[비센의 재미있는 과학 이야기]

 

걸음마 단계 초전도체 기술

끊임없는 기술 개발로 점차 실용화 단계 접어들어

 

선로 위를 공중부양하듯이 움직여다니는 자기부상열차, 에너지 손실없이 전기신호를 전달할 수 있는 꿈의 케이블 등 다양한 미래 기술이 이야기될 때 마다 빠지지 않고 등장하는 신비의 물질이 바로 초전도체(superconductor)입니다.

 

지난 20여년간 많은 분야에서 응용될 수 있을 것이라고 기대되었던 초전도체는 사실 고가의 의료장비인 자기공명영상법(Magnetic Resonance Imaging, MRI)과 같은 소수의 분야에서만 제한적으로 사용되고 있을 뿐, 현재까지는 범용화되고 있지는 못하는 수준입니다.

 

이는 초전도체가 갖는 매력적이며 무궁무진한 활용성에도 불구하고, 실제 범용적으로 사용이 가능한 초전도체 물질을 아직까지 발견하지 못했기 때문입니다.

 

초전도체는 네덜란드의 물리학자 오네스(Kamerlingh Onnes)의해 100여 년 전 1911년에 처음으로 발견된 물질의 신비한 특성입니다.

 

오네스는 처음으로 헬륨가스를 압축시켜서 액체헬륨을 만들어낸 과학자인데, 이 액체상태 헬륨의 온도는 절대온도 4도(섭씨 -269도)에 해당하는 엄청나게 낮은 온도를 갖습니다.

 

그는 이를 이용해서 여러물질들이 극저온의 상태에서는 어떤 성질을 갖는지에 대한 연구를 하던 중, 수은을 절대온도 4도정도의 극저온으로 냉각하면 내부의 전기저항이 완전히 사라진다는 것을 처음으로 발견하였고, 이렇게 전기저항이 완전히 사라진 물질을 초전도체라고 부르기 시작한 것입니다. 또한 초전도체는 저항만 사라지는 것이 아니라, 내부의 자기장을 밖으로 밀쳐내 버리는 특이한 현상을 갖는다는 것이 1933년 독일의 과학자 마이스너(Meissner)에 의해서 밝혀진 후, 이 두가지가 초전도체의 근본적 특징으로 정의되고 있습니다.

 

현재까지 이러한 초전도체의 성질을 갖는 물질이 수백가지가 넘게 발견되었지만, 그 중 십여개 종 정도만이 현재까지 실용화되어 사용되고 있고, 대부분은 사용되지 못하고 있습니다.

 

가장 큰 이유는 앞서 설명드렸듯이 초전도체의 성질이 절대온도 4도정도의 극저온에서만 나타나기 때문입니다. 즉, 초전도체를 이용하기 위해서는 그 온도까지 냉각이 가능한 유일한 물질인 액체헬륨을 냉매로 사용하여야만 하는데, 이를 위해서 엄청난 압력을 지속시켜야 하기 때문에 많은 에너지와 비용을 사용해야만 합니다.

 

실제 초전도체를 사용하는 의료용 영상기기인 MRI기기의 경우에도 기기에 사용되는 에너지의 대부분이 액체헬륨을 유지하는 장치에 사용되고 있습니다. 이러한 어려움때문에 모든 MRI기기가 다 초전도체를 사용하는 것도 아니고, 가장 발전된 형태의 고자기장 MRI에만 일부 사용되고 있습니다.

 

극저온의 상태를 유지해야한다는 단점때문에 실용화는 현실적이지 않다고 생각되던 초전도체가 많은 사람들의 관심을 끌기 시작한 것은 1980년대 후반 베드놀츠(Bednorz)와 뮬러(Muller)에 의해서 ‘고온 초전도체’라는 것이 발견되면서 부터 입니다.

 

고온이라고는 이름이 붙여졌지만, 이는 우리가 일상적으로 생각하는 높은 온도를 뜻하는 것은 아니고, 이전에 초전도체를 만들기 위해 필요했던 절대온도 4도에 비교해 상대적으로 높은 온도에서 초전도체의 성질을 보인다고 해서 ‘고온 초전도체’라고 불리는 물질을 말하는데, 이들은 절대온도 70도 이상(섭씨 -200도정도)에서 초전도성질을 보이는 물질을 발견했으며 그 이 후, 현재까지 최고 절대온도 134도(섭씨 -139도)에서 초전도현상을 갖는 물질들이 발견되고 있습니다.

