초전도체 발견의 역사
1908년, 네덜란드의 과학자 헤이커 카메를링 오네스(Heike Kamerlingh Onnes)는 액체 헬륨을 만드는데 성공하여, 이를 이용하여 오네스는 저온에서의 물질의 전자 거동을 측정하기 시작했습니다. 1911년, 오네스는 여러 금속의 저항을 측정하던 중 특정 온도에서 수은의 전기저항이 극도로 낮아지는 현상을 발견했습니다. 이후 수은 외에도 많은 종류의 물질이 초전도성을 가질 수 있음이 밝혀졌습니다.
초전도체 개념
초전도체는 임계 온도 이하의 저온에서 전기 저항이 없어지는 물질입니다. 이러한 저항의 변화가 급격히 발생하게 되는데, 초전도체는 전기 저항이 특정 온도에서 급격히 감소하여 거의 0에 가까운 영점으로 이르며 추가 냉각해도 이러한 저항이 지속됩니다. 이러한 현상이 이름이 가리키는 것처럼 초전도체의 가장 중요한 특징이라고 할 수 있습니다. 초전도체가 초전도 상태를 나타내는 온도를 임계 온도(Critical temperature, TC)라고 합니다. 초전도체와 일반적 금속재료의 저항-온도 특성은 그림과 비교하여 나타납니다. 임계 온도는 초전도체에 따라 다르며, 금속과 금속 합금의 경우 1K 미만에서 20K 정도 사이에 있습니다. 일부 복합 산화물 세라믹이 100K 이상의 임계 온도를 갖는 것이 확인되었습니다. 이러한 임계 온도를 올리는 것이 초전도체 연구의 핵심이라고 할 수 있겠습니다.
TC 이하의 온도에서 일정한 크기의 자기장이 가해지면 초전도 상태가 끝납니다. 이를 임계 자기장(HC)이라고 하며, 온도에 따라 변화하며 온도가 증가함에 따라 감소합니다. 즉, 온도가 증가하면, 작은 크기의 자기장으로 초전도 상태를 끝낼 수 있다는 의미입니다.
마이스너 효과(Meissner effect)는 초전도체가 특정 온도인 임계 온도 이하에서 자기장에 노출될 때 나타나는 현상입니다. 이 효과는 초전도체가 자기장을 배제하는 특성을 나타내며, 초전도 상태에서 완전히 반자성을 보여줍니다. 초전도체는 일정한 온도인 임계 온도 이하로 냉각되면 전기 저항이 사라지고 전류가 오랜 시간동안 흐를 수 있게 됩니다. 또한, 임계 온도 이하에서 초전도체에 자기장이 가해지면 자기장의 영향을 거의 받지 않고, 자기장을 완전히 배제합니다. 이것이 바로 마이스너 효과입니다. 마이스너 효과를 설명하기 위해 초전도체를 자기장 H가 적용된 상태로 두면, 임계 온도 이하에서 초전도체는 자기장을 자체적으로 취약한 자기장을 생성하여 자기장과 상호작용하게 됩니다. 이러한 상호작용은 외부 자기장의 강도와 방향에 따라서도 나타나지 않습니다. 초전도체는 외부 자기장을 피해 원래 상태인 반자성 상태를 유지하려는 경향이 강합니다. 초전도체는 자기장이 적용된 지점에서 자기장을 배제하고 자기선의 통과를 허용하지 않습니다. 이는 초전도체가 외부 자기장에 의해 양자화되지 않는 자기선을 만들어내는 것을 의미합니다. 이러한 특성은 많은 실용적인 응용분야에서 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 자기 부력을 이용하여 초전도자가 부력에 의해 떠오르는 부유열차나 자기부력을 이용한 부력 저장 장치 등이 있습니다. 또한, 초전도체를 이용하여 강력한 자기장을 생성하는 자석 등에도 사용됩니다.
초전도체의 응용분야
1. 자기 부력 기술: 초전도체의 마이스너 효과로 인해 외부 자기장을 배제하고 자기선을 만들어내는 능력이 있습니다. 이를 활용하여 부력을 이용하여 부유하는 부유열차나 자기 부력을 이용한 부력 저장 장치 등이 개발되고 있습니다.
2. 자기 고립 기술: 초전도체는 자기장을 완전히 배제하는 특성으로 인해 자기 고립 기술에 활용됩니다. 자기장에 민감한 실험 장치나 고감도 계측 기기에 사용되어 외부 자기장으로부터 영향을 받지 않고 정확한 측정이 가능합니다.
3. 강력한 자기장 생성: 초전도체는 강력한 자기장을 생성하는 데에도 사용됩니다. 이러한 강력한 자기장은 핵자기 공명 분광법(NMR), 자기공명영상(MRI), 초고주파 전자회로 등 다양한 분야에서 활용됩니다.
4. 전력 전송과 저장: 초전도체는 전기 저항이 없기 때문에 전기 전송에 사용되면 전기 손실을 최소화하고 효율적인 전력 전송을 가능하게 합니다. 또한, 초전도체는 에너지 저장 장치인 초전도 자기 저장 장치(SMG)에서 에너지를 효율적으로 저장할 수 있는 능력을 가지고 있습니다.
5. 자기 센서: 초전도체는 자기 센서 개발에도 활용됩니다. 자기장의 변화를 민감하게 감지하여 지진, 지구 자기장, 자기 탐지 등에 사용됩니다.
6. 핵융합과 핵 입자 가속기: 초전도체는 핵융합 발전 및 핵 입자 가속기에서 강력한 자기장을 생성하여 중성자를 가두거나 입자를 가속하는데 사용됩니다.
7. 의학 분야: 초전도체는 의학 분야에서도 널리 사용됩니다. MRI 기기에서 초전도 마그넷을 사용하여 정확한 영상을 얻고, 의료 진단에 큰 도움을 줍니다.
참고
[1] William D. Callister Jr., David G. Rethwisch, Materials Science and Engineering
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