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초전도체

last modified: 2015-03-20 15:56:36 Contributors

超傳導體 (superconductor)

초전도 현상이 일어나는, 다시 말해 전류에 대한 저항이 0인 물질을 말한다.

Contents

1. 개요
2. 현상
3. 이론
4. 응용
4.1. 분류
4.2. 트리비아
4.3. 픽션에서 초전도체

1. 개요

일반적인 도체는 자유전자의 흐름을 통해 전류를 전달하는데, 이 과정에서 원자핵의 전기적 저항이 있어 전자가 지닌 에너지의 완벽한 전달이 불가능하다. 하지만 특정한 조건이 만족되는 경우 일부 물질은 전기저항이 0인 상태가 되는데, 이를 초전도체라고 한다.
여기서 특정조건이라 함은 일정 온도 이하, 일정 통전전류 이하, 일정 자장 이하 이다.

1911년 네덜란드과학자 이커 카메를링 오너스 (Heike Kamerlingh Onnes)가 극저온 연구 중 4K 이하에서 수은의 전기저항이 0이 되는 것을 발견하여 초전도라는 성질이 알려졌다.[1] 이후 많은 종류의 물질이 초전도성을 가질 수 있음이 밝혀졌다.

2. 현상

초전도체들의 공통적인 성질은 기본적으로 세 가지이다.

첫 번째는 초전도체의 기본, 알파이자 오메가인 직류 전류저항 0. 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.

두 번째는 마이스너 현상(Meissner Effect). 초전도 현상을 보이는 물질은 물질 자신의 내부로 들어오려는 모든 자기장을 다 반발해낸다. 이 현상이 왜 생기는지 개념만 이해하고 싶으면 과학고등학교 아니면 일반물리 전자기 파트에서 배우는 돌이 전류(Eddy current) 개념을 알고 있으면 된다. 이 반발력이 흔히 말하는 압력(Pressure)처럼 작용하기 때문에[2] 자기 물질을 그 위에 띄울 수 있다. 그 간격은 종류별로 다르지만 YBCO[3] 덩어리와 네오디움 자석을 쓴다면 약 1~2cm가량 뜬다. 후에 이론 물리학자들에 의해서 초전도체의 내부 자기장이 0임을 밝혀낸다. 안쪽 자기장이 0이려면 표면에서 들어오는 자기장과 반대되는 자기장이 있어야 되는데, 그 자기장이 들어오는 자기장과 반발하여 뜨는것이다.

세 번째는 자기장 선속 양자화(Magnetic Flux Quantization) 현상이다. 초전도체는 일반적으로 1종 초전도체와 2종 초전도체로 나뉘는데 두 종류의 초전도체 모두 물질에 따라 다른 어떤 세기 이상의 자기장 (임계 자기장)에 노출되면 초전도성을 잃게 된다. 다만 2종 초전도체는 이 임계(상부 임계)보다 작은 하부 임계 자기장보다 큰 자기장에서 물질 전체가 초전도성을 잃는 대신 자기선속 다발이 초전도체를 뚫고 지나가는 현상 즉 자기 침투가 먼저 발생한다. 이 때 초전도체를 지나가는 자기장의 흐름의 양(Magnetic Flux)이 자기선속양자(Magnetic Flux Quantum)라는 값의 정수배로 제한되며 이것을 자기장 선속 양자화라 한다. 말 그대로 양자화가 되어버리는 현상. 일반인들은 초전도 현상 자체나 마이스너 현상 같은 것을 가장 신기해 했지만, 물리학자들의 입장에선 이 현상이 가장 신비한 녀석이었다. 이놈 때문에 생각하지도 못했던(사실 양자도 아닌) 자기장의 흐름이 양자화되었기 때문에.

