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초전도체의 기본 원리와 발견 역사 및 현재 한국 개발 'LK-99' 상황

by 동하오 2023. 8. 2.

오늘은 최근 주목받고 있는 전자기기 분야의 유니콘, 초전도체에 대해 이야기해 볼까 합니다. 초전도체는 전기 저항이 거의 없이 전기가 흐르는 물질입니다. 이러한 초전도체는 다양한 분야에서 활용이 가능하지만, 아직 기술적인 문제로 제한적으로만 활용되고 있습니다. 그럼 지금부터 초전도체의 발견부터 기본 원리, 발전에 대해 알아볼까요?

초전도체
초전도체

초전도체의 발견

1911년에 네덜란드의 물리학자 헤이케 카메링 온네스(Heike Kamerlingh Onnes)는 전기 저항이 0이 되는 물질을 발견하면서 초전도체의 존재를 처음 확인했습니다. 이 발견은 매우 낮은 온도에서 전기 전도 실험을 수행하는 과정에서 이루어졌습니다.

온네스는 굉장히 낮은 온도에서의 전기 전도성에 대한 연구를 위해 액체 헬륨(리튬 이후 헬륨을 액화시키는 방법을 처음으로 개발한 과학자이기도 함)을 사용하여 다양한 물질을 실험했습니다. 그는 수은의 전기 저항을 측정하며 온도를 낮추는 실험을 진행했는데, 온도가 약 -269℃(4K) 이하로 떨어졌을 때 갑자기 수은의 전기 저항이 사라지는 현상을 관찰했습니다.

초기에 온네스는 이 현상이 측정 오류라고 생각했지만, 이를 여러 번 검증한 결과 저항이 실제로 0에 가까워짐을 확인할 수 있었습니다. 이로 인해 온네스는 1913년 노벨 물리학상을 수상하게 되었으며, 그의 발견은 전자기학과 고체 물리학에서 중요한 연구 주제로 자리 잡게 되었습니다.

이후 초전도체 연구는 다양한 분야의 도약을 이루어 냈습니다. 1957년에는 BCS 이론이 제안되어 코퍼 페어 현상 등 초전도체에서 일어나는 현상들의 원리를 자세하게 설명할 수 있게 되었습니다. 최근에는 고온 초전도체의 발견으로 상대적으로 높은 온도에서도 초전도현상이 일어나는데 이를 활용한 다양한 기술이 계속 연구되고 있습니다.

 

초전도체의 기본 원리

초전도체의 기본 원리는 물질 내부에서 전자들이 서로 쌍을 이루어 움직이면서 물질과 상호작용하지 않고, 거의 에너지 손실 없이 전류를 전달하는 것입니다. 초전도체의 원리를 이해하기 위해서는 먼저 코퍼 페어(Cooper pair)라는 개념과 BCS 이론을 알아야 합니다.

 

1. 코퍼 페어(Cooper pair)

초전도체에서 전자들은 물질 내에서 서로 짝을 이루며 움직입니다. 이렇게 전자가 서로 쌍을 이룬 것을 코퍼 페어라고 부릅니다. 전자는 보통 서로 반발력을 느끼지만, 초전도 상태에서는 양성자와 같은 양전하를 가진 동력원에 의해 특별한 방식으로 결합돼서 움직이게 됩니다.

 

2. BCS 이론

1957년 미국의 물리학자 존 바데인(John Bardeen), 레온 닐 쿠퍼(Leon Neil Cooper), 로버트 슈리퍼(Robert Schrieffer)가 제안한 BCS 이론은 초전도 현상의 미시적 원리를 설명합니다. 이 이론은 양성자와 같은 양전하가 척력 현상을 일으켜 전자들이 결합되어 코퍼 페어를 형성하게 된다는 것을 설명합니다. 또한 초전도현상은 전자가 양성자와 상호작용하면서 에너지가 충분히 낮아지게 되기 때문에 일어난다고 주장합니다.

 

초전도 상태에서는 이렇게 코퍼 페어가 움직이게 되면서 아주 작은 에너지 손실로 전기를 전달하게 됩니다. 반면 일반 금속이나 반도체에서 전자들은 움직이며 물질의 양성자와 충돌을 일으키고 이로 인해 전기저항이 발생하게 됩니다. 따라서 초전도체에서는 전기적 에너지를 매우 효율적으로 전달할 수 있게 되는데, 이 점 때문에 여러 기술 분야에 준수한 발전 및 활용이 가능해진 것입니다.

