Article 25 (Part 1). 도대체 초전도체가 무엇이길래?
2023년 고려대 연구진과 고려 출신이 창업한 퀀텀에너지연구소는 꿈의 물질로 알려진 상온·상압 초전도체를 개발했다고 2편의 논문을 사전 공개사이트 '아카이브(arXiv)'에 게재하면서 전 세계 과학계가 들썩이고 관련 증시까지 영향을 받는 일이 있었다.
기존의 초전도체는 극 초저온이나 초고압 조건에서만 초전도 현상을 보였는데. 퀀텀에너지연구소에서 발표한 LK-99는 상온 및 상압에서 초전도 현상을 보인다고 발표하면서 세계적으로 LK-99는 큰 주목을 받았다. 특히 우리나라에서 발표된 만큼 국내에서도 상당한 관심과 황우석 사건이 재현되는것 아니냐라는 우려도 있었다.
논문에는 LK-99 성분과 조성, 제조법도 구체적으로 제시되어 있었으나 출판된 아카이브(arVix)는 피어리뷰를 거치지 않아도 자유롭게 논문을 게재할 수있는 사이트로 재현여부의 확인이 필요하다는것이 과학계의 조심스러운 조언이었다.
결국 여러나라의 연구팀이 재현한 결과 LK-99의 초전도성은 전혀 재현되지 않았으며. 초전도체가 아니라 부도체라는 결론이 지배적이면서 대중들의 관심에서 멀어졌다.
그럼 2023년에 과학계를 떠들석 하게 했던 초전도체에 대해서 알아보자
Part 1
1.초전도체란?(Superconductor)
2. 온도와 전기 저항
3. 초전도 현상 BCS 이론
4.마이스너 효과(Meissner effect)
Part 2
5. 상온에서의 초전도 물질을 위한 연구
6. 초전도를 적용 제품
1. 초전도체란?(Superconductor)
임계 온도(critical temperature,Tc) 이하의 초저온에서 금속, 합금, 반도체 또는 유기 화합물 등의 전기 저항이 갑자기 0이 되어 전류가 장애 없이 흐를수 있는 상태를 초전도 현상(superconductivity) 이라고 한다. 이때 외부 자기장과 반대방향의 자기장을 형성하여 반자성(diamgnetism)을 띠게된다. 이러한 초전도 현상이 일어나는 물질을 초전도체(superconductor) 이라고 한다.
1911년 네덜란드의 물리학자 헤이커 카메를링 오너스(1853~1926)는 수은을 절대 영도에 가까운 -269.2도(4.2K)까지 냉각하면 전기저항이 사라진다는 발견을 시작으로 실험과 이론에서 활발하게 연구하고 있다.
그래서 초전도체는 공중에 있는 이미지로 표현이 되어 있다. 초전도 물질은 외부에서 가해진 자기장을 튕겨 내거나 자기장이 통과하는 부분이 일부분에 고정되는 특징으로 초전도 물질을 강한 자석이 가까이 하면 공중으로 떠오른다
2. 온도와 전기 저항
초전도 현상은 물질의 전기저항이 0이 되는 매우 특별한 상태를 의미한다. 이를 이해하려면 먼저 전기저항이 어떻게 생기는지 알아야 한다. 고체 물질은 전류가 잘 흐르는 도체, 일부만 흐르는 반도체, 거의 흐르지 않는 절연체로 구분되며, 금속은 대표적인 도체이다. 금속 내부에서는 자유전자들이 결정 구조 사이를 이동하면서 전류를 형성한다.
그러나 이 전자들은 이동 중 금속 이온과 충돌해 에너지를 잃게 되고, 이러한 충돌로 인해 발생하는 에너지 손실이 전기저항이다. 이로인해 잃은 에너지는 열에너지로 변해 전류 흐름의 손실을 만든다. 일반 물질은 온도가 낮아질수록 저항이 줄어들지만, 전자 산란이 완전히 사라지지 않아 전기저항이 0이 되지는 않는다.
결국 일반적인 물질은 전자가 금속 이온과 충돌하면서 전기 저항이 생기는데 저온이 될수록 전기저항은 줄지만 불순물이나 다른 결함으로 인해 완전히 사라지지는 않는다. 그러나 초전도 물질은 어떤 온도(임계 온도) 이하로 내려가면 갑자기 전기 저항 0으로 되면서 없어지게 된다. 전기저항이 0이 되면 전류는 전원 공급 없이도 계속 흐를수 있다는 이야기가 된다.
