초전도체란 아주 낮은 온도에서 전기의 흐름을 방해하는 전기저항이 완전히 없어지는 물질을 일컫는데, 전기저항이 0이 되면 많은 전류가 흐를 수 있게 되므로 실용화될 경우 에너지 손실이 없는 송전이 가능해지게 된다.
초전도체를 처음 발견한 사람은 네덜란드 라이덴 대학 물리학 교수 카멜린 온네스로 1911년의 일입니다. 그는 헬륨가스를 액화하는데 성공한 이후, 끓는점 4.2K인 액체헬륨 제조장치를 이용, 수은의 전기저항을 측정하던 중 절대온도 4.2K에서 전기저항이 갑자기 없어지는 것을 발견했는데, 이 새로운 현상을 「초전도(Superconductivity)」라 이름 붙였습니다. 여기서 절대온도라 일컫는 K(켈빈)는 더 이상 떨어질 수 없는 최저온도, 즉 절대영도인 0K를 기준으로 합니다. 다시 말해 인간이 더 이상 측정할 수 없는 최저온도인 섭씨온도 영하273℃가 절대온도로는 0 K인 것입니다. 예를 들면 물이 어는 점인 0℃는 절대온도로는 273K인 것이다.
어떤 물체에서 초전도현상을 보이는 시점의 온도를 임계온도라 하는데 당시 카멜린 온네스가 발견한 수은의 임계온도 4.2K는 섭씨온도로 환산할 경우 영하 268.8℃인 셈입니다. 그 동안 초전도체에 대한 과학자들은 연구현황을 살펴보면 아칸소대학 헤르만교수가 발견한 초전도체에서 임계온도 125K를 나타낸바 있으며, 1993년 초 스위스에서 임계온도 133K, 1993년 말 프랑스에서 임계온도 250K의 초전도체 박막제작을 발표해서 관심을 모았다.
초전도체의 응용은 많은 곳에 이용되는데 교통, 에너지, 전자공학, 의료 및 방위산업 등 미래산업에 혁명적인 영향을 줄 것으로 과학자들은 예측하고 있습니다. 초전도체는 내부에 자기장이 침투할 수 없을 뿐 아니라 초전도체가 되기 전에 내부에 침투돼 있던 자기장도 밖으로 밀어내는 성질인 완전반자성(마이너스효과)도 지니고 있습니다. 이런 성질 때문에 초전도체는 자석 위에서 떠오르는 자기부상현상도 나타내는 것이다.
초전도자석은 MRI 라고 하는 핵자기공명장치, 입자가속기, 에너지저장장치, 자기부상열차 등에 응용되며, 또 전선을 초전도체로 만들 경우, 열로 손실되는 20% 정도 에너지를 막을 수 있어 손실 없는 송전이 가능해진다.
고온 초전도체에 관련된 과학자들의 상상력은 미래 우주정거장에 태양에너지를 비축해놓았다가 우주선에 연료대신 전자기를 이용, 발사시킨다고 까지 확대되고 있습니다. 이는 고온초전도체의 기술력이 미래사회에 엄청난 변화를 몰고 올 수 있다는 예감까지 갖게하고 있습니다. 우리 나라도 초전도체 기술개발에 많은 투자를 해서 초전도체를 많은 곳에서 이용하길 기대해 본다.
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| 플루토늄계 초전도 원인 세계 최초로 규명 | ||
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(대전=뉴스와이어) 2005년03월31일-- 전남 대학 물리학과의 방윤규 교수와 미국 로스 알라모스 국립 연구소 공동 연구팀은 절대 온도(절대온도 0 K는 섭씨 마이너스 273도 C) 18.5 K에서 초전도 현상을 보이는 플루토늄 (Pu)이 포함된 화합물(PuCoGa5)의 초전도 현상을 세계 최초로 이론적으로 규명하였다고 발표 하였다. 초전도체란 전기가 통할 때 저항이 없어져 초고속 슈퍼컴퓨터, 마이크로파 통신, 뇌파 측정 등에 쓸 수 있는 꿈의 물질이다. 이 연구 결과는 2005년 3월 31일 세계적 과학저널지인 Nature 지에 “플루토늄(Pu) 화합물(PuCoGa5)의 비일반적 초전도 현상 (Unconventional superconductivity(2,3) in PuCoGa5)"이라는 제목으로 발표되었다. 과학연구센터(SRC) 중의 하나인 서울대학교 복합다체계 물성연구센터(CSCMR)의 연구 결과이다. 이번에 밝혀진 새로운 초전도체의 원인 규명은 그 동안 막혀 있었던 고온 초전도 현상 규명에 새로운 전기를 마련한 것으로 밝혀져 우리나라의 초전도 연구가 세계 최고의 수준에 도달했음을 방증하고 있다. 북핵 문제등과 관련하여 언론에 자주 보도되어 우리에게도 잘 알려진 원자이다. 그러나 이번 한·미 공동 연구팀의 연구 결과는 원자탄의 원료인 플루토늄이 순수 기초과학의 평화적 연구 대상으로 매우 중요하게 쓰일 수 있음을 보여주었다는 점에서 그 중요성을 더한다. 의해서 2002년도에 처음 합성된 물질로 (Nature 420, p297 (2002)), 절대 온도 18.5 K에서 초전도 현상이 나타나는데, f-궤도 전자(4)로 이루어진 물질에서 이렇게 높은 온도의 초전도 현상이 나타난 것은 전혀 예측하지 못했던 발견이었다. 이제까지의 f-궤도 전자에서의 초전도 현상은 씨리움(Ce) 화합물 (CeCoIn5) 에서 측정된 절대 온도 2.3 K가 가장 높은 온도였다. 