 

비록 섭씨 -200도씨가 그리 높은 온도는 아니지만, 이 정도의 온도는 끓는 점 온도가 절대온도 77도(섭씨 -196도)인 액체질소로도 냉각이 가능한 온도이며, 액체헬륨과 달리 액체질소는 쉽게 만들어낼 수 있고 공정도 매우 저렴하기 때문에 실용화 가능성이 충분하다고 생각되었던 것입니다.

 

이렇게 온도는 제어가 가능한 수준까지 높아졌지만, 아직까지도 초전도체가 쉽게 이용되지 않고 있는 또 다른 이유는 초전도체자체의 물리적 특성때문입니다. 저온의 초전도체는 대부분 금속성인 것과 달리 고온초전도체의 대부분은 세라믹 물질로 만들어집니다.

 

초전도성질을 갖게 하기 위해서 원자단위정도의 정교함으로 여러 겹의 얇은 층을 쌓아올려야 하는 공정성의 어려움과 함께, 물질 자체가 세라믹 성질, 즉 도자기와 같은 물질이기 때문에 케이블 등과 같이 휘어질 수 있는 유연성을 갖게 만드는 것이 힘들기 때문입니다. 

 

하지만, 첫 고온 초전도체가 발견된지 약 20여년이 지난 현재는 이러한 공정상의 문제, 물질의 특성에 따른 문제들이 많이 극복되어 조금씩 초전도체의 응용이 실용화되어 가는 추세에 있습니다.

 

실제 초전도체를 이용하여 만들어진 전선이 개발되어 미국의 콜럼버스라는 한 도시에 시범적으로 설치가 되기도 하고, 또 일본에 실험중인 자기 부상열차에 실제로 고온초전도체가 사용되었으며, 이 열차는 시속 581킬로미터라는 엄청난 속도를 기록하여 현재까지 세계에서 가장 빠른 열차 기록으로 인정받고 있습니다. 

 

액체 질소를 냉매로 이용해야하는 고온초전도체에서 한걸음 더 나아가 상온에서 초전도성질을 갖는 초전도체를 찾아내려는 노력도 계속되고 있습니다. 1960년대 말에 발표된 수소를 이용하면 일상 생활을 하는 상온에서도 초전도성질을 갖는 물질을 만들어 낼 수 있다는 이론을 기반으로 수소 화합물을 이용하여 상온초전도체를 만들어 내려는 것인데, 이론과는 달리 실제로 수소를 기반으로 한 상온초전도체를 만드는 것은 아직까지는 걸음마단계에 머물고 있습니다.

 

이는 실제 금속성 수소를 만들어 내기 위해 필요한 압력을 만들어 내는 것이 기술적으로 아직까지는 쉽지 않기 때문이며, 실제로 고압상태에서 수 초 정도의 짧은 시간동안 고체상태의 수소를 만들어 냈다는 연구결과 정도가 지금의 현실의 한계입니다. 하지만, 상온초전도체에 관한 연구는 이루어 내기만 한다면 새로운 세계를 여는 열쇠가 될 수 있을 것입니다. 당연히 액체 헬륨이나 액체 질소와 같은 냉매들이 필요없이 상온에서 초전도 성질을 갖는 물질을 개발하기만 한다면, 세상의 모든 전기 제품들은 저항이 전혀없는 물질들로 대체될 것이며, 이는 매우 소량의 전류만으로도 에너지 손실없이 엄청난 효율의 일들을 해낼 수 있다는 것이며, 백 투더 퓨쳐라는 영화에 나왔던 하늘을 떠다니는 스케이드 보드를 만드는 건 너무나도 쉬운 일이 될 것이고, 더 이상 모든 자동차가 바퀴를 사용하지 않고 떠 다니는 그런 세상이 열릴 수도 있을 것입니다.

 

커다란 발전기에서 만들어 내야하는 전기를 작은 상자 크기의 초전도체에 저장해 다닐 수도 있을 수 있고, 물론 현재는 매우 고가인 MRI 의료영상이 X-ray촬영 만큼이나 저렴한 장비가 될 수도 있습니다. 비록 아직까지는 상온에서 초전도현상을 만들어 내는 것은 당장에 가능할 것이라고 생각되지는 않지만, 언젠가는 실현될 수 있는 것들이며, 이 역시 현재 과학을 공부하는 학생들이 현실화시킬 수 있는 흥분되는 미래의 한 모습이라고 생각합니다.

 

석준영(비센 학원장)