3. 초전도 현상 BCS 이론
일부 물질이 어떤 온도까지 낮추면 전기저항이 갑자기 0이 되는 현상을 초전도현상이고 그 물질을 초전도체라고 했다. 이때 초전도 상태가 시작되는 온도를 초전도 임계온도라고 하며, 모든 물질이 냉각만으로 초전도가 되는 것은 아니고 임계온도 또한 물질마다 다르다.
그런데 이러한 초전도 현상은 오래전부터 알려져 있었지만, 양자역학으로 설명되는 초전도체는 발견당시에는 양자역학이 존재하지 않아서 그 원리는 수십 년 동안 밝혀지지 않았다.
1972년 노벨 물리학상을 받은 존 바딘(John Bardeen), 리언 쿠퍼(Leon Neil Copper), 존 로버트 슈리퍼(John Robert Schrieffer)가 양자역학을 사용해 이론적으로 설명하면서 이들의 이름을 따서 BCS 이론으로 불리고 있다.
일반적인 도체에서 물질의 전기적 특성은 페르미 에너지 근처에서 가장 에너지가 높은 전자들에 의해 결정된다. 1956년 쿠퍼는 페르미 준위에서 두 전자 사이에 인력이 작용하면 두 전자가 결합 상태를 형성하는 것을 증명하면서 이러한 두 전자를 쿠퍼 쌍으로 불리게 되었다.
두 전자는 전하가 같아서 서로 밀어내야 하므로 서로 끌어당길수는 없지만 원자 내에서는 이런 상호작용이 가능하다. BCS 이론에 따르면 금속 내부를 이동하는 전자는 쿨롱인력 때문에 주변의 양전하를 띤 원자핵을 지나가면서 약간 자신의 쪽으로 당기면서 결정 격자를 미세하게 변형시킨다. 이 변형은 다른 전자가 주변보다 양전하의 밀도가 높은 영역을 인지하고 이 영역으로 끌려가면서 간접적으로 이전 전자도 끌리게된다. 파울리 배타 원리에 따라 쿠퍼 쌍을 이루는 두 전자는 서로 반대 방향의 스핀을 가지게 된다.
이렇게 조건이 맞으면 두 전자는 쿠퍼 쌍이라는 쌍이 만들어지는데 이때 처음의 전자가 격자의 변형으로 전자가 잃은 운동 에너지를 나중에 온 전자가 잃은 운동에너지를 받아들여 쌍을 이루면 운동에너지는 사라지지 않고 전기저항도 받지 않아 에너지 손실이 발생하지 않는다.
이러한 쿠퍼 쌍은 하나의 보스 입자처럼 행동하며, 여러 쌍이 동시에 같은 상태를 공유할 수 있다. 초전도란 수많은 쿠퍼쌍이 집단적으로 움직이면서 양자역학적 성질이 거시적인 물질의 특성으로 나타난 현상이라고 볼 수 있다.
| 1. 전기 저항 금속선을 통해 전류를 운반하는 전자는 일반적으로 저항을 받는다. 이 저항은 전자가 금속 원자의 진동하는 격자를 통과하면서 발생하는 충돌과 산란에 의해 발생한다. |
2. 임계 온도 금속이 저온으로 냉각되면 격자 진동이 느려진다. 움직이는 전자는 주변 금속 원자를 끌어당겨 전자 뒤에 양전하를 띤 파동을 생성한다. 이 파동은 또 다른 주변 전자를 끌어당길 수 있다. |
| 3. 쿠퍼 쌍 두 전자는 쿠퍼 쌍이라고 불리는 약한 결합을 형성하며, 이 결합은 각각 따로 움직이는 두 전자보다 저항이 작다. 더 많은 쿠퍼 쌍이 형성되면 같은 방식으로 작용한다 |
4. 초전도 쿠퍼 쌍이 불순물에 의해 산란되더라도 다른 쌍들과 빠르게 다시 제자리를 찾는다. 이로 인해 전자는 금속 원자 격자를 통해 방해받지 않고 흐를 수 있다. 저항이 없기 때문에 전류는 수년 동안 지속될 수 있다. |
Low Temperature Superconductivity, https://physics.stackexchange.com/
전기저항을 줄이기 위해서는 온도를 낮추어야한다
온도가 높아지면 금속이온의 진동에너지가 증가하여 진동이 더 활발해진다. 금속 내에서 전류를 전달하는 자유전자들은 결정격자 내에서 양이온 사이를 이동하는데 금속이온의 진동이 증가하여 전자가 금속이온과 충돌하면서 전자가 이동하기 어려워지면서 운동에너지를 잃게 된다. 이로인해 전기저항이 커지면서 전도성이 감소하고 발열량도 많아지는 현상이 나타난다. 반면 저온에서는 금속이온의 진동이 줄어들어 전자가 이동하기 쉬워지면서 운동에너지가 살아있어 전기저항이 낮아지면서 발열량도 감소하게된다.
