다.
이런 응용은 비단 의학에서뿐만 아니라 우리들의 모든 실생활에서 응용될 수 있다. 예를 들어 초전도 가기 에너지 저장소(Superconduction Magnetic energy storage : SMES)는 초전도 코일에 매우 큰 전류가 흐를 때 형성되는 자기장내에서 에너지를 저장할 수 있는 기술이다. 이를 이용하면 서울시내에서 사용되고 있는 모든 전류를 지름 5cm의 초전도 전선에 실어 운반할 수 있다. 또한 전기저항 때문에 송전중에 전기의 일부가 열로 손실되는데 초전도체를 사용하면 이러한 손실을 막을 수 있어 막대한 양의 전기를 절약할 수 있게 된다.
또한 핵융합 반응을 이용한 미래의 에너지원의 제조시에도 초전도체를 이용한다. 그리고 초전도체를 이용하면 대중교통 수단도 크게 변화하여 서울과 부산을 40분만에 주파하는 자기부상 열차를 만들 수 있을 뿐만 아니라 선박에서도 초전도체를 이용해 매우 빠른 속도로 운항할 수 있게 된다.
또다른 응용은 박막 선재나 조셉슨 소자를 이용한 고속소자, 자기장 및 전압변화를 정밀하게 측정하는 센서, 열발생없는 컴퓨터나 반도체의 배선 등이 이러한 것이다. 초전도 컴퓨터는 기존의 컴퓨터보다도 엄청나게 빠른 속도로 계산할 수 있다.

    외국의 연구현황

   고온초전도체가 발견이 되자 선진국들은 국력을 기울여 이 새로운 물질의 연구경쟁에 뛰어들게 되었다.
이 당시 미국은 생산분야에서 일본에 떨어지기 시작했다는 위기감이 팽배해 있었기에 21세기 선도기술의 하나인 초전도 기술에서만은 절대로 우위를 지키겠다는 결의로 이 연구에 정진하였다. 1987년 7월 당시의 레이건 대통령은 백악관에서 고온초전도체의 상업화에 관한 회의를 개최하였다. 이 회의장에는 외국인과 외국기자의 참석이 금지되었으며 초전도 주요 정책을 수립, 공개하였으며 또한 대통령 자문기구인 고온초전도 위원회를 구성하였다. 의회에서는 고온초전도 특별법을 제정하였고, 정부 산화기관인 DOE에서는 첨단기술과제로 고온초전도 과제를 선정, 기술 개발 및 보호정책을 수립하였고, 경쟁상대인 IBM과 AT&T등이 컨소시움을 구성, 협력연구를 수행하였으며, 국립연구소와 대학을 묶어 초전도협의회등을 구성하였다.
또한 연방정부는 어려운 재정 속에서도 텍사스, 일리노이, 뉴욕주 소재의 초전도 연구센터를 설립하여 지원을 하고 있다.

일본의 경우에는 초전도에 관한 연구를 초전도 발견 약 50년이 지난 1960년도에 시작하였으며 이후에도 초전도 자기부상열차 개발을 비롯하여 많은 연구업적을 쌓게 되었다.
특히 1980년도 IBM이 초전도 조셉슨 컴퓨터 연구를 포기한 이후에도 비밀리에 이 연구를 계속하여, 나이오비움계 조셉슨소자를 개발, 미국의 대기업등을 긴장시켰다. 고온초전도체가 발견된 후 일본은 응용기술뿐아니라 기초과학에도 세계를 주도하겠다는 야심찬 계획하에 일본 통산산업성의 주관하에 초전도 연구를 추진하게 되었다. 일본의 고온초전도 연구의 특징은 기업의 참여가 미국이나 다른 경쟁상대국보다 매우 활발하다는 것이다.
이 밖에도 중국이나 대만의 초전도 연구의 노력도 주목할 만하다. 특히 대만정부는 우리나라에 비해 약4배 이상의 연구비를 초전도 연구에 투자하고 있다.

