새로운 산업혁명'을 주도할 고온초전도체에 관한 역자들의 설명

'새로운 산업혁명'을 주도할 고온초전도체에 관한 역자들의 설명

지금도 전세계적으로 고온초전도 물질의 성질을 밝혀내기 위해 많은 학생들과 연구원들이 땀을 흘리고 있다. 국내의 여러 연구소와 대학도 예외는 아니다.

그러면 왜 많은 사람들이 고온초전도체라는 물질에 관심을 기울이고 있으며, 세계적으로 이 연구에 막대한 인력과 연구비를 투자하고 있을까? 그것은 고온초전도체의 응용분야가 무궁무진해서 잘 활용만 하면 '새로운 산업혁명'을 일으킬 수 있기 때문이다. 이러한 새로운 응용에 대해 이야기하기에 앞서 초전도의 원리와 발전과정에 대해 간단히 설명하고자 한다.

초전도의 원리와 발전과정

1911년 최초로 초전도체를 발견한 사람은 네덜란드의 물리학자 온네스(Onnes)였다. 그는 1908년 기체 헬륨을 압축하여 절대온도 4도 (4K, 즉 -269℃)의 액체 헬륨을 만들어 내는데 성공하였고, 이 액체 헬륨을 이용하여 물질의 온도를 절대온도 0도에 가깝게 냉각시킬 수있었다. 그 당시에는 순수 금속의 전기저항이 매우 낮은 온도에서 어떻게 될 것인지가 큰 관심사였다. 그래서 수은을 저온으로 냉각시키면서 전기저항을 측정하던 중 액체 헬륨의 기화온도인 4.2K 근처 이하에서 수은의 저항이 급격히 사라지는 것을 발견하였다. 이렇게 저항이 사라지는 물질을 사람들은 초전도체라 부르게 되었다.

초전도 현상의 또 다른 역사적 발견은 1933년 독일 사람인 마이스너(Meissner)와 오센펠드(Oschenfeld)에 의해 이루어졌다. 그들은 초전도체가 단순히 저항이 없어지는 것뿐만 아니라 초전도체 내부의 자기장을 밖으로 내보내는 현상 (자기반발효과)이 있음을 알아냈다. 이러한 효과는 마이스너 효과(Meissner effect)라 불리며 저항이 없어지는 특성과 더불어 초전도의 가장 근본적 특성으로 인식되어지고 있다. 초전도체 위에 자석을 두면 자석에서 발생되는 자기장이 초전도체 도달하게 되어 초전도체 내부에 자기장이 침투하게 된다. 그러나 초전도체는 보통 물질과는 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 떠 있지 못하게 된다. 이와 같이 어떤 특정한 온도(이를 임계온도라고 부른다.)이하에서 저항이 완전히 사라지고 내부에 자기장이 존재하지 못하는 상태를 초전도상태라 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 액체 헬륨을 사용하여 냉각시켜야 하기 때문이며, 따라서 그 냉각비용이 엄청나서 고도의 정밀기계 이외에는 이용되지 못하고 있다. 또한 액체 헬륨 제조시 필요한 기체 헬륨은 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 액체 질소로 냉각 가능한 온도, 즉 77K 이상에서 초전도 현상을 보이는 물질은 우주에 존재하지 않으리라 믿고 있었다. 그러나 1986년 IBM의 베드노쯔(Bednorz)와 뮬러(Muller)에 의해 개발된 란타늄 계열의 초전도체를 필두로 1987년 대만계 미국 과학자 폴 추 박사에 의해 77K이상에서 초전도 현상을 보이는 물질이 개발되었다. 그것들이 바로 유명한 산화물계 초전도체들이다. 현재 고온초전도체로 주목받고 있는 것은 희토류 산화물인 란타늄계 (임계온도 30K)와 이트륨계 (임계온도 90K), 비스무스 산화물계, 탈륨계, 수은계 (임계온도 134K) 등이 있으며, 국내의 여러 실험실에서도 이러한 고온초전도체를 직접 만들어 실험하고 있다.

초전도의 응용

이러한 초전도체의 응용을 살펴보면, 의학적 응용에서는 초전도 자석이 자기공명현상(Magnetic Resonance Imaging : MRI)을 이용하여 신체 내부구조를 알아내는데 이용되어져왔다. 이 방법은 뇌의 내부를 직접 관찰하거나 X-선을 사용하지 않으므로 뇌의 내부에 상처를 입히지 않아도 된다. 이때 강력한 자석이 필요한데 이를 위해 초전도 전자석을 사용하며, 초전도 전선 내부에 초전도 상태를 유지한 채 막대한 양의 전류를 흘려 주는 것이다. 지금은 초전도 전자석을 액체 헬륨으로 냉각시키고 있지만 고온초전도체로 만들어진 초전도 전자석을 사용한다면 액체 질소로 냉각할 수 있을 것이다. 따라서, 상당히 적은 비용으로도 MRI를 가동할 수 있게되어, 뇌뿐 아니라 신체의 다른 부위까지도 MRI로 진단할 수 있게 되어 유해한 X-선을 대체하게 될 것이다.

