재미있는 과학이야기 - 초전도성이란 무엇인가?

 

 

 

재미있는 과학이야기 - 초전도성이란 무엇인가?

 

 

텔레비전이나 전자 레인지, 에어컨 등을 켤 때 이들이 작동하는 것은 전기 현상 때문이다. 전기, 즉 전류는 전자들의 흐름이다. 

 

전자는 보통 원자속에 존재하지만, 도체라고 부르는 금속 물질 속에서는 자유롭게 돌아다니기도 한다. 대부분의 금속은 전기가 잘 통하는 도체이다. 구리, 알루미늄, 은, 금 등은 아주 훌륭한 도체이다. 

 

상온에서 액체 상태로 존재하는 수은은 액체 상태에서나 고체 상태에서나 모두 훌륭한 도체이다(대부분의 금속들도 그렇지만). 그러나 아무리 훌륭한 도체라도 완전하지는 않다. 가장 훌륭한 도체라 하더라도, 그 속을 지나가는 전자들은 주위의 원자들이나 금속 속에 존재하는 불순물에 의해 끌어당겨지거나 밀려나게 된다. 

 

이 때문에 전자들은 속도가 느려지고, 그들이 가진 에너지의 일부를 상실한다(대개 열의 형태로). 전자가 이렇게 에너지를 상실하는 것은 전기 저항이라는 현상으로 나타난다. 저항은 원자 수준에서 일어나는 일종의 마찰 현상인데, 전기 기구를 오래  사용하면 열이 발생하는 것도 바로 이 때문이다. 

 

어떤 전기 기구들은 이러한 전기 저항을 이용하기도 한다. 전기 히터나 헤어 드라이어, 전기 난로등은 워하는 열을 발생시킬 수 있는, 저항이 큰 물질을 사용한다.

 

가장 훌륭한 도체라도 저항은 있기 마련이다. 구리선과 알루미늄선은 전기 저항 때문에 전체 전기 에너지 중 약 20%를 잃는다. 만약 송전 과정에서 전기를 조금도 잃지 않는다면, 얼마나 많은 돈과 자원을 절약할 수 있는지 상상해 보라! 바로 그러한 물질이 초전도체이다. 

 

초전도체는 저항이 전혀 없다. 전자들은 에너지 손실을 전혀 입지 않고 초전도체 속을 흐른다. 이렇게 저항 없이 전류가 흐르는 것을 초전도성이라고 한다. 아직 초전도성이 광범위하게 활용되고 있지는 않지만, 초전도성이 발견된 것은 꽤 오래 전인 1911년이다. 

 

그 해에 네덜라드의 물리학자 하이케 오네스는 수은을 초전도체로 만들 수 있는 방법을 발견하였다. 그  방법은 바로, 아주 차갑게 냉각시키는 것이었다. 상온은 15℃(297K)이며, 물은 0℃(273K)에서 언다. 수은은 -39℃(234K)에서 얼어 고체가 된다.  

 

수은을 초전도체로 만들기 위해, 오네스는 그것을  -269℃(4K)까지 냉각시켜야 했다. 이것은 가장 낮은 온도인 절대 0도보다 불과 4도 높은 온도이다. 4K의 온도에서는 우리가 숨쉬는 공기도 고체 상태로 변하고 만다. 

 

오네스가 수은을 그렇게 낮은 온도까지 냉각시킬 수 있었던 것은, 그 당시에 이미 헬륨 기체를 액화시키는 기술이 개발되었기 때문이다. 모든 원소 가운데에서도 헬륨은 가장 낮은 온도인 4K에서 액체로  변한다. 

 

오네스는 수은을 액체 헬륨 속에 집어넣음으로써 그것을 초전도체로 만들었다. 이것은 실로 놀라운 발견이었으며, 이 업적으로 오네스는 1913년에 노벨 물리학상을 받았다.

 

그러나 절대 0도 근처까지 냉각시켜야 하는 초전도체는 상업적인 이용 가치가 거의 없다. 이 온도까지 냉각시키는 데 드는 비용이 엄청나게 비싸기 때문이다. 그리하여 그보다 더 높은 온도에서 초전도성을 나타내는 물질을 개발하려는 경쟁이 시작되었다. 

 

초전도성이 나타나기 시작하는 가장 낮은 온도를 변환 온도(transition temperature)또는 임계 온도(critical 

temperature)라 하고, 기호로는 Tc로 나타낸다.