    국내의 연구현황

   고온초전도체가 발견되기 이전의 국내의 초전도 연구는 거의 전무하였다 하더라도 과언이 아니다.
국내의 초전도 연구는 헬륨액화기가 표준과학원에 최초로 도입된 1982년 부터 라고 하여야 할 것이다. 또한 국내에서의 고온초전도체의 최초 제작은 1987년도 3월초 서울대의 김정구 교수팀에 의해서이다. 이때 제조된 시료는 액체질소온도보다 낮은 55K에서 초전도 현상을 보였으나 이후 곧이어 이 온도가 90K급으로 올라가게 되었다.
또한 이와는 독립적으로 부산대학 장민수 교수팀은 고온초전도 합성에 성공하였고, 개교가 되자마자 포항공대의 이기봉, 백성기 교수등이 이 연구에 참여, 초전도 합성에 성공하였다. 이때부터 국내 매스컴에서도 연일 초전도체에 관한 뉴스가 발표되었었다.

한편 과학기술처에서는 본 연구의 중요성을 인식하여 국내 전문가들로 구성된 고온초전도 연구협의회를 구성하였다. 이 연구협의회에서 제일로 착수한 업무는 국내 초전도 연구현황과 전망에 대한 보고서 작성 및 고온초전도 기술개발을 대형과제로 구성하여 연구계획서를 작성하였다. 이후 이 협의회를 모체로 하여 고온초전도 국내연구가 활성화되었다.
그 이후로 수년이 지난 지금 국내의 초전도 연구는 대학을 중심으로한 기초물성 연구 및 기업, 연구소를 중심으로한 응용연구분야가 눈부신 발전을 하게 되었다. 대학을 중심으로 발전하는 기초물성 연구는 규모는 작지만, 세계적 수준에 도달한 연구를 수행하는 곳도 여러군데 있다.
특히 가시적 제품 제작을 목표로 한 응용분야의 연구의 업적은 다음과 같다.
고온초전도체의 신호검출용 초미세 자기장 검출 장치의 개발뿐 아니라 고온초전도 마이크로파 필터를 이용한 통신용 공용기 개발 및 초전도 박막을 이용한 마이크로파 특성소자개발, 고온초전도장선 제조등이 이러한 예가 된다.

    고온초전도 발견 10주년과 최근의 초전도 쟁점

   고온초전도체의 최근연구는 원인규명, 성질, 응용(mechanism, property and application)의 세 분야로 나뉘어 발전하고 있다.
첫째로 고온초전도 현상이 왜 일어나는가에 대해서는 여러 학설이 있지만 근접 페르미 액체이론(marginal Fermi liquid theory), 스핀-가방(Spin-bag), 전자가 결합요동현상(Valance bond fluctuation), 반자성요동현상(antiferromagnetic fluctuation)등의 이론들이 서로 계속 발전, 수정, 변형이 되면서 그 정당성을 주장하고 있다. 이들은 주로 바마(Varma), 파인즈(Pines), 스칼로피노(Scalarpino), 슈리퍼(Schrieffer), 앤더슨(P.W. Anderson) 등에 의해 발전되 나가고 있다.

이들 이론들 가운데 앤더슨의 이론은 스핀과 전하의 분리에 근거를 둔 학설로서 1차원인 경우에는 이것이 가능하지만 2차원에서는 이것이 가능한가에 대해서는 아직도 많은 논의가 있고, 파인즈에 의해 주도되고 있는 반자성 요동현상에 관한 이론은 현상론에서 출발하였기에 미세적 현상을 다룬 이론이라고는 할 수가 없다.
단 비슷한 원리에서 출발한 스칼로피노의 이론은 대칭성은 D-wave 이지만 초전도 현상이 설명될지는 아직 의문이다. 재래식 초전도 현상은 1911년에 발견된 이래 46년이 지난 1957년도 바딘, 쿠퍼, 슈리퍼에 의해 처음으로 이해가 되었지만, 고온초전도체의 근본 이해는 몇 년이 걸릴지 기다려 보아야 한다. 만약 이 현상의 이해를 고온초전도 발견후 46년이 지난 2032년까지 푼다면 후세의 과학자들이 우리 전세계 과학자들보다 월등다는 것을 증명할 수 있을것이다. 그러나 고온초전도체 내부의 세계는 너무도 아름답고 신비하여 그 비밀의 열쇠를 우리 과학자들에게 계속 비쳐만 줄 뿐 완전히 넘겨주지 않고 있다.

