초전도 현상

초전도 현상은 어떤 물질의 온도가 매우 낮을 때(대체로 -200˚C 이하) 일어나는 현상으로,

전기 저항이 0이 되고 내부 자기장을 밀쳐내는 것이 대표적인 예이다.

이러한 사실은 1911년 네덜란드의 물리학자 오너스가 발견하였는데

그는 수은의 온도가 약 4K(-269˚C)이하로 내려갈 때 수은의 전기저항이 0이 된다는 사실을 발견하였다.

초전도 현상이 나타나는 물체를 초전도체라 하며, 이 현상이 나타나기 시작하는 온도를 임계 온도라고 한다.

일반적인 금속 도체의 비저항은 온도가 내려감에 따라 점점 감소한다.

그러나 구리나 은과 같은 도체의 경우에는, 불순물이나 다른 결함으로 인해 저항이

어느 값 이상으로 감소하지 않는 한계가 있다.

절대 0도 근처에서도 실제 구리 시료의 저항은 0이 아닌 값을 가지게 된다.

반면 초전도체의 저항은 온도가 "임계 온도" 값보다 아래로 나려가면 갑자기 0으로 떨어진다.

초전도 전선으로 된 고리를 흐르는 전류는 전원 공급 없이도 계속 흐를 수 있다.

강자성이나 원자 스펙트럼 준위처럼, 초전도는 양자 역학적인 현상이다.

초전도는 단순히 고전 물리의 이상적인 "완전 도체"(perfect conductor) 개념으로는 설명될 수 없는 현상이다.

초전도는 다양한 종류의 물질에서 나타나는데, 주석이나 알루미늄과 같이 한가지 원소로 된 물질에서도 일어나고,

다양한 금속 합금이나 도핑된 세라믹 물질에서도 나타난다.

한편 초전도는 금이나 은과 같은 귀금속에서는 나타나지 않으며,

순수한 강자성 금속(ferromgnetic metal)에서도 나타나지 않는다.

1986년에는 구리-perovskite계 세라믹물질에서 임계 온도가 90 K을 넘는고온 초전도체가 발견되었는데,

이 때문에 초전도체 연구가 다시 활성화되는 계기가 되었다.

순수한 연구 주제로서, 이런 물질들은 초전도체를 설명하는 기존 이론으로는 설명되지 않고 있다.

게다가, 초전도 상태가 경제적인 면에서 중요한 기준이 되는 온도인

액체 질소의 비등점 (77 K)보다 높은 온도에서도 나타남에 따라,

좀 더 많은 상업적 응용 가능성이 열리게 되었다.

전기저항이 없는 물체를 말한다. 초전도 현상은 보통 매우 낮은 온도에서 나타나며, 온도가 올라가면 사라진다.

초전도라고 하면 가장 먼저 떠오르는 것이 마이스너 효과에 의한 공중부양이다.

독일의 과학자 프리츠 발트 마이스너(Fritz Walther Meissner)가 발견한 현상으로 발견자의 이름을 따라 마이스너 효과(Meissner effect)라 이름 지었다.

마이스너는 로베르트 옥젠펠트(Robert Ochsenfeld)와 함께 1933년에 전도성 금속의 실험을 통해 이 현상을 발견하였다.

마이스너 효과는 초전도체가 자기장을 밀어내는 현상이다.

초전도체에 대한 다른 현상은 ‘자력의 끈’현상이다.

초전도체가 초전도성을 띄기 전에 자력을 초전도체 안에 통과시킨 후,

초전도체를 냉각하여 초전도성을 띄게 하면 초전도체 안에 들어온 자력이 초전도체 안에 갇히게 된다.

초전도체에 갇힌 자력은 영구자석과 자력의 끈을 만든다.

단단한 자력의 끈으로 결합되어 있는 두 물체는 외부에서 힘을 가해도 잘 떨어지지 않는다.

이를 ‘자력의 끈’현상이라고 한다. 참고로 자력의 끈 현상이 모든 초전도체에서 발견되는 것은 아니다.

초전도체는 1형(Type I)과 2형(Type II)로 나눌 수 있는데, 2형 초전도체에서만 나타난다.

