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초전도체란?

• 전기저항? 0!

초전도체는 전기저항이 없다. 온네스는 헬륨이 액체상태가 되는 극저온에서 금속 수은의 저항을 측정해보았다. 수은의 저항은 온도를 내림에 따라 점점 줄어들었다. 그런데, 4.2 K에서 갑자기 저항이 뚝 떨어져 사라져 버렸다! 처음엔 측정을 잘못했나 의심했다. 그러나, 몇 번씩 실험을 반복해도 똑 같은 온도에서 똑 같은 현상을 볼 수 있었다. 온네스는 이것을 완전히 새로운 현상이라고 결론 내렸다. 이것이 바로 온네스가 1911 년에 발견한 수은의 초전도 현상이다. ‘초전도’는 지금까지의 방식을 초월해서 전기를 전도한다는 의미이다. 갑자기 전기저항이 없어지는 온도를 초전도 임계온도라고 한다.

자기장? NO

초전도체는 자기장을 모두 밀어낸다. 1933년, 마이스너(Walter Meissner)와 오첸펠트(Robert Ochsenfeld)는 임계온도가 4.88 K인 납(Pb)이 초전도상태가 되면서 자기장을 완전히 밀쳐내는 것을 발견했다. 초전도체는 자기 자신 안으로 자기장이 들어오는 것을 허용하지 않는다. 초전도체가 밀어낼 수 있는 최대 자기장이 있어서 그 이상의 자기장이 걸리게 되면, 초전도체는 더 이상 버티지 못하고 자기장이 초전도체 내부로 들어오게 허용하게 되고 더 이상 초전도 상태가 아니게 된다. 초전도체가 견디는 최대자기장을 임계자기장이라 한다.

거시적 양자현상

초전도체는 원자 수준의 미시세계를 다루는 양자역학에서 말하는 ‘터널링(tunneling) 효과’가 거시적으로 일어나는 물질이다. 양자물리학에 의하면 전자와 같은 기초 입자들은 입자의 성질과 파동적 성질을 동시에 갖는다. 고전역학에서는 나누어진 물질 사이를 입자가 오고갈 수 없다. 그러나, 양자역학에서는 입자의 파동적 성질 덕분에 물질을 나누는 장벽을 뚫고 입자가 존재할 수 있는 확률이 생긴다. 이를 터널링 현상이라 하고 이 말은 그 자체가 양자역학적 성질이란 말을 나타낸다. 두 개의 초전도 물질이 일반금속이나 완전히 절연체인 물질로 나누어져 있는 거시적 장치(조셉슨 접합; Josephson junction)에서 초전도체를 나누는 장벽을 가로질러 여전히 전류가 흐른다. 이를 ‘조셉슨 효과’라고 말하며, 자연과학자들은 초전도성을 ‘거시적 양자현상(macroscopic quantum phenomenon)’이라고 한다.

고온초전도체

온네스로부터 시작된 초전도체의 발견과 합성은 주로 금속물질에서 일어났다. 재래식 금속초전도체는 매우 낮은 온도에서만 초전도 상태가 되므로 값비싼 액체헬륨을 써서 냉각시켜야 했다. 그 냉각비용이 너무나 엄청나서 초전도체의 응용가능성이 경제적 가치로 현실화되는 데 많은 장애가 되었다. 1986년, 뮬러와 베르노쯔가 발견한 La2-xBaxCuO4 (LBCO)를 선두로 완전히 새로운 세라믹 초전도체들이 높은 전이온도를 가지기 시작했다. 1987년 1월에 YBa2Cu3O7-δ (YBCO)가 92 K에서 초전도체가 되는 것을 보았다. 믿어지지 않는 온도였다. 그때까지 발견된 새로운 세라믹 초전도체들은 액체헬륨이 아니라 손쉽게 구할 수 있고 값싼 액체질소를 냉매로 쓸 수 있을 만큼 충분히 높은 전이온도를 가진 물질이라 하여 고온초전도체라 부른다.

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.