이들 초전도 원인과 가장 연관이 되는 실험으로는 질서함수(order parameter)의 대칭성(symmetry)이 중요한데 츄이(Tsuei), 반할링겐(Van Harlingen), 리겟(Legette), 스칼로피노(Scalarpino) 등의 학자들은 계속하여 d-wave symmetry를 주장하는데 반하여 샌디하고 대학의 다인즈(Dynes)는 조셉슨 터널링(Josephson Tunneling) 데이터를 근거로 하여 S파에 의한 신호가 있다고 주장하고 있다.
또한 아르곤(Argonne) 국립연구소의 클렘(Klemm)인 경우도 D에 의한 대칭성(symmetry)이 아니고 S파에 의한 것이라 주장하고 있다.
또한 최근 가장 큰 관심을 끌고 있는 부분이 초전도 전이온도 위에서도 이상한 쌍이 형성되어야 설명될 것 같은 유사간격(pseudo gap) 현상이다. 이 현상은 처음에는 스핀에만 관련이 될 것이라 생각되어 왔으나 현재에는 전하에도 연관이 됨이 밝혀진 후 자기공명(NMR), 라만(Raman), 비열측정, 열전효과, 전도현상 등등 여러 형태의 실험에서도 발견되고 있다. 이 부분의 이해가 초전도 기본원리에 직접 연관이 있으리라 생각이 되어 많은 관심이 집중되고 있다.

  두 번째로 초전도 성질에 관한 발전이 이루어짐을 알 수 있다. 이중 혼합상태의 이해가 매우 중요한데 이상적이고 깨끗한 제2형 초전도체의 경우에는 Ginzburg-Landau 이론의 평균장 이론을 적용하는데 비하여 고온초전도체처럼 열적요동이 심한 물질이 불순물이나 무질서에 의해 초전도 성질의 심한 변화를 갖게 되어 자기소용돌이 유리(vortex glass) 상태를 이룰 때 이들 상에서의 초전도 성질을 이해하려고 노력하고 있다.
물리적으로는 중요한 논점인 이들 사이의 상전이의 성질을 알아내야 한다. 또한 새로운 초전도체는 제조하려는 노력 또한 대단하여 무한한 CuO2면 초전도체를 만들려는 시도와 Bi계 Yi계 초전도체 뿐아니라 수은계 초전도체 및 이의 변형으로 높은 온도의 초전도체를 제작하려는 시도가 계속되고 있다.
최근에는 수은계 초전도체 시료가 고온, 고압에서 제조되어 이들의 성질을 연구하고 있다. 이외에도 Fullerin C60에 불순물을 첨가한 KxC60 물질의 연구도 계속적으로 진행되고 있다.

또한 초전도 응용부분의 발전이 매우 눈부시다. 이 분야중 가장 장래성이 있는 분야로서 마이크로파를 이용한 통신으로의 응용이다. 이것이 가능한 이유로서는 초전도체에 의한 전류소모가 다른 물질에 비해 매우 작을 뿐아니라 통신에 필요한 마이크로파의 전자파 발생장치, 필터, 공진기, 저잡음 발진기 등등에 직접적으로 쓸 수 있기 때문이다.
이 연구를 위해 미군 해군 연구소에서는 1995년도 이 실험장비를 직접 우주에서 작동하려 하였으나 불행하게도 우주추진 rocket의 고장으로 인하여 이 실험을 1997년 이후로 미루게 되었다. 이 실험에는 미국 듀퐁(Du Pont), 코닥타스(Conducts), 아르곤(Argonne) 국립연구소, 텍사스 초전도 연구센터(Texas Superconductivity Center), 링컨연구소 등등의 유수기관이 참여하였다.