특정재료와 임계 온도에서 초전도체는 전기저항이 없어진다.
음전하를 띤 전자에 양전하를 띤 금속이온이 만들어지는 결정격자가 끌려오면, 결정격자는 양전하를 띠게 되고 다른 전자도 끌려오게 되면서 두 전자를 만나게 하면 운동에너지는 사라지지 않으면서 전기 저항이 없어지게 된다.
초전도는 다양한 종류의 물질에서 나타나는데, 주석이나 알루미늄과 같이 한가지 원소로 된 물질에서도 일어나고, 다양한 금속 합금이나 도핑된 세라믹 물질에서도 나타난다. 한편 초전도는 금이나 은과 같은 귀금속에서는 나타나지 않으며, 순수한 강자성 금속에서도 나타나지 않는다.
그래서 초전도체를 구현할려면 온도를 낮춰야 해서 상용화 하기에는 한계가 있다.
4.마이스너 효과(Meissner effect)
초전도체에 전기저항이 0 으로 되면서 또 다른 특징이 있다. 일반적인 물질은 외부 자기장을 가하면 그 자기장이 물질 내부까지 자연스럽게 스며든다. 하지만 초전도체는 전혀 다른 반응을 보인다. 초전도 상태에 들어간 물질에 자기장을 가하면, 물질의 표면을 따라 전류가 흐르며 외부 자기장을 상쇄하는 자기장을 만들어낸다. 이로 인해 물질 내부의 자기장은 밖으로 밀려나 완전히 사라지게 되는데, 이를 마이스너 효과 또는 완전 반자성이라고 부른다. 이때 표면에 흐르는 전류는 마이스너 전류라 하며, 마이스너 효과는 초전도체를 정의하는 핵심적인 특징 중 하나이다.
한편 외부 자기장에 대해 약하게 반발하는 성질 자체는 일반 물질에서도 나타난다. 이를 반자성이라고 하며, 자기장과 반대 방향의 미약한 자성이 생기는 것이 특징이다. 그러나 이러한 반자성 물질에서는 자기장이 내부에서 완전히 사라지지는 않는다. 즉, 자기장을 일부 약화시킬 뿐 완전히 배제하지는 못한다는 점에서 초전도체와는 근본적인 차이가 있다.
초전도체의 마이스너 효과는 외부 자기장의 세기에 따라 그 거동이 달라지며, 이에 따라 두 종류로 나뉜다. 외부 자기장이 임계값을 넘는 순간 초전도 상태가 갑자기 깨어지는 물질을 제1종 초전도체라고 한다. 반면 제2종 초전도체는 임계값 이상의 자기장에서도 물질의 일부 영역에서는 초전도 상태가 유지된다. 이 경우 자기장은 불순물이나 결함이 있는 부분을 중심으로 부분적으로 침투하며, 자기장이 두번째 임계값보다 커지면 초전도 상태가 깨어진다. 제2종 초전도체는 더 강한 자기장에서도 초전도 상태를 유지할 수 있어 실제 기술 분야에서 활용이 활발히 이루어지고 있다.
초전도와 마이스너 효과의 발견은 20세기 물리학의 중요한 이정표였다. 1911년, 헤이커 카메를링 오너스는 절대온도 4.2K에서 수은의 전기저항이 거의 0이 되는 초전도 현상을 처음 발견했다. 이후 1931년, 발터 마이스너와 오센펠트는 초전도체에서 전기저항이 사라질 뿐만 아니라 내부 자기장까지 완전히 제거된다는 사실을 밝혀냈다. 이 발견을 통해 초전도는 단순한 무저항 현상을 넘어, 자기적 성질까지 포함한 독특한 물질 상태로 이해되기 시작했다.
초전도체가 무엇이고 어떠한 특성이 있는지 알아보았다. Part 2에서는 상온 초도체 발견을 위해 지난 112년동안 과학자들의 노력을 알아보도록 하자
Part 1
1.초전도체란?(Superconductor)
2. 온도와 전기 저항
3. 초전도 현상 BCS 이론
4.마이스너 효과(Meissner effect)
Part 2
5. 상온에서의 초전도 물질을 위한 연구
6. 초전도를 적용 제품
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