BCS 이론에 따르면 초전도 현상은 금속이나 그 합금에서만 나타나며, 그 전이온도가 아무리 높아도 25 K를 넘어설 수 없다. 자유전자를 쿠퍼쌍으로 만들어 주는 양이온과의 상호작용 퍼텐셜이 어떠한 경우에도 25 K 보다 더 높은 온도에서 쿠퍼쌍을 유지할 만큼의 크기를 가질 수 없다는 것을 뜻한다. 좀 더 높은 온도에서 초전도성을 보이는 물질을 찾는 것이 많은 과학자들의 꿈이다. 그러나 이 결과는 과학자들에게 초전도 현상에 대해 더 이상의 꿈을 가지지 말라는 금지령과 같았다. 꿈꾸지 말라면 꿈꾸지 않는가? 1986년에 드디어 새로운 도전을 열어주는 실험결과가 발표됐다. 스위스 연구소의 뮐러(Alex Müller)와 베드노르쯔(Georg Bednorz)는 아무도 상상하지 못했던 부서지기 쉬운 세라믹 합성물에서 이전보다 12 K나 높은 온도에서 초전도 현상이 보인다는 사실을 알아냈다. BCS 이론을 넘어서는 순간이었다. 금속이 아닌 세라믹에서 BCS 한계인 25 K 보다 더 높은 온도에서 초전도성을 찾아낸 것이다. 금속이거나 실온에서 어느 정도의 전기전도성을 가지는 금속성 물질만이 초전도체가 된다는 믿음을 뒤집는 하나의 사건이 되었다. 베드노르쯔와 뮐러가 한 것은 합금과 같은 전통적인 초전도 물질을 포기하는 것이었다. 1983년 이후로 두 사람은 산화물에 집중하기 시작했다. 세라믹은 일반적으로 부도체이고 그중 몇 종류는 전기가 통하지만 그 전도성이 제한되어있다는 것이 알려져 있었기 때문에 연구자들이 높은 전이온도를 가질 수 있는 초전도체의 후보로 고려하지 않았던 물질이었다. 새로운 초전도체로 만들어진 물질 역시 실내온도에서는 전기를 잘 통해주는 것은 아니었다. 그들의 산화물은 산소를 포함하는 것 외에도 구리를 포함하고 있고 또 하나 더 희토류 금속을 가지고 있었다. 구리원소가 일반 전기도체보다 강하게 결정과 상호 작용하여 자유전자를 전송하도록 만들 수 있다는 새로운 생각이었다. 화학적으로 안정된 물질을 만들기 위해 두 과학자는 란타늄(La)-구리-산화물에 바륨(Ba)을 더했다. 새로운 초전도 세라믹은 란타늄, 바륨, 구리, 그리고 산소로 이루어진 복잡한 합성물질(La2-xBaxCuO4; LBCO)로 초전도체가 되는 산화구리계 첫 번째 물질로 기록되었고 뮐러와 베드노르쯔에게 1987년 노벨 물리학상을 안겨 주었다. 노벨상 역사상 가장 빠른 시일에 업적을 인정받은 것이었다. 나중에 이 물질이 갖는 실제 전이온도가 58 K라는 것이 밝혀지면서 그 발견의 의미가 더욱 강해졌다. 즉 BCS 이론으로 설명할 수 있느냐를 거론하기 시작한 것이다.

LBCO는 초전도를 연구하는 세계에 일대 광풍을 일으켰다. 전 세계 수백 개의 연구실에서 거의 모든 과학자들이 초전도를 전공했건 그렇지 않건 상관없이 더 높은 전이온도를 얻기 위해 생각할 수 있는 모든 조합으로 세라믹을 구워내기 시작했다. 무엇이든 뒤로 제쳐두지 않았다. 결국 1987년 1월, 미국 알라바마 대학 연구팀은 뮐러와 베드노르쯔의 합성물에서 란타늄(La)을 이트륨(Y)으로 대체해 (YBa2Cu3O7-δ; YBCO) 92 K에서 초전도 현상을 보았다. 믿어지지 않는 온도였다. 그때까지 발견된 재래식 초전도체는 매우 낮은 온도에서만 초전도 상태가 되므로 값비싼 액체헬륨을 써서 냉각시켜야하기 때문에 그 냉각비용이 엄청나서 고도의 정밀 장비 이외에는 이용하기가 어려웠다. 또한 액체헬륨을 제조할 때 필요한 기체헬륨은 원자번호 2번으로 너무 가벼워서 대기 중에는 별로 남아있지 않고 오클라호마지방 근처의 유전에만 존재하고 있기 때문에 에너지 측면이 아닌 또 다른 자원의 유한성이라는 문제를 품고 있었다. 새로운 세라믹 초전도체들은 액체헬륨을 쓰지 않고 손쉽게 구할 수 있고 값싼 액체질소를 냉각물질로 쓸 수 있을 만큼 충분히 높은 전이온도를 가진 물질이라 하여 고온초전도체라 부르게 되었다.

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.

교수님의 고온초전도체의 연구는 신물질합성, 원인규명, 성질(materials, mechanism, property)의 세 분야로 나뉘어 발전해 왔다.