그런데 왜 이러한 장치들이 필요한가
그 이유는 고온초전도체로 제작되는 공진기는 일반금속보다도 10배-1000배 정도 큰 Q-factor를 가지고 있고, 또한 고주파 영역에서 작은 크기로 큰 효율울 갖고 있으며, 작은 손실의 특성으로부터 초전도체의 여과기 응용으로 인하여 위성통신의 채널(channel)을 매우 증가시키는 것이 가능하기 때문이다.
이 분야의 응용은 벌써 시작되었다. 지구통신국 사이에는 고온초전도체를 사용한 마이크로파 장치(microwave device)를 사용하기 시작하여 3년내로 전세계 시장이 50억불을 넘어설 것이며 조만간 큰 시장을 형성할 것으로 보인다. 또한 주파수 영역을 Tera Hertz까지 가능케 할 것인데 이유로는 재래식 금속의 경우 이 주파수 영역에서 발생하는 열에 의해 금속이 녹는데 비해 고온초전도체에서는 이러한 문제점이 제거되기 때문이다.
따라서 통신분야의 선두주자인 미국에서는 군사분야에서 현재는 불가능한 지구상공의 전리층에서 이루어지는 위성간 통신을 고온초전도체를 이용하려 한다. 이러한 연구에 관심을 두고 있는 이유는 재래식 통신 주파수는 전리층을 뚫고 내려와 도청의 원인이 되고 있는데 고온초전도를 이용한 파에서는 전리층을 뚫지는 못하여 위성간의 통신을 이것으로 이용하려 하기 때문이다. 이 분야의 응용은 거의 성공단계에 도달하였는데 이것은 전략적으로 엄청난 효과를 보여줄 것이다.
또한 초전도 응용으로서의 SQUID System은 생체자기분야에서 매우 큰 발전을 보일 것으로 예상하고 있다. 현재 가장 많이 쓰일 부분은 심자도와 뇌자도 분야인데 현재까지 심자도 분야는 응용이 벌써 되고 있고, 뇌의 SQUID 응용은 계속적으로 연구되고 있다. 현재 고온초전도의 SQUID 이용은 이외에도 피코볼트메타, 자기측정기 등등에 이용될 것으로 생각되고 있다.

결론적으로 고온초전도의 출현은 기초과학분야에서 산업적 응용분야에 이르기까지 막대한 영향을 미치고 있으며, 이 응용분야는 우주 공간에서 가장 먼저 시작될 것으로 기대되는 바, 통신 분야의 electronics 등은 위성간의 장거리 통신망의 구축과 함께 그 응용이 본격화될 것이다.
미국에서는 1997년 HISSE II 과제로 microwave 소자들을 이용한 subsystem의 우주 공간에서의 실험이 완성될 경우 이 분야는 고온초전도체에서 가장 먼저 시장을 형성할 것이다.

    포항공대 초전도 연구는 어디까지 와 있는가.

