전기저항 제로의 물질 '초전도체'에 대한 이해

by Julien Bobroff

에너지 소비 확대로 인한 환경 영향과 자원 고갈이 사회문제입니다. 저온에서 전기저항이 제로가 되는 물질인 초전도체는 전력 수송에 혁명을 가져올 수 있을 뿐만 아니라 의료나 교통 등 폭넓은 분야에 응용이 기대되고 있는 꿈의 물질입니다. 보다 저비용으로 보다 고성능인 초전도체 개발을 하기 위해 전세계에서 연구가 진행되고 있습니다.

▣ 초전도란 어떤 현상?
특정 물질을 저온까지 식히면 전기저항이 제로가 되는 등 특수한 성질을 가지게 되는 현상으로, 그러한 물질을 초전도체라고 부릅니다.

전류는 전자가 흐르는 것으로 인해 생겨납니다. 원자가 나란히 형성하는 결정격자 안을 전자가 흐를 때 격자가 전자가 가지는 운동에너지를 조금 빼앗아 버려 전자가 감속해 버리는 현상이 있습니다. 간단히 설명하면 결정격자가 체육관이고 그 안에 전자라는 공을 여러 번 던진다면 공이 테두리에 부딪치게 되고 잘 통과할 수 없는 현상이 여러 번 일어날 것인데, 이러한 메커니즘은 전기저항의 원인 중 하나입니다.

그러나 초전도 상태에서는 달라집니다. 이 때 전자는 2개씩 쌍이 되어 움직이고, 1번째의 전자로부터 빼앗긴 운동에너지를 2번째의 전자가 똑같이 그대로 받습니다. 따라서 전체적으로 에너지가 전혀 손실되지 않습니다. 이 상태는 임계온도라는 온도보다 낮을 때 발생합니다. 임계온도는 물질에 따라 다르며, 가능한 한 임계온도가 높은 초전도체를 만드는 것을 목표로 연구가 진행되고 있습니다.

▣ 지금까지의 초전도 연구의 흐름
1911년에 네덜란드의 연구자가 수은에서 초전도 현상을 발견한 것을 계기로 초전도의 연구가 시적되었고 1957년 미국의 연구자들이 발표한 BCS이론에 의해 '전자가 쌍이 되어 움직인다'는 메커니즘이 제시되었습니다.

임계온도는 연구가 진행됨에 따라 점진적으로 계속 상승했지만 여전히 초전도가 일어나는 조건은 매우 저온으로 제한되었습니다. 그런데 1986년 스위스의 연구자들에 의한 구리산화물 초전도체의 발견에 의해 임계온도가 단번에 상승하였고 1993년에는 수은을 포함한 구리산화물에서 약 마이너스 140도의 임계온도가 보고되었습니다. 이 임계온도는 저렴한 액체 질소로 냉각 가능한 약 마이너스 196도보다 훨씬 높았고, 초전도체 연구는 단번에 고조되었습니다. 그러나 이 물질은 가공이 어려운 세라믹이거나 유독한 수은을 포함하기 때문에 실용화가 어려웠습니다.

2000년대에는 비교적 가공이 용이한 금속의 화합물에서 고임계온도의 초전도체가 발견되었고 2001년에는 이붕화 마그네슘의 초전도, 2008년에는 철계 초전도체가 발견되었습니다. 철계 초전도체는 지금까지 약 마이너스 218도의 임계온도를 가지는 것으로 보고되고 있습니다. 그러나 초전도체는 고가의 희토류를 포함하여 대량 생산에 어려움이 있습니다.

최근에는 2015년 독일의 연구자들로부터 황화수소가 약 150만 기압의 초고압 하에서 임계온도 약 마이너스 70도에서 초전도를 나타낸다는 보고가 있었습니다. 초고압이어서 즉시 실용화할 수 있는 것은 아니지만 실온에 가까운 임계온도의 초전도체가 확실히 존재하는 것을 나타내는 중요한 결과라고 할 수 있습니다.

by Trevor Prentice

▣ 어떻게 초전도체를 만드는가?
크게 두 가지 접근법이 있습니다. 하나는 처음부터 새로운 물질을 설계하는 것이고 다른 하나는 기존 물질의 조성을 재조합하는 것입니다.