• 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

• 자성초전도체 RNi₂B₂C (R = Y, Ho. Lu, Er)

초전도성은 강자성(ferromagnetic)과 한 물질에서 같이 나타날 수 없다는 가설을 믿어왔다. 그래서 철(Fe)이나 코발트(Co), 니켈(Ni) 같은 강자성을 띠는 전이금속으로는 초전도체를 만들 수 없다고 생각했다. 그건 마치 물과 기름을 섞는 일이었다. 그러나 반전은 한 번 더 일어났다. 1970년대에 쉐브렐 상(Chevrel phase) 물질인 RMo6S8이나 붕화로듐 물질인 RRh4B4이 자성을 띠는 희토류 금속을 가지면 초전도 상태에 있다가 1 K 정도가 되면 초전도성을 잃어버린다는 사실을 발견했지만 물리적 현상이 일어나는 온도영역이 너무 낮고 순수한 물질을 제대로 얻기 어려워 연구에 어려움이 있었다. 쉐브렐 상은 MxMo6X8 구성을 가지는 세 가지 원소로 이루어진 최초의 초전도체로 M은 금속이고 X는 칼코젠(chalcogen)이다. 1971년에 쉐블렐이 그 구조를 밝혔고 1972년에 마티아스(Matthias)가 초전도성을 발견했다. PbMo6S8가 이 상에서 가장 높은 15 K 전이온도를 가진다는 것이 보고 되었고 초고자장을 만드는 데 응용할 수 있는 제3세대 물질로서 그 가능성을 가진다. 나중에 금속자리에 희토류 금속이 들어가면 초전도성과 자성이 공존한다는 것이 발견되었다. 그러나 HoMo6S8(초전도 전이온도 = 1.2 K, 자성온도 = 0.69 K)의 경우처럼 초전도 전이가 일어나는 온도나 자성이 형성되는 온도가 너무 낮아 실험적으로 어려움이 너무 많아 실제적인 초전도성과 자성의 공존과 경쟁에 대한 연구가 큰 진전을 보이지 못했다.

1993년에 인도의 나가라잔과 미국의 카바(Bob Cava)가 합성한 니켈을 기초로 하는 붕탄화초전도체(RNi2B2C)가 R 자리의 원소에 따라 7 K에서 높게는 23 K 까지 전이온도를 가진다는 것을 발견하면서 초전도성과 자성의 공존과 경쟁에 대한 연구가 활기를 띠기 시작했다. 붕탄화초전도체 중 몇 가지는 초전도성과 자성이라는 적들을 함께 묶는 무언가를 가지고 있는 것 같았다. 그것은 분리에 의한 공존이었다. 결정격자구조를 살펴보면 자기이온이 있는 자리가 전기가 흐르는 길에서 비껴나 있다. 이것은 쿠퍼쌍이 자기이온을 우회하는 것이다. 사람이 보기엔 절대로 공존하지 못할 것 같은 물질들이 자연에서는 함께 하는 방법을 찾는다.

특이한 초전도체에 속하는 다른 예가 세륨(Ce), 이터븀(Yb)이나 우라늄(U)같은 악티나이드(actinide) 계열 원소를 포함하는 화합물인 무거운 페르미온(heavy fermion) 물질이다. 무거운 페르미온이라 함은 전도 전자가 일반적인 전자 질량의 수백 배에 이르는 유효질량을 가지는 물질이다. 전자 유효질량이 너무 커서 초전도성을 갖지 못하게 하지만, 많은 무거운 페르미온 화합물이 낮은 온도에서 자성을 띠면서 초전도 전자쌍을 만들어 초전도 전이를 일으키기도 한다. 심지어 UGe2와 URhGe2는 강자성과 초전도성을 동시에 보여준다. 연구결과들은 전자쌍 결합이 전자 스핀의 자기적 상호작용에 의해 일어난다고 제안한다. 세라믹 초전도체와 마찬가지로 전자가 쌍을 이루는 방식이 한가지만은 아니라는 것이다. 자연의 융통성을 볼 수 있는 예다. 사람도 삶의 짝을 찾을 때 중매를 하기도 하고 자유연애를 하는 등 여러 가지 경로를 갖는 것과 비슷하다. 이외에도 초전도체가 되는 특이하고 재미있는 물질들이 많이 있다.

Newly discovered superconducting materials

• 유기초전도체: metal-doped C60

이성익 교수님은 서울대 박영우 교수님과 함께 C60를 기본으로 하는 유기초전도체의 열전도 특성, 전기전도 특성 등을 연구하였다.

금속 물질에 집중하던 초전도 물질 찾기에서 세라믹 물질이 초전도체가 된다는 것이 세계를 놀라게 한 반전이었다면 그에 버금가는 놀라운 물질들이 더 있다. 구조를 디자인했던 풀러(Buckminster Fuller)의 이름을 딴 풀러린(fullerene)이 대표적인데, 풀러는 축구공과 같은 다각형으로 격자를 짜 맞춘 측지선 돔(geodesic dome) 구조를 발명하는 사람이었다. 풀러린은 벅민스터풀러린(buckminsterfullerene)이나 벅키볼(bucky ball)이라고도 불리는데 60개의 탄소원자로 공 모양을 이루는 분자이다.

