초전도체 쉽게 이해하기

최근들어 초전도체라는 말이 많이 들립니다.

한국의 K 대학교에서 초전도체 물질을 찾아냈다! 라는 논문으로 인해 이게 진짜인지에 대한 논란이 엄청 납니다.

 

논문이 밝혀지고 나서 이곳저곳에서 그 논문 내용의 진위여부를 밝혀내기 위해 많은 실험들이 빠르게 이루어 지고 있는데요,   대체 초전도체가 무엇이길래 이렇게 난리일까요?

 

 

초전도체란 무엇인가

 

초전도체란 어떤 물질이라도 전기저항이 0인 상태가 될 수 있다는 이론입니다. 이 때 저항이 0이라는 것은 전자들이 자유롭게 이동할 수 있다는 뜻이고, 이것은 곧 전류가 흐른다는 의미이기도 합니다. 하지만 실제로 이러한 현상이 일어나는 경우는 매우 드물고, 과학자들은 실험실에서 여러가지 방법을 이용해서 이를 실현하고자 노력했습니다.

 

초전도체는 특정 온도 이하에서만 전기저항이 0이 되는 물질입니다. 즉 상온에서는 전기저항이 매우 높은 물질이죠.

그렇다면 우리 주변에서도 쉽게 찾아볼 수 있지 않을까요?

 

예를 들면 구리나 알루미늄 같은 금속물질이요. 실제로 구리는 약 90K(-269°C)이하에서 저항이 0이 됩니다.

 

그러나 일상생활에서 쓰이는 대부분의 금속은 이렇게 낮은 온도에서 쓸 수 없습니다.

 

왜냐하면 너무 낮으면 열에너지 손실이 커서 효율이 떨어지기 때문이죠. 따라서 현재 상용화된 초전도체는 모두 극저온 상태에서만 전류가 흐르는 물질입니다.

 

왜 하필이면 영하 270도 일까요? 사실 모든 물질은 절대온도 0K(-273°C) 근처에서 완벽하게 저항이 0이 됩니다. 다만 지금까지는 물질의 특성상 -270°C이상으로는 냉각시킬 수 없었기 때문에 실용화가 불가능했죠.

 

최근 과학기술의 발달로 인해 액체헬륨과 같은 냉매를 이용하면 이론적으로 -272°C까지도 냉각시키는 것이 가능해졌습니다.

 

이제 곧 새로운 초전도체가 등장해서 기존의 한계를 뛰어넘을지도 모르죠.

 

 

초전도체의 발견

 

1911년 미국의 물리학자 리히터(Henry Richter)는 수은과 같은 액체 금속에서는 온도가 낮아질수록 전기저항이 작아진다는 사실을 알아냈습니다.

Henry Richter

그리고 1913년 네덜란드의 물리학자 반트호프(Ernst Van't Hoff)는 저온상태에서 물질의 전기저항이 갑자기 사라지는 현상을 발견하였습니다.

이렇게 두 사람 모두 우연히 발견하게 된것이죠.

이후 많은 과학자들이 다양한 종류의 물질들을 대상으로 연구를 진행하였고, 마침내 1986년 독일의 물리학자 슈바르츠실트(Konrad Schwarzschild)가 구리-니켈 합금계 재료에서 임계온도 이하에서 초전도현상이 나타난다는 사실을 밝혀내면서 비로소 초전도체라는 이름을 얻게 되었습니다.

 

 

 

초전도체는 왜 나타나는 건가요?

 

초전도체는 도체 내부에 존재하는 특정한 원자핵 또는 분자간의 반발력이 약해져서 발생한다고 알려져있습니다.

 

즉, 외부로부터 힘을 가하면 약한 부분이 끊어지거나 늘어나는데, 이때 끊어진 부분 혹은 늘어난 부분 사이에 새로운 결합이 형성되면서 강한 성질을 갖게 됩니다.

 

또한 다른 물체와의 접촉면이 넓어지면 서로 밀어내는 힘이 강해지는데, 이로 인해 원래 가지고 있던 고유의 특성이 변하게 됩니다.

 

따라서 초전도체는 주로 얇은 막 형태로 만들어집니다.

 

 

 

초전도체의 활용

 

초전도체는 고온에서만 활용되는 기존의 반도체나 절연체와는 달리 상온에서도 응용이 가능하기 때문에 미래 산업 전반에 걸쳐 폭넓게 쓰일 전망입니다.

특히 에너지 분야에서의 활약이 기대되는데요, 핵융합 발전용 연료전지 등 차세대 에너지원 개발에 큰 도움이 될 것으로 예상됩니다.

이외에도 자기부상열차, MRI, 항공우주산업 등 첨단 기술분야 곳곳에서 초전도체가 쓰이고 있습니다.