초전도체

초전도체는 무엇인가요

특정 온도 이하가 되면 전기 저항이 0이 되는 물질을 초전도체라고 해요. 임계 온도 밑에서 금속, 합금, 반도체 또는 유기 화합물의 전기 저항이 0이 되어 전류가 장애 없이 흐르고, 외부 자기장과 반대 방향의 자기장을 만드는 반자성을 띠어요.

일반 도체인 구리는 불순물이나 결함 때문에 절대영도 근처에서도 저항이 0이 되지 않아요. 반면 초전도체의 저항은 임계 온도를 지나는 순간 갑자기 0으로 떨어져요. 초전도 전선으로 만든 고리에 흐르는 전류는 전원 없이도 계속 흐를 수 있고, 실험에서 초전도 코일은 전류를 측정 가능한 감소 없이 몇 년씩 유지했어요. 위키데이터는 초전도체를 전기 저항이 0이 되는 현상으로 설명해요.

초전도체는 임계 온도와 마이스너 효과로 어떻게 설명하나요

임계 온도는 물질마다 달라요. 고온 초전도체가 아닌 일반 초전도체는 보통 20K에서 1K 이하까지이고 고체 수은은 4.2K예요. 2001년에 발견된 이붕화 마그네슘의 39K가 일반 초전도체 중 가장 높은 임계 온도예요. 구리계 초전도체는 훨씬 높아서 YBa2Cu3O7이 92K이고 수은을 포함한 구리계는 130K을 넘는 것도 있어요.

임계 온도는 고정된 값이 아니에요. 초전도체가 자기장 속에 있거나 전류가 흐르면 임계 온도가 더 낮아져요. 그래서 임계 온도가 높다고 해서 무조건 좋은 초전도체라고 할 수 없고, 자기장 안에서 임계 온도가 크게 낮아지면 쓰기 어려워요. 초전도체는 기계적으로나 열적으로 다루기 어려운 특성도 많아서, 실용화하려면 여러 분야가 합쳐진 기술이 필요해요.

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마이스너 효과란 무엇인가요

초전도체를 약한 외부 자기장 안에 놓으면 자기장은 초전도체를 완전히 투과하지 못하고 런던 투과 깊이라는 얇은 두께까지만 들어가요. 대부분의 초전도체에서 이 깊이는 100nm 정도예요. 이를 마이스너 효과라고 하며 초전도체의 중요한 성질이에요.

이것은 이상적인 도체의 반자성과 달라요. 이상적인 도체는 변화하는 자기장에서 생기는 유도 전류가 외부 자기장을 상쇄해서 렌츠의 법칙을 따르지만, 초전도체는 자기장이 변하든 변하지 않든 모든 자기장을 밀쳐내요. 물질이 임계 온도 밑으로 식을 때 내부 자기장이 갑자기 밀려나는 현상은 렌츠의 법칙과 상관이 없어요. 마이스너 효과는 프리츠 런던과 하인츠 런던 형제가 이론적으로 설명했어요.

초전도체에는 어떤 종류가 있고 대표적인 예시는 무엇인가요

자기장의 특성에 따라 제1종 초전도체와 제2종 초전도체로 나눠요. 제1종은 자기장이 들어가지 못하고, 제2종은 자기장이 침투하면서도 초전도성을 유지해요. 제2종 초전도체는 합금과 화합물이 해당하고 고온 초전도체를 포함해요.

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제2종 초전도체는 초전도 상전이 근처에서 전류가 강한 자기장과 함께 가해지면 아주 작은 저항을 보일 수 있어요. 전자 초유체의 소용돌이(vortex) 때문인데, 소용돌이가 고정되면 저항이 0이 돼요. 초전도 상태가 나타날 때는 비열이 갑자기 뛰어오르는 식으로 여러 물리량이 갑자기 변하고, 이는 띠틈이 있다는 증거예요.

초전도는 다양한 종류의 물질에서 나타나는데, 주석이나 알루미늄 같은 한 가지 원소로 된 물질, 여러 금속 합금, 도핑된 세라믹에서 나타나요. 금이나 은 같은 귀금속이나 순수한 강자성 금속에서는 나타나지 않아요.

초전도체 발견의 역사는 어떻게 되나요

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초전도 현상 연구에 대해 1913년, 1972년, 1973년, 1987년, 2003년 등 다섯 차례 노벨상이 수여됐어요. 고온 초전도체의 발견 이후 더 높은 온도에서 초전도가 되는 물질을 찾는 경쟁이 시작돼 세계적 관심을 모았어요. 고온 초전도체는 일반 이론으로 설명되지 않는 점이 있어서 연구 주제로 다시 주목받았어요.