자기장 선속이 양자화되어도, 자석에서 거리에 따른 자기장의 선속은 연속적인 값을 가진다. 재미있게도 이 때문에 자석이 초전도체와 가까이 있는 상황에서 그 자석과 초전도체의 상대 위치 고정된다. 부연하자면 자석을 옮겨 초전도체를 통과하는 자기장 선속을 바꾸려고 하면, 초전도체를 관통하는 자기선속은 자기선속양자의 정수배로 유지가 되어야 하기 때문에 초전도체를 고정한 채로는 자석을 옮길 수가 없다.(더 정확하게는 옮기려면 에너지가 필요하며 초전도체를 관통하는 총 자속이 클수록 필요한 에너지도 커진다.) 이 현상을 이용한 간단한 실험으로, 초전도체에 액체질소를 가득 부어 초전도 현상이 일어나는 상태로 만들어두고 자석에 꾹 눌러서 붙인 후 들어 올리면 마치 낚시하는 듯 자석이 초전도체 따라 공중으로 올라간다 그래서 현상 이름도 고기잡이 현상 (...)

이걸 이용하면 실험할 때 밸런스만 잘 맞출 경우 자석-초전도체-자석-초전도체-자석...도 가능하다.

3. 이론

초전도체의 원리와 초전도체가 가지는 성질에 대한 연구는 많은 고체이론 물리학자[4]들이 열과 성을 다해 연구하고 있다. 앞에서 언급한 오너스의 첫 발견 이후 많은 물리학자의 노고 끝에, 1950년도에 초전도체에 관한 기본 이론이 일단은 확립되었다. 이게 "일단은"인 이유는, 후에 비금속성 초전도체의 발견으로 이론의 수정이 불가피해졌기 때문. 발견에 비해 이론이 이렇게 늦어진 이유는, 위에서 언급한 세 번째 현상 때문에 양자역학의 개념이 도입되기 이전엔 설명조차 불가능했기 때문이다.[5] 1950년에 비타니 레자라비치 긴즈버그와 레프 란다우가 초전도현상을 일으키는 물질의 양자역학적 모델을 제시했으며(란다우-긴즈버그 이론), 이를 바탕으로 1957년에 존 바든, 레온 N. 쿠퍼,[6] 존 R. 쉬리퍼가 BCS 이론을 창립, 위의 세 가지 현상을 전부 설명하게 된다.

초전도체에 관한 현재 유력한 설명은 BCS이론의 전자 커플링설. 이것이 메이저한 이유는 초전도체를 이동하는 양자의 전하를 q라고 했을 때, 실험을 통해 q=2e로 밝혀졌기 때문이다. 이를 "쿠퍼 쌍(Cooper pair)"이라고 부르며, 이 쌍은 같은 스핀의 전자 2개가 같이 이동하며 하나처럼 행동하는 1/2+1/2=1인 보존으로 행동해버린다. 때문에 한 상태에 여러개가 저항없이 존재하기에 저항이 0이라는 설명. 하지만 전자가 커플링이 일어나는 방법에 대해 이론상으론 특정 상황을 만족하면 전자간 전기력이 인력일 수도 있긴 하지만 완전히 정설은 없다. 대표적으로 자기양자를 이론적으로 설명하는 부분이 오류라는 증명이 존재한다. 전자커플링때문에 자기양자가 h/2e가 아니라는 것이다. 때문에 초전도체가 초전도상태가 되면 자신을 도선처럼 사용하는게 아니라 그 주위 공간을 도선삼아 통과 시켜 작동한다는 이론도 있다. 이 때문에 자석에 뜨는거라고 하는데 그럼 초전도체 밑에 자석이 붙는건 어떻게 설명할래?

다만 BCS이론은 type 1에는 안맞는 경우도 있긴 하나 그럭저럭 잘 맞지만 type 2에는 맞아들어가지 않는다. 이론적으로 아직 부족한 학문이라 할 수 있다. 참조

4. 응용

초전도체는 일단 핵융합에서 빠질 수 없는 물건이고, MRI[7] 등에도 이용되고 있다.[8]

그 외에도 전력 수송용으로 실용화된다면 현재의 산업 환경을 획기적으로 바꿀 수 있다고 평가되는 물질로, 현재 원거리 전력 송신에 필연적으로 발생하는 전력 손실분을 0으로 만들 수 있으며, 전선 하나로 보낼 수 있는 전력이 크게 증가하고, 전력 손실을 줄이기 위한 전력 승압이 필요 없어 고압선 감전 위험을 최소화하는 등 다양한 활용이 가능하다.