이런 응용은 비단 의학에서뿐만 아니라 모든 실생활에서 응용될 수 있다. 예를 들어 초전도 자기 에너지 저장소(Superconduction Magnetic Energy Storage : SMES)는 초전도 코일에 매우 큰 전류가 흐를 때 형성되는 자기장내에 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 에너지원에도 초전도체를 이용한다. 그리고 초전도체를 이용하면 대중교통 수단도 크게 변화하여 서울과 부산을 30분만에 주파하는 자기부상열차를 만들 수 있을 뿐만 아니라 선박에서도 초전도체를 이용해 매우 빠른 속도로 운항할 수 있게 된다. 또 다른 응용분야로는 박막 선재나 조셉슨 소자를 이용한 고속소자, 자기장 및 전압 변화를 정밀하게 측정하는 센서, 열발생 없는 컴퓨터나 반도체의 배선 등이 있다.

국내 초전도체 연구

국내의 여러 초전도 연구팀은 초전도체 합성에서부터 기초연구, 응용연구를 고루 수행하고 있다. 1988년이래 이트륨계ㆍ비스무스계 고온초전도체 단결정, 다결정, 및 박막 등을 합성하는 기술을 축적하였고, 이를 이용하여 초전도체의 전류전송특성과 자기적 성질에 관한 연구를 통하여 초전도체의 메커니즘을 파악하는 노력을 계속하고 있다. 응용 연구 측면에서는 고온초전도 양자간섭소자(SQUID) 등이 개발되었다.

또한 130K 이상에서 초전도 현상을 보이는 수은계 초전도체의 개발에 성공하여 이 분야 연구에 활기를 띄고 있다. 이 수은계초전도체는 지금까지 개발된 고온초전도체 중에서 임계온도가 가장 높으나 그 제조과정이 어렵고 복잡하며 다른 초전도체에 비하여 불안정하다. 국내에서 제조된 시료는 특성이 매우 뛰어나 여러 가지 측정 결과에 의하면 시료의 질이 세계 제일이라고 할 수 있다.

그 동안 이 신비의 물질을 강한 자기장 속에서 측정한 결과 매우 재미있고, 아름답기까지 한 여러 초전도 현상을 발견하였다. 그 중 하나인 새로운 요동현상은 재래식 초전도체에서는 잘 관측되지 않았던 것이므로 고온초전도체의 고유 특성이라 할 수 있다. 이 물질에 대해 공동연구를 하던 중 두 사람은 많은 초전도에 관한 토론을 하였고, 상당히 좋은 연구결과들을 도출하였다. 이 고온초전도 연구에 관한 한 국내의 연구가 세계와 비교할 때 뒤지지 않는다. 더욱더 자랑할 만한 일들은 수은계 초전도체에 관한 국내의 연구업적이다. 위에서 설명한 세계 최고의 특성을 지닌 수은계 초전도체로 우리들이 한 고압에서의 라만 실험이나 자기장내에서의 초전도성 연구는 매우 훌륭한 연구결과라고 인정받고 있다.

고온초전도체의 특성은 현대 물리학의 새로운 개념 등을 활용하여야 설명 가능한 여러 현상들로 이루어져 있어 새로운 물리학 개념들을 만들어내고 있다. 현재 고온초전도체를 연구하는 많은 사람들이 새로운 물리학의 태동을 느끼고 있고, 우리들은 초전도 연구가 "연구하면 할수록 깊고 아름다운 학문"임을 실감하고 있다.

본 역자들은 여러분께 지난 7월에 서울에서 열린 제12차 합성금속 신소재 국제학회에서 폴 추 박사가 한 말을 꼭 들려주고 싶다. "훌륭한 물리학자가 되려면 누구나 예외 없이 일생에 한번 초전도 현상을 연구하여야 한다." 이렇듯 초전도 물리학은 심오한 물리학이라는 학문 중에서도 더욱 심오한 것이다. 만약 자연의 신비를 풀어나가는데 삶을 바치려는 젊은이들이 있다면 꼭 권장하고픈 분야이다.