 

최근까지의 고온 초전도 물질을 발견하려는 경쟁은 비교적 서서히 진행되어 왔다. 주로 연구된 물질은 순수한 금속이거나, 합금이라 일컬어지는 금속들의 혼합물이었다. 

 

그 중에서 가장 나은 것이 니오븀과 제라늄의 합금으로, 1983년에 Tc는 23K를 기록하였다. 이 기록은 

1986년 1월 27일까지 거의 10년이 넘도록 깨지지 않았다(따라서 고온  초전도성이란 일반적으로 23K이상에서 초전도성을 나타내는 것을 말한다). 

 

바로 그날, 취리히의 IBM연구소에 근무하던 게오르그 베드노르츠와 알렉스 뮐러는 Tc를 30K까지 상승시키는 데 성공하였다. 

 

그런데 온도의벽을 깬 것보다 더 중요한 사실은 초전도 물질의 성분이었다. 그것은 금속이나 합금도 아니고, 산화물(산소를 함유한 화합물)이었다. 더 정확하게는 금속인 바륨, 란타눔, 구리 등이 산소와 함께 특별한 결정 배열 상태로 결합된 것이었다. 

 

이와 같은 종류의 금속 산화물은 자연 상태에서는 금속이라기보다 세라믹의 성질을 나타낸다. 세라믹 초전도체의 발견으로 초전도체 연구는 새로운 국면을 맞이했으면, 이 공로를 인정받아 베드노르츠와 뮐러는 1987년에 노벨상을 받았다.

 

그 다음에 바통을 이어받은 사람은 휴스턴 대학의 물리학자 폴 추와 그의 동료들이었다. 1986년 12월에 그들은 Tc를 40K로 올리는 데 성공하였다. 또한 바륨을 그보다 더 작은 원자인 스톤튬으로 대체함으로써, 그것을 다시 52K로 올리는 데 성공하였다. 

 

폴 추는 마치 연금술사처럼 금속 산화물의 조성을 여러 가지로 변화시키면서, 마법의 혼합 비율을 알아내려고 노력했다.

 

1987년 1월 20일, 마침내 폴 추는 이트륨(yttrium),바륨(barium), 구리(cooper), 산소(Oxygen)를 결합한 물질 (이것을 YBCO라 부르고, '이브코'라 발음한다)로 93K에서 초전도성이 일어나게 하는데 성공하였다. 

 

그러나 그래서 어쨌단 말인가? 이것은 여전히 실용적으로 이용하기엔 매우 낮은 온도가 아닌가?

 

매우 낮은 온도이긴 하나, 실용성이 없다는 것은 옳지 않다. 사실 이것은 일생 일대의 발견이라 할 만한 것이다. 폴 추는 질소가 액화하는 온도인 77K의 벽을 뛰어넘었던 것이다. 

 

카네기 재단의 지구물리학 연구소에 근무하는 로버트 하젠의 말을 인용해 보자.

 

"이는 단지 또 하나의 완벽한 전도체를 발견한 것에 불과한 일이 아니다. 이 초전도체는 77K이상의 온도에서 초전도성을 나타내었다. 77K는 값싸고 쉽게 다룰 수 있는 액체 질소를 사용할 수 있는 온도이다. 77K는 말하자면, 음속의 벽을 깬 것에 비유할 수 있다 .다시 말해서, 77K는 모든 차가운 물질의 효용성을 찬단하는 척도이다. 77K이하의 온도에서 일어나는 모든 현상은 신비스러운 호기심의 대상이지만, 실용적인 가치는 전혀 없다. 그렇지만 액체 질소는 누구나 살 수 있다(액체 헬륨은 1쿼트에 10센트 정도이며, 헬륨보다 60배는 더 오랫동안 액체 상태로 머문다). 폴 추의 팀은 그 장벽을 무너뜨린 물질을 발견한 것이다. 이것은 기이하게만 생각하던 초전도성을, 일상 생활에서도 볼 수 있는 현실적인 것으로 만들 수 있

다."

 

그후로도 고온 초전도 물질을 개발하려는 경쟁은 계속되었다. 비록 팡파르는 울렸지만, 93K는 아직도 매우 차가운 온도였다. 1988년에 연구자들은 이트륨을 탈륨으로 대체시켜,Tc를 127K까지 올렸다. 그리고 그후 약 5년간은 아무 일도 일어나지 않았다. 

 

몇몇 과학자들은 그것이 고온 초전도 물질이 이를 수 있는 한계가 아닌가 생각하기도 하였다. 물론 그들은 틀렸다.