일단은 먼 꿈이기는 하지만, 그렇게까지 먼 꿈은 아니다. 1980년대 초까지만 해도 절대영도에 가까운 매우 낮은 온도에서만 초전도 현상이 일어나는 것으로 알려졌으나 1986년에 절대온도 30도에서 초전도 현상을 일으키는 물질이 발견되어 많은 과학자들을 흥분시켰으며, 이후 더 높은 온도에서 초전도 현상을 일으키는 물질을 찾으려는 붐이 일어나서 1987년에는 아예 절대온도 90도에서, 1988년에는 절대온도 127도에서 초전도 현상을 일으키는 물질이 잇달아 발견되었다. 현재까지 발견된 중에는 절대온도 135도에서 초전도 현상을 일으키는 물질(HgBa2Cam-1CumO2m+2+δ (Hg 1:2:m-1:m) with m=1, 2, and 3)이 가장 고온에서 초전도 현상을 일으키는데, 고압에서는 이 온도가 절대온도 164도까지 올라간다고 한다. 액체질소가 절대온도 77도에서 기화하는 것을 고려하면 이미 초전도는 기술적으로 충분히 다룰 만한 범위에 들어섰다고 할 수 있다.

그렇지만 지금까지 나온 소재로 만든 초전도 전선 등은 여전히 소재 가격이나 운영비(냉각비 등)가 매우 비싸다. 그래도 작금 들어서는 비싸지만 제작 기술의 발달로 대용량 전력 수송용 전선이 많이 실용화 연구가 진행되어 있으며, 2012년 현재 제주도에 시범 사업단지가 건설중에 있다. 진정으로 실용화가 되려면 상온에서 초전도성이 나타나는 물질(이를 상온초전도체라고 한다)이 필요하며, 이를 위해 지금도 많은 사람들이 활발하게 연구중이다.

4.1. 분류


초전도체를 부르는 명칭이 좀 직관적이지 않다. 그래서 일반인들이 헷갈리기 쉬운 편. 전공자분들의 상세 설명 바람.

고온초전도체 : BCS이론상 초전도성이 나타나는것은 약 40K정도로 예측하고 있다. 그러나 구리기반 초전도체들은 이 온도를 뛰어넘었다. 따라서 BCS이론의 한계온도인 40K보다 높은 전이온도를 가지는 초전도체를 고온초전도체라고 부른다.

온도에 따라서 저온, 고온, 상온 초전도체로 구분한다. 저온<고온<상온 순으로 온도가 높아도 초전도체를 유지한다.
그러나 현재까지 개발된 초전도체는 저온초전도체와 고온초전도체이며 상온초전도체는 아직까지 개발되지 않아 정식으로 분류하지 않는다.

저온 초전도체(Low Temperature Superconductor) - 일반적으로 LTS라 부른다. 작동온도는 4 K 대역으로 섭씨온도로 치면 -269 ℃정도이다. 보통 LST를 구동할때는 기화점이 4.2 K 인 액체헬륨을 사용한다. 현재 상용화되어있는 초전도관련장비는 모두 이 LTS로 구동된다. 대표적인 것으로는 NbTi(니오븀 타이타늄)계열 재료가 있다. 특이사항으로 재료가 금속재료로써 인발이 가능하다는 장점이 있다.(초전도를 활용한 장비중 많은 부분에 Nb3Sn이 사용되는데 이 초전도체의 전이온도는 18K.)그리고 딱히 LTS라는 용어는 널리 사용되지 않는다.

고온 초전도체(High Temperature Superconductor) - 일반적으로 HTS라 부른다. 작동온도는 100 K이하이다.(구리기반초전도체중 150K에 해당하는 전이온도를 가진 초전도체도 존재한다) 섭씨온도로 치면 -180 ℃이하이다. 보통 HTS를 사용할 때는 77 K(영하 200 ℃)의 액체질소를 사용한다.초전도체 중에서는 고온이라는 뜻. 대표적인 재료로는 YBCO가 있다. 비금속재료(세라믹)로써 인발이 불가능하여 판형 기판위에 초전도층을 입히거나 발라서 증착시켜 사용한다. 많이 쓰이는 사이즈는 4 mm 폭의 선재로서, 국내에서 HTS를 제작하는 업체는 12 mm의 선재를 만든 뒤 3개로 잘라서 판매한다. 두깨는 대략 0.1 mm이나 실재로 발려져있는 초전도물질은 1μm 이하이다. 판형선재이므로 보빈이라 불리는 틀에 권선기라는 장비로 감아서 사용한다.