풀러린에 한두 개의 알칼리 금속을 첨가하면 풀러라이드(fulleride)가 되고 초전도 현상을 보인다. 풀러린의 발견은 1985년에 미국 휴스턴이 있는 라이스 대학(Rice Univ.)의 컬 주니어(Robert F. Curl, Jr.) 교수와 스몰리(Richard E. Smalley) 교수, 그리고 영국 브라이튼에 있는 수섹스 대학(Sussex Univ.)의 크로토(Sir Harold W. Kroto) 교수에 의해 발부리에 걸리듯이 우연히 이루어졌다고 한다. 돌이 우연히 발에 걸리려면 하다못해 길이라도 걸어가야 한다. 방안에 우두커니 앉아 창 밖만 바라본다고 돌이 굴러와 발에 걸려주진 않는다. 풀러린을 발견한 사람들이 만든 실험 장치를 한번이라도 보면 ‘우연히’라는 말이 가진 무성의함을 알 수 있을 것이다. 그들이 연구하고자 의도하진 않았더라도 과학자들의 성의와 열심에 자연이 선물로 준 발견일 것이다.

풀러린이 발견되고 얼마 지나지 않은 1991년에 해든(Robert Haddon)과 미국 벨 연구소(Bell Lab.)가 K3C60에서 18 K의 초전도성을 발견했다고 발표했다. 초전도 풀러라이드의 전이온도는 Na2Rb0.5Cs0.5C60의 8 K에서 Cs3C60의 40 K에 이른다. 2001년 4월에는 공 모양이 아닌 풀러린 구조에서 초전도성이 발견되었다. 홍콩 대학의 중국인 과학자들이 탄소 나노튜브에서 15 K에 가까운 1차원 초전도성을 발견하기도 했다. 풀러린은 유기(organic)초전도체의 범주에 속한다고 볼 수 있다. 유기물질은 세라믹과 마찬가지로 대표적인 부도체이다. 유기물질이 전기를 통하고 심지어 초전도성까지 보인다는 것은 상상하기 어려운 또 다른 자연의 신비를 들여다보는 기쁨이 되었다.

유기 도체는 분자 염(molecular salt)과 폴리머 그리고 순수한 탄소 시스템을 포함한다. 분자 염은 아주 거대한 분자로서 매우 낮은 온도에서 초전도 전이를 하는데 분자초전도체라고도 한다. 분자초전도체의 존재는 1964년 미국 스탠포드 대학의 리틀(Bill Little)에 의해 이론적으로 예측되었지만 1980년에야 덴마크 코펜하겐 대학의 베크하르트(Klaus Bechgaard)와 프랑스 연구팀 제롬(D. Jerome), 마자우드(A. Mazaud), 뤼볼트(M. Ribault)에 의해 첫 번째 유기초전도체 (TMTSF)2PF6가 합성되었다. 유기초전도체는 반도체처럼 전하를 제공해주는 전자-제공자와 전자-수용자의 도움을 받는다.

그 후로 약 50 개의 유기초전도체가 합성되었고 그 전이온도는 아주 낮은 0.4 K에서 12 K에 가까운 온도까지 폭넓게 분포한다. 전이온도가 너무 낮아서 특별한 응용성을 찾지는 못하고 있지만 거대자기저항(Giant MagnetoRsistance; GMR)이라든지 빠른 파동진동(oscillation), 양자 홀 효과(quantum Hall effect) 같은 유기초전도체만의 고유한 특성들 때문에 연구가 계속되고 있다. 1997년에는 (TMTSF)2PF6가 6 T 정도의 자기장에서도 저항을 없애버린다는 것을 발견했다. 통상적으로 그렇게 낮은 전이온도를 가지는 초전도체의 경우 1 T 정도의 자기장에서도 초전도성을 완전히 죽일 수도 있다.