마이스너 공중부양 실험에는 고온초전도체, 영구자석(네오디뮴-붕소-철), 액체질소(영하196도 이하)가 필요하다. 4개의 영구자석을 같은 극이 대각선으로 교차하도록 배열하면 초전도체가 안정적으로 부양하는 자력선 분포를 만들 수 있다. 자력은 사람의 눈에 보이지 않기 때문에 초전도 공중부양을 바라보는 사람에게는 초전도체 스스로 공중에 부양하는 것 같아 보이지만 실제로는 영구자석의 자력이 초전도체를 밀치고 있는 것이다. 자석의 자력이 강할수록 밀치는 힘이 커서 부양력이 크다. 영구자석 위에서 부양한 초전도체는 시간이 지나면 서서히 주저앉는다. 온도가 올라 초전도상태에서 벗어나기 때문이다.

영구자석위에서의 초전도체의 공중부양은 아주 널리 알려진 현상이다. 최근에는 초전도체 밑에 자석이 매달리는 (또는 자석 밑에 초전도체가 매달리는) 현상이 관찰되었다. 초전도체를 용기에 넣고 그 밑에 자석을 위치시킨 후 용기 안에 액체질소를 붓는다. 액체질소를 붓기 전에는 초전도체에는 초전도성이 없으므로 초전도체 아래에 위치한 영구자석의 자력이 초전도체를 통과한다. 온도를 초전도 온도 이하로 내리면 초전도체를 통과하던 자력이 초전도체 내에 갇히게 된다. 힘을 가해 영구자석을 냉각용기에서 떼어 낸 다음, 다시 붙이면 적당한 거리를 두고 영구자석이 초전도체 밑에 매달리게 된다. 초전도체에 갇힌 자력과 자석이 끄는 힘 (자석의 끈), 마이스너 효과로 인한 반발력, 중력이 조화를 이루는 것이다. 고기잡이 효과(Fishing effect)라고 한다.

초전도 현상을 활용한 장치로 가장 널리 알려진 것이 자기부상열차이다. 동영상을 통해 자기부상열차의 원리를 이해해 보자 . 영상에 보이는 레일은 영구자석을 원형으로 배치한 모형철길이다. 초전도체를 기차라고 생각하자. 우선 영구자석 선로위에서 초전도체를 냉각한다. 냉각이 완료되면 초전도체를 냉각용기에서 꺼내어 레일 위에 올려놓고 밀어 주면 초전도체가 선로 위를 떠서 가게 된다. 초전도체 원형 철길에서 원심력으로 이탈하지 않는 점이 신기한데, 그 이유는 선로의 자석과 초전도체가 앞서 설명한 ‘자석의 끈’효과에 의해 서로 잡아당기기 때문이다.

회전력과 초전도 공중부양을 결합시키면 에너지를 효과적으로 저장하는 장치를 만들 수 있다. 먼저 초전도체를 냉각시켜 완전반자성을 갖게 한 다음, 하부에 영구자석을 장착한 묵직한 중량체를 초전도체 위에 놓고 돌린다. 회전은 아주 오랫동안 지속된다. 마찰이 거의 없기 때문이다. 이 회전체에 모터와 발전기를 설치하면 전기를 저장할 수 있다. 전기가 남는 밤에 초전도 에너지 저장장치를 돌려놓아 에너지를 저장한 다음 전기가 많이 필요한 낮에 꺼내어 사용한다면 유용할 것이다.

http://cafe.daum.net/protec21/6Mcj/104?docid=1EcPU|6Mcj|104|20101108145130&q=%C3%CA%C0%FC%B5%B5%C7%F6%BB%F3&srchid=CCB1EcPU|6Mcj|104|20101108145130

저항이 없는 전류의 흐름, 초전도 현상 발견

인류역사에서 20세기는 전자혁명의 시기였다고 기록할 수 있다. 인류 문명을 혁신적으로 변화시킨 반도체 소자, 컴퓨터, 인터넷 등이 등장했기 때문이다. 이것은 바로 전자를 다루는 기술의 발전이 있었기에 가능한 것이었다.

그렇다면 전자를 다루는 기술은 어떻게 발전하게 됐을까? 이 같은 질문에 답하기 위해서는 고체물리학과 전기재료의 발전이라는, 다소 생소한 분야를 등장시켜야 한다.