전자가 쌍을 형성하고 초전도가 실현되기 위해서는 전자쌍의 형성을 매개하는 것과 전자 사이에서 에너지의 전달이 일어나야 하며, 그 때문에 매개역에 안정된 질서가 아니라 '요동'이 요구됩니다. 체육관의 예에서 결정격자는 그 요동을 가지고 있으며 전자쌍의 형성을 매개합니다. 이 밖에 요동은 자기 모멘트(물질 중에 있는 미소한 자석)의 방향이나 전자의 배치로도 만들 수 있고, 안정된 구조로부터 그 질서를 무너뜨림으로써 전자쌍의 형성을 매개시킬 수도 있습니다. 이러한 요동이 생성하는 초전도의 임계온도는 격자 요동을 사용하는 경우보다 높을 것으로 예상됩니다. 3차원적으로 같은 구조가 이어지는 물질은 안정성이 높고 요동을 일으키기 어렵기 때문에 얇은 층상의 구조를 여러 층에 쌓은 밀푀유와 같은 물질을 주로 설계해 갑니다.

새로운 물질에 대한 접근법 중 하나는 화학의 지식에 근거하여 사고상에서 다양한 구조체를 레고블록처럼 조립해 나가는 방법입니다. 예를 들어 철은 정사면체, 플래티넘은 정사각형 등으로 정해진 기본구조가 있습니다. 이것들을 어떻게 조합하면 목적의 구조가 완성되는지 또 그 구조끼리가 제대로 연결되어 결정이 될지 어떨지를 음미하면서 조합해 갑니다. 이 때 각각의 원소가 가지는 기본 성질이 중요해지기 때문에 원소의 주기율표를 고려하면서 생각합니다. 그 후 전자가 결정 중 어디를 흐르는지, 초전도를 일으킬 수 있는지 등을 물리적인 지견에 근거해 검토한 후 실제로 물질을 합성합니다.

기존 물질을 이용한 새로운 초전도체의 개발에서 최근 흥미롭다고 생각하는 것은 천연 광물의 조성을 일부 재조합하는 접근법입니다. 자연적으로 존재하는 물질은 기본적으로 안정한 구조를 가지므로 일부의 결합을 끊거나 일부의 구조를 다른 분자로 치환하는 등을 하면 요동이 발생하여 초전도가 일어나기 쉬워지는 것 같습니다. 예를 들어 칼라버라이트(Calaverite)라는 천연광물은 구조 내에 포함된 텔루르의 분자가 전자의 흐름을 방해하고 있다고 추측할 수 있었습니다. 거기서 분자의 결합을 절단해 준 결과 새로운 초전도체가 되었습니다. 천연광물은 대량으로 산출하기 쉽고 생각도 하지 않았던 초전도체의 힌트가 보인다는 기대감도 가지고 있어서 큰 가능성을 지니고 있습니다.

▣ 향후의 전망
임계온도가 가능한 한 높은 초전도체의 발견을 목표로 하고 있으며 액체 질소로 초전도를 일으킬 정도가 이상적이지만 가공이 용이한 물질이면 마이너스 250도 정도에서도 충분히 채산성을 취할 수 있습니다. 실용화에서는 독성물질이나 희토류를 최대한 사용하지 않는 것도 중요합니다.

철도 구리도 아닌 원소를 베이스로 한 고임계온도의 초전도체의 개발도 이루어지고 있는데, 예를 들어 망간을 기반으로 한 고임계온도의 초전도체는 아직 만들어지지 않았습니다. 망간을 사용하는 물질은 매우 안정적인 자기 모멘트의 방향과 전자 배치의 질서를 가지고 있습니다. 그 때문에 통상은 초전도를 일으키기 어려운데, 그 질서로부터 능숙하게 요동을 만들어 그것을 이용하는 방법이 발견되면 고임계온도의 초전도체를 발견하기 위한 큰 돌파구가 될 가능성이 있습니다.

▣ 초전도 기술의 응용
에너지의 큰 절약으로 이어집니다. 전선으로 운반되는 전력 중 5% 정도가 전기저항에 의해 도중에 손실되고 있습니다. 액체 질소 등으로 초전도체를 감싸는 특수한 케이블을 이용함으로써 전력의 초장거리 수송이 가능해집니다. 예를 들어 사하라 사막의 면적의 4분의 1에 태양광 패널을 깔면 전세계 전력소비를 만족시킬 수 있다고 합니다. 궁극적으로는 지구상의 빛이 비치고 있는 장소에서 발전해 수요가 있는 장소에 정확하게 송전한다는 지구 규모에서의 효율적인 에너지 이용도 가능하게 될지도 모릅니다.

또한 전기저항이 0이면 매우 큰 전류를 흘릴 수 있기 때문에 초전도체는 강력한 전자석이 될 수 있습니다. 이것으로 차체를 띄워 초고속 주행을 가능하게 한 것이 이미 실용화가 진행되고 있는 리니어 모터카입니다. 그 외 몸의 단면을 촬영하는 MRI(자기공명 화상)도 강력한 전자석으로 그만큼 선명한 화상을 찍을 수 있게 됩니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 電気抵抗ゼロの物質「超電導体」を創り出す
https://www.okayama-u.ac.jp/tp/research/focus_on_11.html