상온 초전도체 - 말그대로 일상온도에서 초전도체. SF의 영역으로 치부하는 사람들도 있다. 개발만 하면 노벨상감.
그런데, 최근에 관련 이론이 나왔다! 현실로 다가온 상온 초전도체 그야말로 전자기기 분야의 대혁명이라 할 수 있겠다.(해당 내용은 초전도체가 아니라 위상절연체(Topological Insulator)의 내용이므로 초전도체의 내용으로 넣기에는 무리가 있다.)




성질에 따라선 type 1, type 2 (제1형, 제2형) 가 존재한다.
Type1 - 초전도의 전이가 한순간에 일어나는 초전도체를 의미한다.
Type2 - 초전도의 전이가 점진적으로 일어나는 초전도체를 의미한다.

Type1과 2의 구분은 coherence length와 penetration length와의 비로 구분할 수 있다. coherence length는 vortex의 지름으로 볼 수 있고, penetration length는 vortex사이에 작용하는 척력이 미치는 범위를 나타낸다고 볼 수 있다. 이 척력이 미치는 거리가 지름에 비해 짧은 경우 모든 vortex는 합쳐져서 순식간에 전이가 일어난다. 반대로 척력이 미치는 거리가 지름에 비해 긴 경우는 vortex사이에 적당한 거리가 유지되어 전이가 점진적으로 이루어진다.





물질에 따른 분류

상용초전도체(Conventional SC) : BCS이론을 따르는 초전도체. 쿠퍼쌍을 만드는 역할을 하는것(Pairing Glue)이 포논이라고 증명됨.(동위원소로 치환했을때 초전도성이 달라지는 현상이 하나의 큰 증거)

구리기반 초전도체 (Cuprate SC) : 구리를 기반으로 한 화합물이 초전도성을 나타내는 초전도체. 대부분 층상구조를 이루고 있고 구리와 산소가 이루고 있는 층이 초전도성을 나타내며 나머지 층으로 인해 여러가지 초전도성이 달라진다. 이 구리기반 초전도체는 기존의 BCS이론이 맞지 않으며 쿠퍼쌍을 만드는 역할을 하는 것이 포논(Phonon)이 아닌 스핀밀도파(Spin Density Wave ; SDW)라고 예측하고 있다.

철기반 초전도체 (Iron-pnictides SC) : 철과 닉타이드 계열 원소를 기반으로 한 초전도체. 대부분 비소(As)이다. 위에서 말했던 구리기반 초전도체를 설명했던 SDW모델은 철과 같은 자성체들이 존재하면 안된다. 따라서 새로운 설명이 필요해 졌고 그로인해 바짝 연구가 되었던 물질이다. 동위원소 효과가 있으며 자성체를 함유하고 있다. 철기반 초전도체는 오비탈 정렬 모델(Orbital Ordering ; OO)로 설명을 시도하고 있다.

그 외에도 우라늄(U)계열, 유기(Organic) 계열 등이 있다.

