초전도체 ()
내용 요약
초전도체는 매우 낮은 온도에서 전기저항이 0에 이르러 초전도 현상이 나타나는 도체이다. 자기장이 들어가지 못하는 제1종 초전도체와 자기장이 침투하지만 초전도성을 유지하는 제2종 초전도체로 구분된다. 제1종 초전도체는 나이오븀(Nb), 바나듐(V) 등 금속 원소이며, 제2종 초전도체는 합금, 화합물 등이 해당된다. 초기에 발견된 제2종 초전도체는 NbTi, Nb₃Sn 등 합금이 있다. 현재 실용화된 초전도 기기는 저온 초전도체로 만들어졌다. 대표적인 것은 병원에서 볼 수 있는 MRI, 연구용 SQUID, 입자가속기 등이 있다.
정의
매우 낮은 온도에서 전기저항이 0에 이르러 초전도현상이 나타나는 도체.
개설
특정 온도 이하가 되면 전기저항이 0이 되는 물질을 초전도체라고 한다. 초전도체는 주1의 특성에 따라 자기장이 들어가지 못하는 제1종 초전도체와 자기장이 침투하지만 초전도성을 유지하는 제2종 초전도체로 구분된다. 제1종 초전도체는 주2, 주3 등 금속 원소이며, 제2종 초전도체는 합금, 화합물 등이 해당된다.
특히 제2종 초전도체는 내부에 자기장이 들어가면서도 무저항을 유지하는 성질을 가지고 있다. 초기에 발견된 제2종 초전도체는 NbTi, Nb₃Sn 등 합금이 있다. 이는 액체 헬륨으로 냉각해야 할 정도의 낮은 온도(영하 260도 이하)에서 초전도성을 나타내므로 ‘저온 초전도체’라고 부른다.
1987년부터 발견되기 시작한 세라믹 계열 초전도체 역시 제2종 초전도체인데, 합금계보다는 수십도 높은 온도에서 초전도성을 나타내므로 ‘고온 초전도체’라고 부른다.
연원 및 변천
1911년 네덜란드 라이덴 대학의 카멜린 온네스(Heike Kamerlingh-Onnes)가 수은의 전기저항을 측정하는 실험을 하다가 절대온도 4.2K(영하 268.8℃)에서 전기저항이 갑자기 없어지는 현상을 발견하고, 이를 초전도현상(superconductivity)이라고 하였다.
이후 초전도현상을 규명하려는 노력과 함께 새로운 초전도체를 찾기 위한 연구가 시작되어 합금계 저온 초전도체들이 하나씩 발견되었고, NbTi를 사용한 초전도 선재도 만들어졌다. 또 전자석 등을 만들어 초전도를 이용하려고 하는 시도도 계속되었다.
1987년에는 스위스의 베드노르츠(Johannes Bednorz)와 뮐러(Karl Müller)에 의해 고온 초전도체가 발견되었다. 이후 초전도는 세계적인 관심을 일으킨 연구 주제가 되었고, 더 높은 온도에서 초전도가 되는 물질을 찾기 위한 경쟁이 시작되었다.
현재도 점점 더 높은 온도의 초전도체가 발견되고 있지만, 세라믹 계열 고온 초전도체는 선재로 만들기가 어려워 아직 실용화되고 있지는 않다. 지금까지 초전도 현상 연구에 대해 1913년, 1972년, 1973년, 1987년, 2003년 등 5회에 걸쳐 노벨상이 수여되었다.
내용
초전도체는 주4보다 낮은 온도에서만 초전도상태가 된다. 임계온도가 너무 낮으면 초전도체를 실용화하기 어려우므로 임계온도를 높이는 것이 중요한 문제로 다루어졌다. 임계온도는 고정된 값이 아니고 자기장과 전류와도 관계가 있다. 예를 들어 초전도체가 자기장 속에 있거나 전류가 흐르고 있으면 임계온도가 더 낮아진다.
따라서 임계온도가 높다고 해서 무조건 좋은 초전도체라고 할 수는 없다. 자기장 내에서의 임계온도가 자기장이 없을 때에 비해 현저히 낮다면 사용하기 어렵다. 그 외에도 초전도체는 기계적, 열적으로 다루기 어려운 여러 가지 특성이 있기 때문에 실용화를 위해서는 여러 분야가 복합된 기술이 필요하다.
현황
현재 실용화된 초전도 기기는 모두 저온 초전도체로 만들어진 것이다. 대표적인 것은 병원에서 볼 수 있는 주5, 연구를 위한 특수한 목적에 사용되는 주6, 입자가속기 등이 있다.
고온 초전도체는 계속 연구되고 있지만, 저온 초전도체보다 다루기 어려운 재료인 관계로 연구 개발에 난항을 겪고 있다. 우리나라의 경우 초전도체 자체보다는고온초전도체를 사용한 선재 개발과 전력용 케이블 · 전동기 · 발전기 · 전력저장장치 등 대형 기기를 중심으로 연구개발이 진행되고 있다.
참고문헌
『열정과 야망의 전기 이야기』(김석환, 대영사, 2010)
『초전도공학 개론』(김석환 외, 대영사, 2004)
주석