그림 1 만일 도체의 저항을 완전히 없앨 수 있다면, 전력손실을 효과적으로 줄일 수 있을 것이다. 사진 제공 : SXC

고체물리학은 각종 고체소자 개발의 바탕이 됐으며 현대과학의 발전에 큰 역할을 하고 있다. 연구대상이 되고 있는 중요한 과제로는 고체 속의 전자상태에 대한 문제, 반도체, 극저온에서의 각종 이상 현상, 초전도 현상의 본질 파악 등으로 다양하다. 이 중 초전도 현상은 전기, 전자분야뿐만 아니라 다양한 분야에 응용되고 있어 20세기 10대 사건으로 선정됐다.

도체·부도체·반도체 - 고체 삼형제

고체는 흔히 전기가 잘 통하는 도체, 전기가 통하지 않는 부도체와 그 중간인 반도체로 나눌 수 있다. 이 차이는 내부에 전류를 옮기는 자유전자가 많고 적음에 따라 결정된다.

도체에는 자유전자가 많아 외부 신호에 따라 전류가 잘 흐르지만, 전류의 흐름을 방해하는 저항이 소량 존재 한다. 저항은 전류의 손실을 가져올 뿐만 아니라, 처음 보냈던 신호의 크기를 작게 만드는 등 여러 가지 문제들을 만든다. 만약 도체의 저항을 완전히 없앨 수 있다면, 이러한 전력손실이나 신호 감소 등의 단점을 극복할 수 있을 것이다.
과연 이런 꿈의 도체, 즉 저항이 없는 완전도체는 있을 수 없는 것인가?

조셉슨 효과 초전도체와 초전도체 사이에 전류가 흐르지 않는 부도체를 끼워 넣어도 전류가 흐르는 현상. 초전도체의 질서계수인 에너지 간격의 위상 때문에 생기는 양자역학적 현상으로, 두 초전도체의 에너지 간격의 위상차이가 있으면 이로 인해 전류가 흐를 수 있다. 유도 전류 도체에 외부에서 자기장을 가하면 패러데이(Faraday) 법칙에 의해 외부 자기장을 반대하는 방향으로 전류가 유도된다. 이를 유도전류라 하는데 도체에는 저항이 있기 때문에 일반적으로 유도전류는 곧 사라지게 돼 외부자기장은 도체 내부를 관통한다.

오네스, 초전도 현상을 발견하다

이 물음에 대한 답은 1900년대에 들어와 초전도 현상이 발견되면서 풀리게 된다.

초전도 현상은 물체의 온도를 (충분히) 낮출 때 일어나는 특이한 현상이다. 1911년, 네덜란드 물리학자 오네스(H.K. Onnes, 1853~1926)는 다른 원소와 화학 반응을 일으키기 어려운 기체인 헬륨(He)을 액화해 절대온도 0도(K)(= -273.15 ℃) 가까이 내릴 수 있는, 당시로서는 획기적인 첨단 기술을 개발했다. 그는 곧이어 극저온에서 온도계로 사용할 목적으로 온도에 따른 수은(Hg)의 저항 변화를 측정했고, 그러던 중 절대온도 4.2K(-268.95 ℃)에서 갑자기 저항이 사라지는 현상, 즉 전기저항이 완전히 사라지는 초전도 현상을 발견했다.

이러한 초전도 현상이 중요한 이유는 우선 도체의 저항을 완전히 없앨 수 있는 완전도체 성질을 보이기 때문이다. 또한 흔히 조셉슨 효과(Josephson effect)라고 불리는 위상효과를 활용한 응용 가능성도 뛰어나다.

그림 2 초전도체 내부에는 자기장이 들어갈 수 없고, 내부에 있던 자기장도 밖으로 밀어내기 때문에 자석 위에 떠오르는 자기부상현상을 나타낸다. 사진 제공 : 위키피디아

뿐만 아니라 초전도 현상에 대한 이해는 기존의 상식을 뛰어 넘는 발상의 전환을 요구했다. 주로 단일 원소 금속의 경우, 초전도 현상이 나타나는 임계온도(한계온도)가 ~10K(-263.15 ℃) 수준이지만 1986년에 발견된 고온초전도체의 경우, 임계온도가 100K(-173.15 ℃)를 넘는다. 이러한 고온 초전도체는 아직 이론적으로 확실히 밝혀지지 않은 미완의 분야다.