4.2. 트리비아

1986년에 취리히의 IBM 실험실에서 게오르그 베드노즈, 카를 뮐러는 LaBaCuO라는 35 K에서 초전도 현상을 일으키는 물질을 발견하였고, 1987년에 휴스턴 대학의 폴 츄 교수가 YBCO(YBa2Cu3O7)라는 액체 질소에서 초전도 현상을 일으키는 첫 물질을 발견했다. 당연히 이들은 이를 당당하게 논문에 게재, 노벨상을 바라보고 있었으나 한 가지 의도된 "작업"을 해 버리는 바람에 상을 놓치고 만다. 그 "작업"이란, 논문에 YBCO의 화학식을 기록할 때, YBa2Cu3O7에서 Y(이트륨)을 Yb(이터븀)으로 표기한 것이다. 이는 YBCO의 제법 자체가 그렇게 어렵지 않아서, 논문을 발표했다가 논문 심사중에 다른 저명한 연구팀이 이걸 만들어서 이들의 논문이 먼저 통과되어 버리면 그들의 연구가 완전히 허사가 되어버리기 때문이었다.[9] 폴 츄 교수가 성과발표장에 여러 대형 언론사를 불러 언론 플레이를 해버린 것. 이것이 도덕성 문제로 제기되어, 상을 게오르그 베드노즈, 카를 뮐러 연구팀만 받아가 버렸다. 하지만 폴 츄의 YBCO 물질은 액체 질소로 구현되는 첫 물질이라는 점에서 역사적으로 큰 의미가 있는 대발견이었다.

초전도체의 경우 통상적으로 온도가 낮을수록 성능이 좋다. 여기서 성능이라 함은 통전전류를 말하는데 국내 업체에서 생산되는 초전도체의 경우 77 K에서 100 A정도의 성능을 갖지만 30 K에서는 최소한 그 두배정도의 성능을 낼 수 있다.
또한 초전도체에서 중요한 것이 자장특성이다. 초전도체는 자장이 높을수록 그 성능이 낮아진다. 그리고 초전도체를 권선하여 사용하면 전자기유도에 의하여 자제자장이 발생한다. 그래서 선재를 하나만 측정하였을 때 보다 낮은 통전전류를 나타낸다.

HTS에 아직까지 액체질소를 많이 사용하는 가장 큰 이유는 가격이 싸기때문이다. 액체질소를 실제로 구입해보면 동일양의 생수보다 싸다. 또한 철강업체에서는 철을 제련할 때 액체질소가 발생하게 되는데 대다수의 업체는 그 액체질소를 가열하여 기체질소로 상변화시킨 뒤에 공기중으로 내보낸다. 그리고 질소는 공기중에 잔뜩 있어서 만들기도 쉽다. 핼륨의 경우 미국에서 수출을 금지했다는 소문도 있다.

2010년 7월에 황당한 발견이 발표됐는데, 일본의 연구원들이 와인을 마시며 파티를 하던 중 어떤 교수가 "초전도체 실험 때 초전도체를 물, 에탄올 대신 사케(청주)나 와인에 한 번 담그어 보자ㅋㅋㅋ"라고 농담을 하고 그 말은 들은 연구원들이 장난삼아 해봤는데… 그런데 그것이 실제로 일어났습니다(…) 초전도체가 아니던 물질이 초전도체가 되는 것을 발견하였다. 레드 와인, 화이트 와인, 맥주 순으로 초전도체 전환율이 높다고 한다. 농담이 대발견을 해버린 셈. 관련기사 역시 술이 들어가야 과학이 발전한다