 

1993년 5월 6일, 취리히에 있는 오스트리아 국립 기술연구소의 한스 오트는 그 화합물에 새로운 첨가물-옛 친구인 수은-을 넣어, 133K에서 초전도 현상이 일어나게 하는 데 성공했다고 발표하였다. 

 

그로부터 넉달 반 후, 이번에는 초전도 물질의 대부격인 폴 추가 위와 동일한 물질을 사용하면서도 15만 기압(우리 주위를 둘러싸고 있는 대기압의 압력은 1기압이다)이라는 초고압하에서 실험을 실시하여, 153K에서 초전도 현상을 실현시키는 데 성공하였다. 

 

그 다음 한 달 사이에 Tc의 기록은 여러 번 갱신되었으면, 1994년 8월 현재 164k를 기록 중이다(1993년 12월에 한 프랑스 연구팀이 250k까지 도달했다고 보고한 적이 있다. 

 

이것은 시베리아 지방의 바깥 기온과 비슷하다. 그러나 다른 과학자들은 그 데이터에 의문을 제기한다. 흥미로운 실험 결과이기는 하지만, 완전히 신뢰할 만한 것은 아니라는 것이다.

 

폴 추는 150K의 장벽을 넘어서는 것이 중요하다고 말한다."우선 우리는, 보통 가정에서 에어컨의 냉매로 사용하는 프레온 가스로도 초전도체를 충분히 냉각시킬 수 있게 되었다." 프레온은 액체 질소보다 훨씬 싸고 다루기도 쉽다.

 

Tc의 상한선에 대해 폴 추는, "180K에는 곧 도달할 수 있으리라고 믿는다. 어떻게 하면 거기에 갈 수 있는지 그 길은 아직 잘 모르지만."이라고 말하고 있다. 그는 자신이 늘하던 방식대로 주기율표에 있는 모든 원소를 샅샅이 훑으며 배합을 해보려 한다.

 

초전도성은 전혀 다른 분야의 연구에서도 발견되었다. 그 분야는 엉뚱하게도 유기화학(탄소 화합물을 다루는 화학)이다. 1986년에는 속이 빈 축구공 모양의 분자가 실험실에서 만들어졌다. 

 

그 주된 구조는 오면체 또는 육면테 모양을 하고 있었다. 이 분자의 이름은 벅민스터풀러렌(buckminsteerfullerence)이라 지어졌는데, 측지선 돔(geodesic dome)을 설계한 건축 공학자 벅민스터 풀러(Buckminster Fuller)의 이름을 딴 것이다. 

 

이를 간단히 줄여서 버키볼(Buckycall)또는 풀러렌(fullerence)이라 부르기도 한다. 버키볼은 지름이 400억분의 1인치인 소형 측지선 돔이다. 이들은 흥미로운 성질을 여러 가지 지니고 있는 유기 화합물인데,  그 중 한 가지가 초전도성이다. 앞으로 큰 기대를 모으고 있지만, 현재로서는 버키볼들이 초전도성을 나타내는 온도는 세라믹 산화물보다 훨씬 낮다.

 

유명한 물리학자인 펠릭스 블로흐는 이렇게 말한 적이 있다. "초전도성에 대하여 증명 가능한 유일한 정리는, 초전도성에 관한 어떠한 이론도 논란의 소지가 있다는 것이다."  시라쿠사대학의 물리학 교수 잔프란코 비달리는 『초전도성:다음 번의  혁명?』이라는 책에서 "우리는 아직 고온 초전도성이 어떻게 일어나는지 알지 못한다"고 했다. 

 

아인슈타인조차 여기에 달려들어 보았지만, 성공을 거두지는 못했다. 그러나 그간 많은 연구가 이루어졌고, 그에 따라 상당한 진전이 있었다.

 

그 대답들은 매우 복잡하고, 양자 역학이라는 추상적인 물리학분야의 이론마저 도입하고 있지만, 다행히도 우리는 양자론을 공부하지 않고도 초전도 현상이 어떻게 일어나는지 개략적으로 이해할 수 있다.

 

정상적인 전선-예컨대 구리선-에서는, 원자의 가장 외곽에 위치한 전자들이 원자에 아주 약하게 결합되어 있다. 그래서 전지나 발전기를 통해 전류를 흘려 주면, 이 전자들이 에너지를 얻어 전선을 이루는 원자들 옆을 미끄러지면서 이동하기 시작한다. 