초전도체는 생활 속에서 어디에 쓰이나요

현재 실용화된 초전도 기기는 모두 저온 초전도체로 만들어요. 병원의 MRI(자기공명영상), 아주 약한 자기장을 재는 SQUID, 입자가속기가 대표적이에요. 초전도 코일은 전압 없이도 전류를 유지하는 성질 덕분에 자기공명영상 같은 초전도 전자석에 쓰여요. 코일 전류의 유효 수명은 실험에서 최소 10만 년이고 이론적으로는 우주의 수명보다 길 것으로 평가돼요.

세라믹 계열 고온 초전도체는 선재로 만들기가 어려워 아직 실용화되지 않았어요. 한국에서는 초전도체 자체보다 고온 초전도체를 쓴 선재 개발과 전력 케이블, 전동기, 발전기, 전력저장장치 같은 대형 기기 연구개발이 중심이에요. 초전도 상태가 액체 질소의 끓는점 77K보다 높은 온도에서도 나타나서 상업적 응용 가능성이 열렸다고 평가돼요.

초전도체와 함께 알아 둘 개념에는 무엇이 있나요

• 임계 온도: 초전도 상태로 바뀌는 온도예요.
• 마이스너 효과: 초전도체가 자기장을 밀쳐내는 현상이에요.
• 반자성: 외부 자기장과 반대 방향으로 자기장을 만드는 성질이에요.
• 쿠퍼쌍: 초전도 현상을 설명하는 전자 쌍 개념이에요. 고온 초전도체에는 이 설명이 맞지 않는다고 해요.
• SQUID: 초전도체 사이에 절연물을 끼운 조지프슨 접합을 이용한 고감도 자속 검출 소자예요.
• 4탐침법: 초전도체인지 가리는 대표 특성은 전기저항과 반자성이에요. 4탐침법은 4개의 단자 가운데 바깥 두 단자로 전류를 흘리고 안쪽 두 단자에서 전압을 재어 저항을 구해요. 온도를 낮출 때 어느 온도에서 저항이 0으로 급격히 변해야 해요. 반자성은 SQUID 센서로 자화율을 재는데, 반자성 물질의 자화율은 -1에서 0 사이이고 전기저항이 변하는 온도와 같은 온도에서 자화율이 음의 값으로 급격히 변해야 해요.
• 자기부상과 플럭스 피닝: 초전도체의 자기부상은 완전 반자성인 마이스너 효과와 자속을 붙잡아 두는 플럭스 피닝이 합쳐져서 나타나요. 온도가 내려갈수록 부상력이 세지므로 액체질소에 담갔다 꺼낸 시편이 더 뚜렷하게 떠요. 임계 전류와 임계 자장이 작은 초전도체는 자기부상이 제대로 보이지 않을 수 있어서 저항과 반자성을 정밀 장비로 교차 측정해요.
• LK-99와 교차 측정: 한국초전도저온학회 회장은 2023년의 LK-99를 1986년 고온초전도체 발견 이후 가장 뜨거운 이슈였다고 평가했어요. 초전도체임을 인정받으려면 발명자와 관계없는 다른 기관의 측정값도 같게 나와야 해요. 학회는 이를 계기로 신물질의 특성을 교차 측정하는 규정을 정하고 측정 가능한 연구기관 목록을 만들었으며, 의뢰자와 측정자 말고 입회인도 두어 검증 과정을 투명하게 하기로 했어요.
• 고온초전도 선재: 세라믹인 고온초전도체로 선재를 만들어 1세대에 이어 2세대 고온초전도선재가 상용화돼 있고, 국내 기업 한 곳이 이를 만들어 팔며 세계 톱3 초전도선재 기업에 들어요. 핵융합로와 가속기에는 NbTi, Nb3Sn 선재가 쓰이고 MgB2 선재도 생산돼요. 한국전력은 세계 최초로 국내에서 개발한 상용 초전도 전력케이블을 실제 전력 계통에 설치했어요.

초전도체에 대해 흔히 하는 오해는 무엇인가요

• 초전도체는 상온에서도 쓸 수 있다: 현재까지는 극저온이 필요하고, 실용 기기는 저온 초전도체로 만들어요.
• 저항이 0이니 어떤 자기장에서도 쓸 수 있다: 자기장이 세면 임계 온도가 낮아져요.
• 초전도체는 이상적인 도체와 같다: 이상적인 도체와 달리 자기장이 변하지 않을 때도 자기장을 밀쳐내요.
• 모든 금속이 초전도체가 된다: 금과 은 같은 귀금속은 초전도체가 되지 않아요.