지금까지 가장 높은 초전도 임계 온도를 가지며, 그 온도는 약 100 K (최대 135 K)나 된다. 고온초전도체의 발견은 곧 상온 (평균 대기온도, 즉 섭씨 25C 또는 절대온도 298K) 에서도 초전도가 되는 물질의 개발을 꿈꾸며 전 세계의 과학계를 뜨겁게 달구었다. 그러나 지난 20년간의 전 세계적인 연구에도 불구하고 고온초전도체의 초전도 현상은 현재까지 미해결의 문제로 남아있고 이 문제를 해결하는 물리학자는 노벨 물리학상이 보장되어있다고 말해지고 있다. (Pu)원자의 f-궤도 전자의 양자역학적 특성에 주목하여, 플루토늄 (Pu)원자의 f-궤도 전자는 씨리움(Ce) 원자의 f-궤도 전자와 구리산화물의 d-궤도 전자의 중간적인 특성이 있음을 밝혀내었다. 그 결과 왜 플루토늄 초전도체에서의 초전도 임계온도가 두 화합물의 임계온도인 절대 온도 2K 와 100K 의 중간 정도인 18.5K 를 갖는 지를 성공적으로 설명하였다. 이 연구 결과는 현재 물리학의 최대 미해결 과제인 고온초전도체 현상을 규명하는데 결정적 단서를 제공하였다. 따라서 이번 연구 결과는 그 동안 답보 상태에 있던 전 세계의 고온 초전도체 연구자들을 다시 바쁘게 할 것으로 보인다. “강한 자기요동에 의한 초전도 이론”에 바탕을 두었으며, 이 논문 또한 세계적인 물리학 학술지 Physical Review B에 2004년도에 발표된바 있다 (PRB 70, p104512 (2004)). 방윤규 교수의 연구 결과는 지난 20년간 응집물질물리 연구 분야의 가장 어려운 미해결 문제로 남아있는 고온초전도체 현상을 규명하는 단서를 제공했을 뿐만 아니라, 보다 근본적으로는 d-궤도 및 f-궤도 전자들로 이루어진 금속들의 양자 역학적 거동을 이해하는 통일적인 이론적 토대를 마련할 것으로 기대된다. 제한된 연구소에서만 취급이 허용되는 물질로 국내에서는 연구를 할 수가 없으며, 방윤규 교수는 미국 로스 알라모스 국립연구소(5)를 2년간 직접 방문하며 연구한 결과 지금 같은 쾌거를 이루게 되었다. 이 붕소 마그네슘의 박막 제조와 2002 년도 한국고등 과학원의 최 형준 교수에 의해 Nature 지에 발표된 이 붕소 마그네슘의 두 가지 쿠퍼쌍의 논문에 이어 한국 초전도학계의 세 번째 큰 경사이다. 매우 놀라운 일이다. f-궤도 전자에서의 초전도 현상 규명은 지난 20 년간 미해결의 문제로 남아있는 d-궤도 전자에서 의고온 초전도 문제 해결에 중요한 실마리가 될 것이며, 이번 방교수의 연구 결과로 초전도 이론과 응용에 크나큰 발전이 있을 것이다. 또한 북한이 플루토늄을 이용하여 원자 폭탄을 만들었다고 발표하여 한반도와 세계 평화를 위협하는 상황에서 남한의 과학자가 이 물질의 초전도 이론을 규명, 인류의 복지와 세계의 평화를 위해 사용할 수 있는 과학적 업적을 쌓았다는 점을 주목 해야 할 것이다. 단지 아쉬운 부분이 있다면 플루토늄이 국제적으로 엄격히 통제되고 있는 물질이므로 국내의 초전도 실험 학자들이 이 물질의 초전도 현상을 연구할 수 없다는 점이다. 국내의 초전도 실험 수준이 세계적이고, 원료만 확보가 된다면 우리 기술로도 이 초전도체를 제조 할 수 있는 길이 보이는데, 단지 핵무기의 재료가 되어 실험이 허락이 되지 않는 것이다. 종사자들에 의하면 정부의 지속적 지원이 첫 번째 이유가 된다. 현재 과학 기술부는 전기 연구원의 초전도 응용 Frontier ( 첨단) 사업 및 포항 공과대학교의 창의적 연구 진흥 사업 과제 등 초전도 연구에 집중적인 투자를 하고 있다. 또한 초전도 연구 종사자들의 끊임없는 노력이 그 두 번째 이유이다. 한 예로 본 전남대학교의 방윤규교수, 포항공과대학교의 이성익 교수는 1993년 이후 매년 일년에 두 차례 매번 5박 6일의 초전도 계절학교를 개최하고 있다. 이 학교는 처음에는 10여명으로 시작하였지만 지금은 100여명으로 참석자가 늘었다. 이 합숙 계절학교에 참가하는 연사는 무려 일곱 시간 동안 자신이 아는 모든 것을 털어 놓아야 한다. 실력 있는 학자들도 초전도 전문가들 앞에서 모든 질문을 다 받아가면서 일곱 시간을 강의를 한다는 것은 쉬운 일이 아니다. 현재 자진하여 강의를 하겠다는 연사가 끊임없이 나타나는 것으로 보아 이 분야가 얼마나 활성화가 되었는가를 알 수가 있다. 이 계절학교에서 학생 신분으로 참석했던 많은 사람들이 이미 국내 주요 대학의 교수나 국공립 연구소, 기업체등의 연구원으로 성장하여 초전도 연구뿐만 아니라 반도체 연구분야 등에서도 중추적 역할을 담당하고 있다. 이러한 예는 기초과학에 대한 지속적인 투자가 일반적인 생각보다 그 결실을 훨씬 빠르고 효율적으로 맺는다는 것을 보여주고 있다.
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