주요 연구분야

초전도 연구의 의미

인간은 호모 사피엔스와 호모 파브르라는 자신의 특성을 가장 절묘하게 결합시켜 과학기술을 발전시켰고, 인간 사회의 생활구조를 완전히 바꾸었다. 물론 그 전에도 있어 왔지만, 20세기가 지나면서 과학기술이 인간에게 보여준 장밋빛 청사진과 그 놀라운 실현은 사람의 눈을 멀게 하기에 충분한 놀라움 그 자체였다. 사람이 자연을 헤집고 들어가 알아내고 맞춰내는 퍼즐을 즐기던 지난 100여 년 동안, 과학은 개인의 삶에 깊숙이 침투해 들어가 생활의 패턴과 리듬을 바꾸었었고, 생산, 수송 그리고 통신을 혁신시켰고, 따라서 세계를 유기적으로 연계시켰다. 게다가 최근 발전한 인터넷에 의한 정보기기의 보급으로 공간과 시간의 경계마저 흐려지는 대 혁명의 시대에 도달하게 되었다. 과학과 기술이 단순한 문명의 이기라는 역할에서 정치와 사회문화, 그리고 사상의 변화까지 관할하게 되었을 뿐 아니라, 한 나라나 대륙에 국한된 지역적 변화가 세계적 변동을 일으키는 카오스 특성을 가질 수가 있게 되었다. 또한 다른 지역의 문화를 쉽게 접할 수가 있게 되었고, 따라서 지구 반대편에 있는 인간에 대한 이해의 폭이 넓어짐으로써 자유나 평등과 같은 보편적 가치관을 공유하게 되었고 인식의 전환을 쉽게 이룰 수가 있었다. 또한 개인으로부터 사회로 나아가는 소통이 원활해지고 참여가 수월해지면서 정치적으로도 민주주의의 발전을 확대하기에 이르렀다. 물론 이러한 좋은 점도 있지만, 이에 못지않은 문제점들을 과학이 제공한 것도 사실이다.

• 유한자원과 환경보전

한편으로 과학과 기술이 발전하면서 인간은 ‘유한성’과 ‘보존성’을 다시 생각하게 되었다. 이러한 속도의 발전은 인간이 멀지 않는 미래의 상황조차 가히 상상하기 힘들게 만들어, 우리는 두려움 속에서 떨게 된다. 석유나 천연가스와 같은 화석연료에 대한 심각한 의존성에서부터 제기되는 정치적, 경제적 위협은 이미 인류 공통의 세계적인 문제이다. 다양한 기능으로 사람을 무한히 편리하게 만들어 주는 수많은 기계와 전자제품은 에너지 없이는 쓸모없는 고철이 되고 만다. 따라서 새로운 에너지원을 결국은 우리가 만들어 내야하는 것이다. 이에 유한한 자원을 이용하여 새로운 에너지원을 개발하고, 생산된 에너지를 가장 효율적으로 관리하고 사용할 수 있는 방법을 찾아내는 일이 매우 중요하게 대두되었다. 또 다른 심각한 문제는 인간에 의해 임의로 조절되고 뒤바뀌고 망가져 가는 지구환경을 보존하지 않고는 인류 역시 생존을 할 수 없다는 것이다. 더 이상 마구잡이로 이루어지는 지구자원의 소비나 눈앞의 경제성만을 추구하는 지구환경 훼손을 인류는 더 이상 방치 할 수는 없게 되었다. 이미 기후의 변화는 지구의 큰 재앙으로 우리에게 다가오고 있다. 이에 미래, 자연과 환경을 동시에 생각하면서 ‘지속가능한 발전’이라는 시대적 요구에 부응하는 과학적 해법의 하나가 초전도체이다.

• 초전도체 솔루션

초전도 현상을 나타내는 물질을 찾아 나선 과학자들은 언제나 아니다 라고 생각한 곳에서 뜻하지 않은 큰 발견을 해왔고, 반전의 카타르시스를 느껴왔다. 뒤집기 한판이 계속 이어진 것이다. 과학의 발전에는 이론도 있고 실험도 있다. 이론적으로 아니다 라고 예측한 곳에서 뜻밖의 실험 결과가 나오곤 하였다. 이론적 예측에 따라 새로운 초전도의 사냥에 나섰다가, 이론과는 전혀 다른 곳에서 초전도를 발견하고는, 다시 새로운 패러다임을 만들어 내곤 하였다. 금속에서의 초전도체 현상을 설명하고 노벨상을 받은 BCS 이론과는 전혀 다른 부도체인 산화물을 기초로 하는 세라믹에서 초전도체가 발견이 되자 과학자들은 경악을 금치 못했다. 그것만이 아니다. 초전도체와 강한 자석물질이 같이 있을 수 없다는 깨지지 않을 것 같던 통념을 박살내면서 강자성 물질인 니켈을 가진 초전도체가 우리에게 모습을 드러내었고, 부도체일 뿐이던 유기물이 도체가 되고 심지어 초전도체가 되었다. 자연은 사람의 상상과 예측을 언제나, 항상, 늘, 뛰어 넘는다. 21세기를 시작하면서 가지는 화두인 지속가능한 발전의 핵심으로 자리하고 있는 에너지와 환경문제에 다가가면서 자연을 이해하는 학문인 과학이 제시하는 돌파구를 찾아 나서야한다. 초전도체는 가까운 미래의 희망 찬 세상을 위한 핵심적인 위치에 존재하고 있다.