• MgB₂

2001년 1월 일본의 아끼미추 박사에 의해 새로운 초전도체 MgB2가 개발된 이후 전 세계가 이물질에 관심을 가지고 연구에 박차를 가하고 있다. 절대온도 39K(영하 234도)에서 초전도성을 가지는 이물질은 현존하는 어느 초전도체보다도 응용 가능성이 높다. 고온 초전도체는 산화물이기에 돌같이 딱딱하여 전선을 만드는 데는 어려움이 많은데 비하여 MgB2 초전도체는 금속이어서 전선을 만드는 일이 어렵지 않다. 그리고 고온 초전도체는 전선을 만들었을 때 초전도체 내의 알갱이들에 의해 전류가 약해지는 단점이 있는데 이 새로운 물질에서는 이러한 문제점이 전혀 없다. 따라서 임계전류가 현존하는 어느 초전도체보다 크기 때문에 한번에 많은 양의 전류를 흘릴 수 있는 장점이 있다, 예를 들면 지름 1 cm 의 전선에 서울시에서 쓰는 모든 전기를 흘려도 저항이 나타나지 않는다. 고온 초전도 물질의 원료가 거의 중국 본토에서 생산 되는 것에 비하면 마그네슘은 지상뿐 아니라 바닷물에도 함유되어있어 우리 주위에서 쉽게 구할 수 있는 물질이다. 이 새로운 초전도체는 구조도 간단하고 제조과정이 복잡하지 않고, 외부환경에 의해 초전도성이 저하되는 등의 문제가 없어 한번 만들어놓으면 반영구적으로 쓸 수 있다. 또한 이제까지의 초전도물질보다 초전도 전이온도가 높아서 이 정도의 온도라면 액체헬륨을 쓰지 않고 단순한 저온 냉동장치를 이용하여도 충분히 온도를 낮출 수 있기 때문에 그 응용이 무궁무진하다. 아마도 앞으로의 초전도 응용은 이 물질에 의해 실현될 것 이다.

이성익 교수팀은 2001 년 2월 초에 절대온도 39K(영하 234도)에서 초전도 기능을 지닌 새로운 초전도 MgB2 제조 연구에 착수하여 섭씨 850-1000도, 3만 기압 하에서 'MgB2 고온 고압 시료를 세계 최초로 합성하여 초전도 성질을 대폭적으로 향상시켰다. 당시만 하더라도 전 세계에서는 온도만을 가하여 이 물질을 제조 했기에 이 물질은 연탄재나 모래알처럼 매우 약하였고, 따라서 초전도의 다양한 성질을 측정하는데 많은 어려움이 있었다. 이성익 연구팀이 제조한 고온 고압 재료는 밀도가 100%로서 시료 내에 빈 공간이 전혀 없을 뿐 아니라 다이아몬드를 만들 수 있는 극한 상황에서 만들어져 매우 단단하여, 따라서 그 당시까지 이 물질이 가지고 있던 단점을 한번에 제거할 수 있었다. 이 시료를 이용하여 초전도의 다양한 성질들을 세계 최초로 측정할 수가 있었고, 국내의 연구 결과로 세계를 주도하는 좋은 연구 논문들을 발표할 수가 있었다. 이러한 연구가 가능하였던 이유로는 초전도연구단팀에서 정창욱 교수(현 한국외국어대학교 물리학과)와 함께 2년 반의 필사적인 노력 끝에 가동 시킨 국내 유일의 연구용 육팔면체 고압 고온 시료 제조 장치 덕분 이었다.

이성익교수 연구팀은 여세를 몰아 자신의 연구실에서 새롭게 개발한 레이저 박막 제조 장치를 이용, 초고속 슈퍼컴퓨터, 마이크로파 통신, 뇌파 측정 장치 등의 개발에 쓰일 수 있는 세계 최고의 MgB2 (마그네슘 다이보라이드, 이 붕소 마그네슘) 초전도 박막을 세계 최초로 제작하는데 성공하여 초전도 연구의 새로운 전환점을 제공하였다. 이미 미국, 일본, 유럽의 수백 개가 넘는 유수한 대학, 국립연구소, 기업 연구소에서 초전도 응용의 기본인 초전도 박막화를 위한 연구에 돌입하여 피나는 경쟁을 벌인 결과, 결국 포항공과대학교 초전도연구단이 세계 최초, 최고의 MgB2 (Tc=39K) 박막 제조에 성공하였다.

2001년 4월 13일 Science지는 이 소식을 세계 주요 언론에 보도하였다. 이 보도 자료에 의하면 이번에 제조된 MgB2 초전도 박막은 저항 없이 막대한 전류를 보낼 수 있을 뿐 아니라, 그 전이 온도 또한 세계 최고임을 자랑하고 있다. 이 온도라면 액체헬륨을 사용하지 않고도 특수 제작된 저온 냉동 장치에서 초전도가 형성될 수 있어 다양한 응용이 가능하다. 초전도현상은 일정한 조건에서 전기가 흐를 때 저항이 영(0옴)이 되는 것을 말한다. 지금까지 금속 초전도체 중 가장 높은 초전도 전이온도는 절대 온도 20도 정도 밖에 되지 않아 냉각 비용이 많이 들고 초전도 상태를 유지 하는데 어려움이 있어 과학자들은 좀더 높은 온도에서 초전도성을 보이는 금속을 개발하는데 노력을 기울여 왔다. 이번의 새로운 금속 초전도체는 기존의 금속 초전도체 보다 두 배에 가까운 온도에서 초전도성을 보이고 있다. 이 science 논문은 발표 된지 2년 정도가 지났을 즈음 인용횟수가 100 여 편이 넘는 등, MgB2 박막 연구의 고전이 되고 있다.