 

원자들 자체는 격자라 불리는 특정 형태로 배열되어, 이들은 고정된 자리에 그대로 머물러서 결정을 이루고 있다. 그러나 원자들도 진동을 한다. 절대 0도 이상의 온도에서는 모든 원자들이 진동을 하며, 온도가 높을수록 더 많이 진동한다. 전기 저항이 생기는 주요  원인 중 하나가 바로 이것이다.

 

원자가 진동을 하면 전자는 그 옆을 미끄러져 지나가기가 어려워지며, 따라서 전자는 원자에 충돌하게 된다. 그로 인해 전자의 흐름이 방해를  받고, 전자는 에너지를 잃게 되는데, 이것이 전기 저항이라는 현상으로 나타나는 것이다. 

 

온도가 낮을수록 진동의 정도는 약해지고, 그에 따라 저항도 작아진다. 그렇지만 아무리 낮은 온도에서도 원자들은 여전히 진동을 하므로, 어느 정도의 저항은 존재하기 마련이다. 그렇다면 초전도 물질들은 어떻게 이 전기 저항을 없앨 수 있는가? 더구나 164K라는 비교적 높은 온도에서 어떻게 전기 저항을 나타

나지 않을 수 있는가?

 

그것을 전자들이 쌍을 이룸으로써 가능하다. 전자 쌍 이론은 1957년에 세 사람의 미국 물리학자가 제안하였다. 그 세 사람이란, 트랜지스터를 발명한 공로로 그 전년도에 노벨 물리학상을 받은 존 바딘, 컬럼비아 대학의 양자역학 전공 물리학자 레온 쿠퍼, MIT의 물리학자로서 전기공학자로 변신한 존 슈리퍼을 말한다. 그래서 이 이론은 이 세 사람의 이름 첫 자들을 따서 BCS이론이라 부른다.

 

전자 쌍 이론은 그리 새로운 개념은 아니다. 이는 1930년대에 물리학자 프리츠 런던이 처음으로 주장하였는데, 쌍을 이룬 전자들이 서로의 반발력을 어떻게 극복할 수 있느냐 하는 문제를 제대로 설명하지 못하여 지지를 얻지 못했다(같은 전하끼리는 밀어내는 힘이 작용한다.

 

전자들은 모두 음 전하를 띠고 있기 때문에 서로간에 밀어내는 힘이 작용한다).  BCS이론은 전자들이 진동하고 있는 원자들과 상호 작용을 하여, 결정 격자 속에 비틀린 공간을 만든다고 설명한다. 이 비틀린 공간이 전자들을 상으로 끌어당겨, 그들 사이의 반발력을 극복하도록 작용한다는 것이다. 

 

이 전자-격자 상호 착용은 부드러운 매트리스 위를 빠른 속도로 굴러가는 무거운 공에 비윧히었다. 비달리의 설명을 인용해 보자.

 

"만약 공이 충분히 빨리 굴러간다면, 스프링들은 공이 지나가고 난 후 조금 있다가 원래의 위치로 돌아갈 것이다. 이때, 그 옆을 지나가는 다른 공이 약간 가라앉은 그곳으로 흘러 들어올 수 있다. 우리는 이 두  공이 상호 작용을 했다고 말할 수 있다. 왜냐하면, 두 공이 서로의 존재를 느끼기 때문이다. 두 번째 공이 첫 번째 공이 있는 곳으로 끌어당겨지는 힘을 받기 때문에, 이 상호 작용은 서로 끌어당기는 성질의 것이라 할 수 있다."

 

상호 작용은 전자들이 서로 쌍을 이루게 하는데, 이렇게 이루어진  전자 쌍을 '쿠퍼 쌍(cooper pair)'이라 한다. 쿠퍼 쌍이 존재한다고 가정하면, 이야기는 달라진다

 

존 라곤은 그의 저서 『초전도성:새로운 연금술Superconductivity:The New Alchemy)』에서 이것을 다음과 같이 설명한다.

 

"초전도체 속을 지나가는 전자들은 바퀴 저국, 구멍, 돌덩이들이 흩어져 있는 들판을 행진하는 한 소대의 병사들과 같다. 만약 병사 하나가 걸어간다면, 그는 많은 장애물로 인해 걸려 넘어지거나 빠지거나 할 것이다. 그러나 두 명씩 짝을 지어 손을 잡고 서로 바짝 붙어서 행진한다면, 그들은 큰 탈 없이 지나갈 수 있다. 한 사람이 구멍에 빠지더라도, 옆의 동료가 그를 붙잡고 끌어내어 계속 행진할 수 있기 때문이다. 더구나 각 쌍은 항상 자기 앞과 뒤에 쌍을 지어 행진하는 동료들이 있기 때문에, 구멍에 빠진다는 것은 일어나기 힘들다."