 

 

초전도체의 발전

처음 발견된 초전도체는 매우 낮은 온도에서만 초전도 현상이 나타나서 이를 연구하기가 까다롭고 실험을 위한 기기가 크고 복잡했습니다. 그러나 이후 지속적인 연구를 통해 상대적으로 높은 온도(약 -140℃)에서도 초전도 현상이 발생하는 고온 초전도체가 발견되었으며, 이와 함께 전자기장에 더욱 강한 초전도체도 개발되었습니다.

 

1. 초전도체 발견 이후 초기 발전

헤이케 카메링 온네스가 1911년에 초전도체를 발견한 후 이 현상은 전기저항이 0에 가까운 물질로서 전자기학과 고체 물리학에서 중요한 연구 주제로 떠올랐습니다. 그 이후 대략 40년 동안 도전과 실패를 거듭하며 초전도 현상의 원인과 세부 원리를 찾기 위한 연구가 수행되었습니다.

 

2. BCS 이론과 코퍼 페어의 발견

1957년에 바데인, 쿠퍼, 슈리퍼가 제안한 BCS 이론을 통해 초전도 현상의 미시적 원리가 드러났습니다. 이 이론은 전자들이 코퍼 페어를 형성하여 매우 작은 에너지 손실로 전기를 전달한다는 것을 밝혀냈습니다. 이로 인해 연구자들은 초전도체의 본질적인 작동 원리에 대한 깊은 이해를 얻게 되었습니다.

 

3. 고온 초전도체의 발견 및 발전

1986년에 IBM에서 활동하던 과학자들인 조르지 페일롯(멕시코 물리학자)와 칼 얀 뮐러(스위스 물리학자)가 상대적으로 고온에서 작동하는 초전도체를 발견했습니다. 이 물질은 약 -140℃(140K)에서 초전도 현상을 발생시킬 수 있었으며, 저온 초전도체에 비해 상대적으로 높은 온도에서 작동할 수 있다는 장점을 가졌습니다. 그 이후 고온 초전도체 재료 연구가 활발히 이루어지게 되었고, 여러 개의 다른 화합물들이 발견되었습니다.

 

4. 초전도체 응용기술의 발전

이러한 발전의 결과로 나날이 발전하고 있는 초전도체 응용기술들이 등장하였습니다. 초전도 전기선 또는 초전도 케이블을 이용하여 전기를 더 효율적으로 전달할 수 있게 되었고, 초전도 자기 부상열차를 통해 빠르고 효율적인 교통수단이 등장하였습니다. 또한 MRI, 자기 부상 기술, 초전도 양자 계산 등 다양한 분야에서 초전도체를 활용한 새로운 기술들이 연구되고 개발되고 있습니다.

 

5. 2023년 한국에서 개발한 상온 초전도체

한양대와 퀀텀 에너지 연구소가 개발한 상온 초전도체 'LK-99'에 대해 미국 및 중국 연구진들에 의해 연구되고 있습니다. 미국 로렌스 버클리 국립연구소에서는 시뮬레이션 결과 상온 초전도체 가능성이 있다고 발표하였으며, 국내 초전도 학계에서는 'LK-99 검증위원회'를 구성할 계획입니다. 중국 연구진 역시 LK-99의 마이스너 효과를 확인하였지만, 추가 실험이 필요하다고 밝혔습니다.

 

 

지금까지 초전도체의 발견부터 현재 한국에서 개발한 상온 초전도체까지 알아보았습니다. 초전도체의 기본 원리와 발견 역사를 알아보니 더욱 흥미로운 분야라는 것이 느껴지시죠? 이렇게 힘든 조건에서도 발견된 초전도체의 스토리는 인류의 과학적 큰 업적 중 하나입니다. 앞으로 한국에서 개발한 'LK-99'가 검증되어 실제 활용될지는 아직 미지수이지만, 계속해서 발전해 나갈 기술 중 하나임에는 분명합니다. 지속적으로 관심을 기울여 한국뿐만 아니라 세계적으로 큰 혁신을 가져올 발전을 기대합니다. 다음 글에서도 도움일 될만한 정보로 찾아뵙겠습니다!