   포항공대의 초전도 연구팀은 물리학과를 중심으로 구성이 되어 있다. 현재 본인을 비롯하여, 실험분야에는 이후종, 박수용, 이론분야에서는 유창모, 석성호 교수가 초전도체 합성에서부터 기본원리 및 응용연구까지 골고루 수행하고 있다.
포항공대의 초전도 연구팀은 1988년이래 이트륨계ㆍ비스무스계 고온초전도체의 단결정 다결정 박막 등의 합성기술을 축적하였고, 이를 이용하여 초전도체의 전류수송 특성과 자기적 성질에 관한 연구를 통하여 초전도체의 메커니즘을 파악하는 노력을 계속하고 있다.
응용 연구적인 측면에서 4격 나이오비움 초전도 양자간섭소자(SQUID)의 개발에 성공하여 국내 초전도 연구에 촉진제 역할을 하기도 하였으며, 적외선 감지기의 개발 또한 진행되었다. 그리고 초전도체의 응용에 기본이 되는 잡음 특성의 연구도 계속되고 있다.
특히 최근에는 130K 이상에서 초전도 현상을 보이는 수은계 초전도체의 개발에 성공하여 그 연구에 활기를 띄고 있다. 이 수은계 초전도체는 지금까지 개발된 고온초전도체중에서 임계온도가 가장 높으나 그 제조과정이 어렵고 복잡하여 국내에서는 본 연구팀과 표준과학원 연구팀만이 이 기술을 보유하고 있다. 또한 본 대학에서 보유하고 있는 시료는 본 연구팀만이 가지고 있는 독특한 방법으로 만들었기 때문에 그 특성이 매우 뛰어나 시료의 질이 세계 제일이라 할 수있다.
이 제조비법을 이용하면 현재 세계에서 가장 임계온도가 높은 수은계 1223 단일상을 제조할 수 있다. 현재 본 연구팀의 수은계 초전도체는 고온, 고압에서 제조하였기에 미국의 Chu나 프랑스에서 개발한 방법의 수은계 초전도체보다 그 질이 매우 월등하며, 이 시료에 관한 연구결과는 세계의 유명학술지에 속속들이 발표가 되어, 수은계 초전도체에 관한 한 한국의 연구업적이 세계적으로 인정을 받고 있다.
이 연구결과들은 신금속국제학회(International Conference of Synthetic Metal : ICSM'94)에서 30분간 간이초청강연을 한국대표로 발표하였을 뿐아니라 1995년 Moscow애서 열린 International Conference MSU-HTSC IV에서 초청강연을 하였다.

그 동안 이 신비의 물질을 강한 자기장 속에서 측정한 결과 매우 재미있고 심지어 아름답기까지 한 여러 초전도 현상을 발견하였다. 그 중 하나인 새로운 요동현상은 재래식 초전도체에서는 잘 관측되지 않았던 것이므로 고온초전도체의 특성이라 한다. 이 물질은 현재 국내의 여러 기관에 보내져 다양한 연구가 진행 중에있다.
또한 세계에서 처음 제조된 서울대학 최진호 교수의 HgI2가 삽입된 Bi2Sr2CaCu2Ox를 이용, 이 초전도체가 2차원적 성질이 강하면서도 전이온도의 감소가 상대적으로 적음을 밝혀, 고온초전도의 기본원리의 하나라 주장되고 있는 앤더슨(Anderson) 이론을 정식으로 반박한 논문을 1996년도 미국물리학회에 발표하는 등 그 성과가 매우 놀라웁다.
또한 최근에 는 물리학 최고의 권위지인 Physical Review Letters에 본 연구팀의 논문이 두편이 실리는 경사가 발생하기도 하였다. 본교 연구팀의 일원인 유창모 교수의 "Spin Motive Force and Faraday Law for Electrons in Mesoscopic Rings"와 이성익 교수의 "Vortex Glass and Lattice Melting Transitions in YNi2B2C Single Crystal"이 그것이다.
유창모 교수는 게이즈 이론에 입각하여 여러 경우의 스핀에 의한 힘과 스핀 페러데이 법칙을 통일적인 관점에서 생각할 수 있는 틀을 마련한 이론 분야의 논문을 발표하였다.
또한 본인은 새로운 초전도체인 YNi2B2C 단결정에서 전류흐름의 특성곡선을 측정, 자기소용돌이 상의 위상변화를 관측한 후 새롭게 형성된 상사이의 관계를 규명하였다. 이러한 자기소용돌이 새로운 상은 단결정 상태에서는 산화물계 고온초전도체에서만 관찰되었던 것으로 새로운 물질인 YNi2B2C에서 다시 발견되었고, 따라서 이 신물질이 고온초전도와 재래식 초전도체 사이의 중간적 성질을 갖고 있음을 처음으로 밝혀, 새로운 연구분야를 개척하였다.
본 연구결과는 물리학 실험분야에서 순수히 국내의 실험기구를 사용하여 Physical Review Letters에 발표된 한국물리학 사상 몇 안되는 연구결과이다. 순수 국내에서 수행한 실험물리학 분야의 연구발표중 한국물리학 사상 처음으로 Physical Review Letters에 게재된 것도 본 연구팀의 이후종 교수에 의한 쾌거였다.
석성호 교수를 팀장으로 하는 이론 연구팀 또한 그 연구능력이 탁월하다. 본 연구팀은 그간 에니온 이론, 매우 강한 상호작용을 하는 입자들의 운동, 쪼개진 양자홀 효과(Fractional Quantum Hall Effect), 구속된 보존 - 페르미온 이론(Slave-boson Slave-Fermion)등의 분야에서 선도적 역할을 담당하고 있으며 일본의 동경대, 미국의 일리노이, 캘리포니아주립대 등과 치열한 연구경쟁을 벌이고 있으며 이곳 연구실의 등은 밤새도록 꺼리지 않고 있다. 이렇듯 포항공대 초전도 연구분야는 물리학 분야중에서도 가장 앞서가고 있다.