 

초전도성을 설명한 공로로 바딘과 쿠퍼, 슈리퍼는 1972년에 노벨 물리학상을 받았다. 바딘은 노벨 물리학상을 두 번씩이나 받게 되었는데, 이것은 예전에 그  누구도 이루지 못했던 일이다.

 

BCS이론을 초기의 초전도체들, 즉Tc가 낮은 금속이나 합금  초전도 물질들에 대해서는 아주 잘 설명할 수 있었다. 그러나 1980년대 중반 이후 고온 초전도체들이 등장하면서 세라믹(금속 산화물) 초전도체 시대가 열리자, BCS이론은 이들 물질 (산소와 구리가 주요 성분)의 초전도성까지는 완벽하게 설명하지 못했다. 

 

쿠퍼 쌍은 여전히 꽤 중요한 역할을 하는 것으로 보였지만, 그 밖의 다른 과정들이 작용하고 있는지도 모른다. 과학자들은 산소의 양이 매우 중요하다는 사실-많을수록 더 좋다-그리고 산소 원자들이 구리 원자들과 연결되어, 초전도 전류가 지나갈 수 있는 고리나 면을 형성한다는 사실을 알아내었다. 

 

세라믹 속의 다른 금속들도 쿠퍼 쌍을 이루는 전자들을 공급한다는 점에서 상당히 중요하다. 그렇지만 실제로 어떤 일이 진행되고 있는지를 완벽하게 아는 사람은 아무도 없다. 

 

 

초전도성의 꿈을 실현하는 데 장애가 되는 문제들에 대해 해결책을 내놓은 이론가는 아무도 없다. 그러한 문제들 중 하나는 마이스너 효과와 관계가 있다. 만약 자기장이 충분히 세다면, 그 자기장은 초전도체의 반발력을  물리치고 뚫고 들어가, 초전도성을 파괴해 버리고 말 것이다. 

 

이러한 현상이 일어나는 시점의 자기장의 세기를 '임계 자기장'이라 부른다. 문제는 전류가 자기장을 만들어 낸다는 것이다. 여기서 모순이 발생한다. 초전도체가 상업적으로 이용할 수 있을 만큼 충분한  세기의 전류를 보내려 하면, 자신의 초전도성을 파괴할 수도 있는 어마어마한 자기장이 생겨나기 때문이다. 

 

현재까지 발견된 초전도체들의 임계 자기장은 큰  규모로 이용할 수 있을 만큼 충분히 높지 못하다. 그렇지만 희망도 있다. 초전도체들은 1형과 2형의 두 가지로 나뉜다. 

 

1형은 아주 낮은 온도에서만 초전도성을 보이는 순수한 금속 물질을 말한다. 이들은  아주 작은 임계 자기장을 가진다. 

 

2형은 더 높은 온도에서 초전도성을 보이는 합금와 세라믹 산화물이다. 이들의 임계 자기장은 상당히 높아서, 머지않은 장래에 상업적으로 이용할 수 있는 수준에 도달하리라는 희망이 엿보인다.

 

그런데 또 한 가지 문제가 있다. 초전도체 속을  흐르는 전류의 양이 '임계 전류량'이라는 어느 한계를 넘어서면, 초전도성이 상실되고 만다. 

 

현재 액체 질소 속에서 초전도성을 나타내는 물질들의 임계 전류량은, 상업적으로 실용화하는 데 필요한  전류의 100분의 1에도 미치지 못한다.

 

상황은 이렇듯 그다지 좋지 않다. 대규모의 산업 혁명을 몰고 올 큰 변화의 잠재력이 있으나, 거기에는 그에 못지않은 문제들도 있다. 초전도성은 군이나 새별 기업에서 제한된 용도로 사용되고 있지만, 상업적으로는 아직 그 기대를 실현시키지 못하고 있다. 

 

아직 기술이 충분히 개발되지 않았거나 비용이 너무 많이 들기 때문이다. 자기 부상 열차의 경우, 원한다면 우리는 그것을 달리게 할 수도 있지만 1마일의 선로를 까는 데 3천만 달러의 비용을 감당해야 한다.

 

해가 갈수록 기대는 점점 현실적으로 다가온다. 새로운 연금술사들이 나날이 더 높은 임계 온도와 임계 자기장, 그리고 임계 전류량을 가진 새로운 초전도 물질들을 만들어 내고 있다. 지금까지 이 새로운 연금술사들에게 9개의 노벨상이 돌아갔다.