이후 2001 년 3월 전 세계에서 아무도 성공을 하지 못하였고 이 분야의 권위자들조차 불가능이라고 생각하였던 MgB2 단결정화에 도전을 하였다. 다시 세계 최초로 MgB2 단결정화에 성공을 거두게 되었고, 이후 이 물질의 새로운 초전도 연구에 도전, 여러 획기적인 연구 결과를 도출하게 되었다. 연구팀은 새로운 초전도 물질의 고온 ․고압 합성, 박막화, 단결정화의 세 분야 모두를 세계 최초로 개발하는 쾌거를 이루게 된다.

초전도연구단에서 개발된 세 가지 시료 중 가장 뛰어난 것은 초전도 박막으로, 절대온도 4K때 저항이 생기지 않으면서 최대로 흐를 수 있는 전류도 타의 추종을 불허, 본 연구팀의 박막이 세계 최고 수준인 것으로 확인되었다. 이 초전도 박막은 현존하는 어떤 초전도체 보다 초전도 전류를 많이 흘릴 수 있는 장점이 있다. 현재까지 전기를 1 cm2에 사천만 암페어를 흘려도 저항이 나타나지 않는다는 사실이 알려져 있다. 현재 두께가 500 내지 10000 옹스트롬 (1 옹스트롬 은 1억분의 1cm) 정도의 초전도 박막을 주로 제조하고 있는데, 이 초전도 박막은 초전도를 이용한 전자 소자 응용에 결정적인 역할을 할 것이다.

1. W. N. Kang, Hyeong-Jin Kim, Eun-Mi Choi, C. U. Jung, and Sung-Ik Lee, Science 292, 1521-1523 (2001). "MgB2 Superconducting Thin Films with a Transition Temperature of 39 Kelvin." (Science Magazine)

• MgCNi₃
• Fe-contained: SrFe₁₂O₁₉, BaFe_1.8Co_0.2As₂, SrFe₂As₂

Magentic properties of Superconductors

물질은 온도나 압력과 같은 외부의 물리적 조건에 따라 그 상태를 바꾼다. 물을 끓이면 수증기가 되고 0 ℃ 이하의 낮은 온도에 두면 얼음이 되는 것과 같이 액체, 기체, 고체 등으로 상태를 바꾸기도 하고 그 물리적 성질이 완전히 달라지기도 한다. 초전도체도 금속과 같은 성질을 띠다가 특정한 온도(임계 또는 전이온도)보다 낮으면 저항이 완전히 사라지고 내부에 자기장이 존재하지 못하도록 하는 초전도 상태가 된다. 초전도체가 되는 물질은 금속, 유기물질, 세라믹 등에서 1천종 이상이 발견되었고 자기장에 대한 반응에 따라 크게 두 가지 종류로 나뉜다.

• 자기반발과 자기차폐

정상 상태의 물질에 온도를 내려 자기장을 밀어내는 자기반발(magnetic expel) 효과와 초전도 상태에서 자기장을 걸어주었을 때 초전도체 내부로 자기장을 들어오지 못하게 하는 자기차폐(magnetic screening) 효과가 동일하면 제1종 초전도체라 하고 아니면 제2종 초전도체라 한다. 자기 반발과 자기 차폐 현상을 간단한 실험을 통해 보여줄 수 있다. 자기장을 걸어줄 수 있는 저온장치에 초전도체 시료를 넣고 전이온도보다 높은 온도에서 자기장을 만들어 준 다음 전이온도 이하로 온도를 내려 초전도 상태를 만들면서 자기 모멘트를 측정하면 내부에 있던 자기장을 얼마나 밀어내는가를 볼 수 있고 자기반발효과를 실험해 볼 수 있다. 이것을 자기냉각(field-cooling)이라한다. 다시 전이온도보다 높은 온도로 올린 다음, 자기장을 꺼두고 초전도체를 전이온도 이하로 냉각시킨 후에 자기장을 걸어 자기모멘트를 측정하면 바깥의 자기장이 안으로 들어오지 못하게 하는 능력인 자기차폐효과를 볼 수 있다. 이것을 무자기냉각(zero-field-cooling)이라한다. 새로운 초전도체가 발견되면 제일 먼저 이 초전도체가 1 종인지 2 종인지 알아야 한다.