    전국규모의 초전도 모임 및 초전도 연구 Network 개설

   신물질 개발 경쟁에 치열한 고온초전도체 분야의 연구 활성화 및 급변하는 연구조류에 적절히 대응하기 위하여서는 독단적 연구에 의한 기대효과보다는 우수한 연구인력을 유동성있게 최대한도로 활용하여야 한다. 또한 각 분야간의 벽을 허문 후 학재간 유기적 협동연구체제를 확립하는 것이 매우 중요하다. 이에 초전도 물리가 특성화되어 있는 포항공대의 연구팀에서는 전국 규모의 초전도연구모임을 구성하였고 본 연구회는 매년 두차례에 걸쳐 포항공대에서 모임을 갖고 동시에 초전도학교를 운영하고 있다.
본 모임은 1993년 6월에 처음 시작되었다. 본 초전도모임은 기존의 학회의 운영과 체제가 다르며, 획기적인 방법으로 진행되고 있다. 본 초전도학교의 강의는 한 회마다 5명의 국내의 최정상급의 연구자들이 한 연구주제로 각자 7시간씩 강의함으로써 초전도 관련분야를 총괄적으로 논의하고있다.
본 모임은 처음 약 10여명의 참석자로 시작하여 현재 매회 70여명의 외부참석자와 40여명의 포항공대 참석자로 구성이 되어 진행되고 있다. 본 연구모임은 초전도 연구자들의 순수한 자발적 모임으로 시작하였고, 차후 전세계의 유명과학자들도 초빙하여 범세계적 으로 연구모임을 발돋음할 것이다.
이 모임과 아울러 포항공대 초전도 연구팀은 전국규모의 초전도 연구 network인 supercon을 개설하였다. 이 통신망에 들어오면 초전도에 관한 어떠한 토론도 할 수 있으며, 초전도 안내 및 정보를 교환할 수 있다.
또한 본 초전도팀의 home page 에 들어오면 전세계적으로 최근 발표된 주요 연구논문을 비롯하여, 국내의 연구자들의 세미나 활동에 관한 정보를 공유할 수 있다. 이 전국 규모의 초전도 교실 및 초전도 정보망은 국내의 초전도 연구능력을 세계적인 수준으로 올리는데 결정적 역할을 할것이라는 것을 의심치 않는다.

    결론

   고온초전도의 특성을 현대물리학의 새로운 개념등을 잘 활용하여야만 설명이 가능한 여러현상들로 이루어져 있고 새로운 물리학의 개념들을 도출하고 있다. 현재 고온초전도체를 연구하는 많은 사람들이 새로운 물리학의 태동을 느끼고 있고 본인도 초전도 연구가 연구하 면 할수록 아름다운 학문임을 실감하고 있다.
본인이 1994년도 서울의 신소재학회에서 만난 츄박사의 말을 꼭 들려주고 싶다. 그는 훌륭한 물리학자가 되려면 누구나 예외없이 일생에 한번은 초전도 연구를 하여야 한다. 이렇듯 초전도 물리학은 심오한 물리학의 학문중에서도 심오한 학문이다.
만약 자연의 신비를 풀어나가는데 삶을 바치고 싶은 젊은이들이 있다면 꼭 권장하고픈 분야이다.

포항공대 물리학과 이성익 교수 씀 (1996)