High-Tc Cuprate Superconductors

1986년 봄에 스위스에 위치한 IBM 연구소의 베드노쯔와 뮐러는 섭씨 영하 243도(30K)에서 전기저항이 사라지는 새로운 초전도 물질을 발견하였다. 그들의 발견이 얼마나 놀라운 것인가는 스웨덴의 노벨상 위원회가 바로 다음해인 87년에 그들에게 노벨상을 수상한 사실만 보아도 알 수있다. 1987년에 전 세계에서 물리학을 좀 한다는 사람치고 고온초전도체에 발을 들이지 않은 사람이 없을 정도였다. 교수님은 광풍이 지나고도 여전히 초전도 물리학의 진수를 알기위해 끝까지 연구를 계속 해 온 몇 안되는 우리나라의 과학자였다. 교수님은 초전도체를 만난 것이 "Once in a life chance"라고 느꼈다고 하셨다. 물리학을 하면서 초전도 공부를 해 보지 않는 것은 진정한 물리학의 맛을 모르는 불행이라고 하셨다.

• 123 Cuprate perovskites: La1Ba2Cu3O9-x, Hg1Ba2Cu3O9-x, Er1Ba2Cu3O9-x, Pr1Ba2Cu3O9-x

이 계열의 물질은 대부분 미국 오하이오 대학에서 박사후과정을 하시면서 연구하셨던 물질들이다. 초창기 초전도체 연구는 주로 고온초전도체를 중심으로 이루어졌다. 초전도체로 알려진 물질의 합성을 재현할 줄 아는 기술을 확보하는 것이 가장 중요했다. 그리고 고온초전도성을 보이는 구조에 어떤 물질을 넣으면 전이온도가 얼마나 변하는지, 초전도성이 보이는지 보이지 않는지 하는 것을 점검하는 것이 주를 이루었다. 같은 123 Cuprate perovskites 구조를 가지는 물질이라도 Pr 이 들어간 구조에서는 초전도 전이가 일어나지 않는다.

• YBCO123(Y1Ba2Cu3O7-x)

포스텍 연구시절 초창기에 집중적으로 연구하던 물질 중의 하나이다. 이 물질로는 전기전도도의 요동현상을 주로 연구했었다. 고온초전도체로 판명된 물질들이 공통으로 가지는 perovskite 구조의 특성과 고온 상전이와의 관계를 캐내는 문제를 중요하게 생각했다. 일반금속특성에서 초전도특성으로 상전이를 하는 과정에서 보이는 전기전도도의 전이특성곡선을 분석하여 물질의 전도 메커니즘이 가지는 차원 특성을 분석할 수 있다.

• BSCCO(Bi2Sr2Ca1Cu2Ox)

1988년에 포스텍이 초전도체 합성 성공으로 신문에 난 것이 바로 이성익교수님 연구실의 업적이다. 상당히 2차원적인 특성을 가지는 물질이다. 초전도체를 제조하던 화로가 있던 작은 실험실의 열기가 교수님의 열정을 따라잡지 못했던 것 같다. 이 물질로는 주로 초전도체의 1/f 잡음특성을 연구하였다. 첫 박사학위 제자인 한규현(스웨덴) 박사가 박사학위 주제로 이 분야를 연구하였다.

• TBCCO(Tl2Ba2CaCu2O8)

• HBCCO(HgBa2Ca2Cu3O8)

1994년에 까레이스키의 후손인 세르게이 리 박사가 러시아에서 모스크바대학에서 화학을 전공하여 박사학위를 받은 후 자매결연대학인 포스텍으로 박사후과정으로 오면서 교수님의 연구실로 왔다. 세르게이 리 박사가 그 즈음 한창 최고의 전이온도를 기록하던 수은계 고온초전도체의 단일상을 세계에서 처음으로 합성하였다. 사실, 이 물질이 교수님이 초전도연구단을 이끄시기 전 한단계 도약을 이끈 중요한 기제가 되었다. 세계 누구도 가지고 있지 않은 세계최고의 전이온도를 가지는 순수한 물질을 가진 우리는 마음껏 이 물질의 초전도 특성을 탐구해볼 수 있었다. 문미옥(엠미오창의력전파소 소장), 최만수(고려대 물리학과), 김문석(한국표준연구원), 배명광(삼성전자), 최재혁(한국표준연구원) 등의 학생들은 그 무궁무진한 초전도 자성 연구의 진면목을 맛 본 행운아들이었다.