4.3. 픽션에서 초전도체

  • 시드 마이어의 알파 센타우리에서 초전도체(Superconductor) 기술은 핵융합 동력(Fusion Power)을 연구하는 데 필요한 조건이다. 핵융합 동력 기술은 일단 먼저 연구만 하면 게임을 끝내버릴 수 있는, 문명 시리즈 전체를 통틀어서 최고의 사기성 기술이라 게임을 끝내고 싶으면 초전도체 기술을 당연히 연구해야 하는데... 문제는 초전도체의 필요 조건으로 실효성이 별로 없는 소프트웨어 이론 연구를 오랫동안 해야 된다는 것이다. 초전도체 자체는 평범한 공격력 5짜리 무기만을 제공하고, 초반에 필요한 응용 기술은 아예 다른 테크 트리에 있어서 노리고 연구하다가는 말려버린다. 결국 분파의 연구 능력을 한계까지 시험하는 기술이라 볼 수 있다.
    게임 내 효과와는 별개로 초전도체 자체는 이야기에서 상당히 중요하게 여긴다. 에너지가 화폐로 쓰이는 사회라, 에너지를 손실 없이 전송하게 해주는 초전도체는 당연히 돈덩어리이기 때문이다.
  • 코드 기어스의 세계관에선 상온초전도체를 이용해 동력을 생산한다. 나이트메어외에도 일반 발전소, 교통시설 등 모두 이런 동력기관을 사용하는듯. 이것을 생산하는데 필요한 물질이 사쿠라다이트, 자기장이라든지 이런저런 원리로 이것을 무력화시키는게 게피온 디스터버.
  • 아바타(2009)언옵타늄(unobtainium/언옵테이니엄 : 이루어질 수 없는)[10]이라는 자기장을 밀어내거나 안에 가둘 수 있는 고온 초전도체가 나온다.[11] 기능은 항성간 우주여행, 자기부상 열차, 슈퍼루미널 통신, 하이퍼칩 응용 기술에 사용된다. 이렇듯 최첨단 산업에 꼭 필요한 희귀광물이기에 Kg당 2,000만 달러(원화로 약 230억원)에 이른다. 한마디로 노다지.
작중 배경인 위성 판도라에 떠있는 할렐루야 공중산맥은 무진장 많이 묻혀있는 언옵테이늄이 낳은 초전도 현상으로 떠있는 것. 참고로 언옵테이늄은 공중산맥보다 홈트리 부분에 더 많이 묻혀있고, RDA가 무분별하게 자연을 망가뜨리면서 발파작업을 하여 자기장이 사라진 암석들이 공사현장으로 떨어지는 사고가 자주 발생하였다. 이에따라 RDA는 홈트리 근처로 채굴을 하고 있으며 이로인해 인간과 나비족사이의 분쟁의 원인이 되었다.


  • 터미네이터에서 나오는 로봇들의 CPU들은 이 초전도체를 이용해서 만든다고 한다. 터미네이터 연산력의 비결은 무한 오버클럭!!

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  • [1] 처음엔 당연히 실험 오류라고 생각했기 때문에 지도교수한테 엄청나게 까였다. 나중에 반복적인 실험 끝에 정말 저항이 0이었다는 게 밝혀져서 발표된 것.
  • [2] 이 때문에 자기 물질을 억지로 초전도체에 가까이 가게 만들면 마치 얼음이 압력을 가했을 때 물로 상태변화 하듯이 초전도 현상이 풀려 버린다. 당연하다면 당연하지만, 이것도 상전이 현상의 하나.
  • [3] YBaCuO. Yttrium Barium Copper Oxide의 줄임말. 액체 질소 만으로 초전도성을 보인 최초의 물질.
  • [4] 흔히 이론 물리학이라고 하면 입자물리학 이론과 천체 물리학 이론쪽 정도만 떠올리는 분들이 많지만, 고체 물리학도 엄연히 이론하시는 분들이 있다. 단지 앞의 두 가지에 비해서 상호작용이 너무 많기 때문에 쉬운 접근이 힘들어서 이쪽을 파고드는 분들이 많은 건 아니다.
  • [5] 애초에 고체물리학 자체가 양자역학 이후로 제대로 정립되었다
  • [6] 쉘든 리 쿠퍼의 모델인듯? 하지만 얘는 통일장 이론 하지 않았냐?
  • [7] MRI 이용 요금이 비싼 이유는 MRI 구동시 필요한 액체 헬륨 값이 비싸기 때문이다. 해당 항목에도 있는 내용이지만, 헬륨값은 꾸준히 상승중이다.
  • [8] 어째 둘다 자기장 제어용이다...
  • [9] 지금은 많이 줄었다고 생각할 수 있지만, 지금도 고체 물리학에서 샘플을 만드는 쪽 사람들은 이런 일 때문에 피말리는 경쟁을 하고 있다. 게다가 학계라는 곳이 그렇게 넓지도 않기 때문에...
  • [10] 이는 처음 발견된 20세기에 물질 고유의 불안정성으로 인해 계속 되는 노력에도 불구하고 연구 성과는 빈약하자 기술의 효율성을 의심하는 시대상을 반영해 당시의 연구자들이 지은 것이다.
  • [11] 금속 재질, 은회색, 정육면체의 결정체로 이루어져 있다.