초전도 현상의 원리

도체 내에서 전류가 흐를 때 저항이 생기는 이유는

첫째, 전자가 움직이다가 불순물과 충돌 하거나
둘째, 전자들이 이동하면서 (도체 내의 일정한 위치에서) 열에너지 때문에 진동하고 있는 원자들과 충돌하기 때문이다.

이 두 가지 요인 중 전기저항에 가장 크게 기여하는 것은 두 번째 요인이다. 따라서 도체의 온도를 낮추면 열에너지가 작아지고, 열에너지가 작아지면 원자의 진동이 작아지므로 전자와 원자간 충돌이 감소돼 저항이 줄어들게 된다. 하지만 아무리 온도를 낮추더라도 절대온도가 0 K가 아닌 한, 일반적인 금속의 경우 유한한 저항이 있기 마련이다.

하지만 1911년, 오네스가 일부 금속도체의 온도를 절대온도 0 K 가까이 내리면 갑자기 전기적 저항이 사라지는 완전도체 현상을 관측했다.

이와 같이 물질에 따라 다른 특정한 온도(이를 초전도 임계온도라고 부른다) 이하에서 저항이 없는 완전도체 성질과 내부에 자기장이 존재하지 못하는 반자성 성질은 기존의 이론으로는 설명할 수 없는 새로운 질서를 가진 상태이며, 이를 초전도 상태라고 부른다.

금속도체의 경우, 초전도 현상이 나타나는 임계온도에서와 상온에서의 전기전도도를 비교하면 이해하기 어려운 사실이 눈에 띈다. 즉, 상온에서 전기 저항이 상대적으로 높은 ‘나쁜’ 도체일수록 오히려 완전도체 성질이 나타나는 초전도 임계온도가 높다는 사실이다. 상온에서 전류를 잘 흘리는(전기 저항이 낮은) ‘좋은’ 도체인 구리, 알루미늄, 금, 은 등은 온도를 아무리 낮춰도 초전도 현상을 보이지 않는다. 반면 상온에서 전기 저항이 상대적으로 높은 수은은 임계온도 4.2K(-268.95 ℃), 납은 임계온도 7.2K(-265.95 ℃)로, 초전도 임계온도가 높다. 즉, 상온에서 전류를 잘 흘리는 도체가 그렇지 못한 도체보다 초전도 현상을 만들기가 더 어렵다.

BCS 이론, 초전도 현상을 설명하다

물리학자들은 이처럼 상식적으로는 이해하기 힘든 초전도 현상을 설명하기 위해 다양한 시도를 했다. 그 중에서 궁극적인 설명이 제시된 것은 초전도 현상이 발견된 지 50년이 지나서였다.

원자 진동 금속 내의 음파는 원자진동으로 퍼진다. 따라서 원자진동을 소리라고 볼 수 있다

그 이론은 1957년, 바딘(John Bardeen, 1908~1991), 쿠퍼(Leon N Cooper, 1930~), 슈리퍼(John Robert Schrieffer, 1931~) 세 사람이 제안한 BCS이론이다. 이 이론에 의하면 도체 내 전자 사이에는 전하(-e)가 같은 극이기 때문에 밀쳐내는 힘이 작용하지만, 어느 한 전자가 원자 진동을 내고 다른 전자가 이 소리를 받는 교환 상호작용을 하면 전자 사이에 서로 당기는 인력이 작용할 수 있고, 이러한 인력 때문에 두개의 전자가 하나의 짝을 이루게 돼 초전도 현상이 생긴다고 설명했다. (이 전자쌍은 처음 제안한 쿠퍼의 이름을 붙여 쿠퍼 전자쌍이라 부른다)

즉, 도체 내에서 전자가 움직일 때, 양이온화 된 원자들이 전자 쪽으로 이끌리면(전자가 원자진동, 즉 ‘소리’를 유발시킴), 그 전자 주위에 양의 전하가 몰려 +전하를 띤 것처럼 보인다. 따라서 다른 전자가 그 쪽으로 끌리게 돼 결과적으로 두 전자는 마치 짝을 지어 운동하는 것처럼 행동한다.

이 이론은, 정상 상태에서 독립적으로 운동하던 전자들이 저항의 원인으로 작용하는 원자진동을 활용해 ‘어깨동무’를 하면서 움직일 때 초전도 현상이 나타난다는 것이다.