• Infinite layer: Sr0.9La0.1CuO2

Intermetallic Superconductors

• RNi2B2C(R = Y, Ho. Lu, Er)

Newly discovered superconducting materials

• metal-doped C60

• MgB2

See also the Wikipedia article.

• MgCNi3
• Fe-contained: SrFe12O19, BaFe1.8Co0.2As2, SrFe2As2

Magentic properties of Superconductors

• Vortex Structure
• Vortex Dynamics

Percolation

박사후 연구과정을 하면서 초전도체 연구에 뛰어들기 바로 전에 하셨던 연구분야가 Percolation 이다. 1987년 2학기에 POSTECH에 부임하셔서도 계속 이 주제를 연구하셨다. 비교적 쉬운 셋업으로도 물리학 연구의 기초현상인 상전이(phase transition)의 스케일링 이론을 검증할 수 있어서 중요한 연구대상이었다. 특히, 학부학생을 위한 연구참여 실험으로 좋은 시스템이었다. 이성익 교수님은 당시 학부생이었던 염계희(현 삼성전자 부장), 박병준(현 충주대 교수), 유현석(현 삼성** 00) 등과 함께 Swiss Cheese System 등 다양한 percolation system을 연구하였다. 이 연구로 염계희는 학부생으로 한국물리학회에서 논문을 구두발표할 수 있는 기회를 얻었고, 박병준은 정식논문집에 논문을 싣고 학부생의 우수한 연구에 주는 상을 받기도 했다. 여전히 재미있는 연구분야이다.

• Tae Won Noh, Sung-Ik Lee, Yi Song and *J. R. Gaines, A New Experimental Approach to Two Dimensional Percolation, Physics Letters A 114, 207 (1986/2/17)

• Sung-Ik Lee, Yi Song, Tae Won Noh, X. D. Chen and *J. R. Gaines, Experimental observation of the non-universal behavior of the conductivity exponent for three-dimensional continuum percolation systems, Phys. Rev. B 34, 6719 (1986/11/15)

• Tae Won Noh, Yi Song, Sung-Ik Lee, *J. R. Gaines, Hee Dong Park and Eric R. Kreidler, Percolation effects in the optical properties of Ni-MgO composites, Phys. Rev. B 33, 3793 (1986/3/15) 

Optical properties of small particles

박사학위 연구주제였다. 사실 교수님께서 초전도 분야로 뛰어들게 중요한 이유이기도 하다. 왜냐하면, 노태원교수님(서울대 물리학과)과 함께 이 분야의 난제들을 평정해버렸다고 하셨다. 전공분야가 더 이상 파고들 여지가 없어져버려 새로운 문제를 찾고 있던 교수님 앞에 1987년의 고온초전도체의 광풍이 불어 닥쳤던 것이다.

• Tae Won Noh, Sung-Ik Lee, Yi Song and *J. R. Gaines, Temperature dependent far-infrared absorption of silver smoke, Phys. Rev. B 34, 2882 (1986/8/15)

• Sung-Ik Lee, Tae Won Noh, John Golben and *J. R. Gaines, Effect of an oxide coating on the infrared and visible absorption of small silver particles, Phys. Rev. B 33, 5844 (1986/4/15)

• Tae Won Noh, Sung-Ik Lee and *J. R. Gaines, Temperature dependent far-infrared absorption of a metal-insulator composite, Phys. Rev. B 33, 1401 (1986/1/15)

• Yi Song, Tae Won Noh, Sung-Ik Lee and *J.R. Gaines, Experimental study of the three dimensional AC conductivity and dielectric constant of a conductor-insulator composite near the percolation threshold, Phys. Rev. B 33, 904 (1986/1/15)

• Sung-Ik Lee, Tae Won Noh and *J. R. Gaines, Effect of an oxide layer on the far-infrared absorption of small silver particles, Phys. Rev. B 32, 3580 (1985/9/15) 

• Sung-Ik Lee, Tae Won Noh, Kevin Cummings and *J. R. Gaines, Far-Infrared Absorption of Silver-Particle Composites, Phys. Rev. Lett. 55, 1626 (1985/10/7)