제1종 초전도체는 자기장에 대해 완벽한 마이스너 상태를 만들어 자기장을 점점 크게 하여 임계자기장이 될 때까지는 무조건 자기장을 들어오지 못하게 차폐를 시키고 다시 자기장을 작게 하면 자기장을 완전히 밀어내어 자기차폐와 자기반발이 똑같은 효과를 낸다. 반면에, 제2종 초전도체는 두 가지 임계자기장이 존재하여 첫 번째 임계자기장보다 작은 자기장에서는 제1종과 같이 완벽한 마이스너 상태를 이루지만 첫 번째 임계자기장 보다 더 큰 자기장이 걸리면 두 번째 임계자기장이 될 때까지는 자기장이 초전도체 내부에 들어오는 것을 일부 허용하여 혼합 상태를 만든다. 이 때 초전도성이 상대적으로 약하게 형성된 불순물이나 격자결함이 있는 지역이 정상상태가 되어 자기장을 잡고 있는 힘으로 작용하여 자기장을 다시 줄이더라도 자기반발효과를 제대로 낼 수 없게 하고 이 때문에 자기냉각과 무자기냉각에 대해 비가역적인 반응을 보인다.

• 제1종-완벽한 마이스너 상태

제1종 초전도체(연질-soft-초전도체)는 주로 실온에서 전도성이 좋은 금속원소나 금속합금으로 BCS 이론으로 잘 설명이 된다. 제일 처음 발견된 수은도 제1종 초전도체이고 아주 낮은 온도에서 초전도체가 된다. 제1종 초전도체는 초전도 전이가 아주 급하게 일어나고 완벽한 반자성을 보인다. 가장 좋은 도체 세 가지는 은과 구리, 그리고 금인데, 은과 금은 귀금속이기 때문에 특수 목적에만 쓰이고 일반 전선에는 구리를 주로 쓴다. 그런데 특이하게도 이 세 가지 도체는 초전도 물질로 언급되지 않는다. 그 이유는 물질의 격자구조와 관련이 있다. 은과 구리, 금은 공통적으로 원자 한 개에 한 개의 자유전자를 내놓아서 비교적 양이온에 헐렁하게 구속되어 전류를 쉽게 운반할 수 있다. 그래서 아주 좋은 도체가 되지만, 초전도체가 되기 위해서는 자유전자가 쌍을 맺어야 한다. BCS 이론으로 설명이 되는 초전도체들은 쌍을 맺어주는 역할을 양이온의 진동에 의한 소리알(phonon)이 하고 있지만, 은과 구리, 금은 면입방(Face-Centered Cubic; FCC)의 빽빽하게 쌓여진 단위격자 구조로 FCC 단위격자 안의 원자들이 너무 빈틈없이 쌓여있기 때문에 전자쌍을 이루는 기본인 격자진동을 제한하여 초전도성을 갖기 어렵다. 간혹 FCC 구조를 가지고 초전도체가 되는 물질이 있다. 탄성계수가 아주 좋은 물질이거나 또는 다른 물리적인 요소의 도움으로 전자가 쌍을 맺는 경우가 있다. 많은 금속원소들이 아주 높은 압력을 가해주면 초전도체가 되는 경우가 있는데, 제1종 초전도체로서 가장 높은 전이온도를 가지는 리튬이 그렇다. 리튬은 대기압에서는 5 mK(10-3 K) 이하로 온도를 내려도 초전도성을 전혀 보이지 않다가 300000 기압이 되면 초전도성이 나타나기 시작해서 48000 기압에서는 전이온도가 20 K에 다다르는 것으로 2002년에 밝혀졌다.

• 제2종-혼합 상태

금속 화합물이나 합금, 그리고 페롭스카이트(perovskite) 구조를 갖는 산화금속 세라믹 물질들은 제2종 초전도체에 속한다. 제2종 초전도체는 제1종 초전도체가 급격한 초전도 전이를 일으키는 것과는 달리 정상상태에서 초전도 상태로 갈 때 혼합 상태의 영역을 거쳐 점진적으로 이루어진다. 첫 번째 제2종 초전도 화합물은 납(Pb)과 비스무스(Bi)의 합금으로 1930년에 드하스(W. de Haas)와 부흐드(J. Voogd)에 의해 만들어졌다. 그들이 마이스너 효과를 발견한후 오랜 시간이 지난 후에야 제2종의 특성이 있다는 것을 알게 되었다. 초전도체의 새로운 범주를 밝힌 것은 수브니코프(L.V. Shubnikov)였다. 1936년 우크라이나의 크하르코프 과학기술원(Kharkov Institute of Science and Technology)에서 PbTl2가 두 개의 임계자기장을 가진다는 것을 발견했다. 제2종 초전도체는 일반적으로 제1종 초전도체보다 높은 전이온도를 가진다.