그림 3 초전도 현상의 원리- 전자들이 손을 잡거나 어깨동무를 하고 움직이면 서로 넘어지지 않을 수 있다.(저항 없이 갈 수 있다) 사진 제공 : SXC

그렇다면 저항이 없는 초전도체는 얼마나 많은 전류를 흘릴 수 있을까? 전류를 흘리면 전자가 움직이기 때문에 전자의 운동에너지가 증가한다. 이 에너지 증가가 쿠퍼 전자쌍의 ‘어깨동무 에너지(이를 흔히 초전도체의 ’에너지 간격‘이라고 부른다)보다 커지게 되면 전자쌍의 ’어깨동무‘가 풀리게 된다. 그렇게 되면 전자가 다시 독립적으로 움직이게 돼, 저항이 있는 정상상태로 돌아온다. 그러므로 초전도체가 흘릴 수 있는 최대 전류(임계전류)와 초전도 현상이 나타나는 임계온도는 원자진동 에너지와 밀접한 관계가 있다.

초전도 현상이 나타나는 임계온도는 금속 원자의 경우 절대온도 10K(-263.15 ℃) 이하, 합금의 경우 23K(-250.15 ℃) 이하이다. 금속 초전도체의 경우, 임계온도가 낮아서 냉각제로 액체 헬륨을 사용해야 하는데, 액체 헬륨의 비싼 가격 때문에 응용하는 것은 쉽지 않다.

BCS 이론으로 설명 불가능한 고온 초전도체 발견

그림 5 층상구조를 가진 고온초전도체의 구조. 중간 부분에 절연층이 있다. 대표적인 고온초전도체인 이트륨바륨구리산화물(YBCO)의 구조도. 사진 제공 : H. Shaked 외 5인, 초전도 과학기술 센터, Argonne 국립연구소.

한편 10년 전부터 개발되기 시작한 구리산화물 초전도체는 일반의 상식을 뛰어 넘는 큰 발견이었다.
구리산화물은 부도체로 알려진 세라믹 재료로, 전하가 있는 층과 전하가 없는 절연층이 교차로 존재하는 아주 복잡한 층상구조를 갖고 있다. 이 구리산화물의 임계온도는 최고 164K(-109.15 ℃)로, 이는 액체 헬륨보다 저렴하고 반응성이 적은 액체 질소(끓는점 77K, -196.15 ℃)를 냉각제로 사용할 수 있는 엄청난 ‘고온’이다. (여기서 ‘고온’이라고 표현했지만, 아직 임계온도는 영하 196.15도로 극히 낮은 온도다.)

고온초전도체의 경우에도 역시 전자들이 짝을 이뤄 행동하는 에너지 간격이 있음이 밝혀졌다. 하지만 전자간의 ‘어깨동무’를 가능케 하는 매개체가 무엇인지, 또 임계온도가 왜 이처럼 높은지는 아직까지 밝혀지지 않고 있다. 아직 밝혀지지 않은 이러한 매개체의 정체를 밝히는 것은 과학계 최대의 현안 문제 중 하나다.

초전도 현상의 다양한 응용 분야

그림 6 2013년 인천국제공항에서 운행하게 될 자기부상열차(위)와 부상 원리(아래). 사진 제공 : 동아일보

초전도체의 완전도체 성질을 이용하면 초전도 자석 부상열차, 송전선, 배전선뿐만 아니라 초전도의 위상효과(조셉슨 효과)를 이용한 소규모 응용이 가능하다. 현재 일본에서 시험 중인 초전도 부상열차는 시속 500km의 속력으로 지상에서 약 5cm 정도 뜬 채 달린다.

또한 조셉슨 효과를 이용한 초전도 양자 간섭 장치(SQUID, Superconducting Quantum Interference Device, 초전도 양자 간섭 소자)는 미세한 자기장(지구 자기장의 100억분의 1 수준)을 측정할 수 있다. 앞으로는 이를 이용해 사람의 심장이나 뇌의 전류흐름 때문에 생기는 미세한 자기장 검출과 진단에 응용할 수 있을 것이다. 이밖에 통신용 필터, 초전도 케이블 등 미래의 초전도 현상 응용분야는 점점 광범위해지고 있다.





출처 : 사이언스올