세라믹 고온초전도체가 발견되기 전까지 20 K 이상의 초전도 전이온도를 가지는 제2종 초전도물질은 A15형 구조를 가진 화합물이었다. 두 가지의 원소로 만들어진 A3B 형태의 화학식을 가지는 물질로 A는 주로 전이금속이고 B는 전이금속일 수도 있고 아닐 수도 있다. A15 합성물에 대한 관심은 1953년 하디(Hardy)와 훌룸(Hulm)에 의한 전이온도가 17 K인 V3Si와 전이온도 18 K인 Nb3Sn의 발견과 함께 시작되었다. A15형의 물질 중에서 가장 높은 전이온도를 가지는 물질은 1974년에 가발러(Gavaler)가 스퍼터링(sputtering) 방법으로 만든 Nb3Ge 박막으로 23 K에서 초전도 전이를 일으킨다. 1991년까지 70가지의 A15 물질이 발견되었고 스퍼터링 방법이나 CVD(Chemical Vapor Deposition; 화학증기증착법) 또는 고압, 급냉 방식으로 만들어졌다. A15 물질이 화학적 안정성 때문에 Nb3Al30.8Ge0.2처럼 세 가지 원소를 가지기도 하지만 그것은 한 가지 원소를 일부 치환한 형태를 가지는 것이고 완전히 세 가지로 된 A15 물질이 보고 된 적은 지금까지 없다. A15 물질이 관심을 받는 것은 기술적 응용성에 있어서 중요한 역할을 하기 때문이다. 이 제2종 초전도체는 높은 자기장을 형성하는 초전도자석을 만드는 데 중요한 두 가지 필요조건인 높은 임계전류와 임계자기장을 가진다. Nb3Sn은 0 K에서 자기장이 28 T가 걸릴 때까지 초전도성을 유지하기 때문에 20.7 T 정도까지의 자기장을 내는 실험실용 초전도자석을 만들 수 있고 더 나아가 핵융합 장치에 들어가는 초전도자석의 재료로 사용된다. 특히 니오븀(Nb)를 기초로 하는 세 가지 A15 물질(23 K-Nb3Ge, 20.7 K-Nb3Ga, 19.1 K-Nb3Al)은 금속성 초전도체 중에서 가장 높은 전이온도를 보인다.

1985년까지 최고의 전이온도가 23 K이었던 것을 고려하면 대표적인 제2종 초전도체인 산화구리계 초전도가 보여준 전이온도의 상승은 놀랄만한 것임이 분명하다. 높은 전이온도를 이루는 메커니즘이 완전히 이해되지 않았지만, 격자구조 안에 평면구조를 가지는 것과 관련이 있지 않나 하기도 하고 또는 전하저장소(charge reservoir)에 속한 전자가 모자라는 산소에서 만들어진 양공(hole)의 특성에 책임이 있을 수도 있다고 제안하기도 한다. 어떤 이론은 산화구리 초전도체로 도달할 수 있는 최대 전이온도는 200 K이라고 주장하기도 하고 어떤 이론은 한계가 없다고도 하지만, 분명한 것은 더 상승적인 화합물이 발견되길 기다리고 있다.

제2종 초전도체의 혼합 상태는 자기장이 초전도체를 이기고 들어가 있는 자기 소용돌이(magnetic vortex)를 가지고 있다. 자기 소용돌이는 중심이 정상상태이며 자속양자(magnetic flux quantum) 단위의 자기장을 가지고 자기적 상호작용에 의해 자속선 격자(flux line lattice; FLL)를 형성한다는 것을 아브리코소프(A.A. Abrikosov)가 1957년에 알아냈으며 그 존재는 1964년에 크리비에(Cribier)와 그 동료들이 처음으로 확인했다. 고온초전도체의 FLL은 감멜(Gammel)에 의해 1987년에 YBCO에서 관측되었다. 자속선에 작용하는 전류의 세기가 임계전류밀도와 상관이 있다. 중심이 정상상태인 자속선이 전류에 의해 로렌쯔 힘(Lorentz force)을 받아 움직이게 되면 저항이 생긴다. 그러므로 임의로 초전도체 안에 자속선을 잡아주는 쐐기 포텐셜(pinning potential)을 만들어 자속선을 움직이지 못하게 함으로써 임계전류밀도를 높이기도 한다. 결정격자가 지역적으로 변형된 것이나 물질에 불순물이 들어간 곳이 쐐기 포텐셜로 작용한다. 최근에는 강한 에너지를 가지는 양성자를 쏘아서 원통형으로 초전도성이 깨진 자리를 만들어서 아주 강한 쐐기 포텐셜로 만들어 주기도 한다.

• Vortex Structure
• Vortex Dynamics

1/f Noise properties of Superconductors

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.

1. 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)
2. 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)
3. 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.

1. 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)
2. 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)
3. 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)
4. 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)
5. 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) 
6. 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)