초전도 현상이란?

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극저온에서 나타나는

초전도(超電導) 현상(Superconductivity)

 

 

섭씨 영하 200도 정도의 매우 낮은 온도가 되면 어떤 도체는 저항 없이 전류가 흐르게 되어 에너지의 소실이 없게 된다. 이런 성질을 가진 물질을 초전도체(superconductor)라 하며, 오늘날 초전도체는 새로운 기술에 응용되고 있다.

 

네덜란드의 물리학자 하이케 카메를링 오네스(Heike Kamelingh Onnes 1853-1926)는 냉동기술의 선구자이다. 그는 매우 낮은 온도에서는 물질의 성질이 어떻게 달라지는지 연구하고 있었다. 1911년, 헬륨의 온도를 계속 내려 절대온도(영하 273도, 절대온도 참조) 가까이 이르렀을 때 수은, 납, 아연과 같은 물질의 경우 전기 저항이 갑자기 사라지는 초전도(超電導) 현상을 발견했다. 그는 이러한 연구 업적으로 1913년에 노벨 물리학상을 받았다.

 

오늘날 과학자들은 원소들 가운데 24가지와 다른 수백 가지 물질이 극저온 조건이 되면 초전도 현상을 나타낸다는 것을 알고 있다. 초저온은 헬륨을 사용해야 얻을 수 있는데, 헬륨은 구하기 어렵고 값이 비싸 1986년까지만 해도 초전도에 대한 연구는 크게 진전되지 못하고 있었다. 그러나 쉽게 액체상태로 될 수 있는 액체질소의 온도(섭씨 영하 195도)만 되어도 초전도현상을 나타내는 물질(금속성 세라믹)들을 발견하게 되었다. 전기 전도도가 좋은 구리와 은은 전기를 잘 통하는 물질이지만 순수한 상태가 아니면 절대온도가 되어도 초전도체가 되지 않고 전기저항이 남아 있다.

 

초저온을 응용한 기술 가운데 대표적인 것은 질병 진단에 이용되는 MRI(magnetic resonance imaging 자기공명영상촬영장치)라 부르는 것이다. MRI는 초강력 전자석(초전도자석)을 이용하여 인체 내부의 형상을 볼 수 있는 첨단 진단 장비이다. 만일 MRI 내부의 전자석을 일반적인 방법으로 만든다면 큰 트럭 크기가 되어야 하고, 그런 장비를 가동하자면 전자석 코일에 고압 전류를 보내야 하기 때문에 엄청난 열이 발생한다. 그리고 그 열을 냉각시키자면 강물처럼 물을 흘려야 한다.

 

그러나 초전도 상태가 된 전자석이라면 코일에 전기 저항이 없으므로 열이 발생하지 않는다. 그러므로 초전도성 물질을 이용하면 MRI처럼 규모가 작으면서도 강력한 진단기로 만들 수 있다. 오늘날 초전도 기술은 소립자의 성질을 연구하는 입자가속기와 핵융합원자로, 반도체 제조 장비 등에 쓰이고 있다. 초전도자석으로 차체가 선로 위에 뜬 상태로 바퀴와 선로 사이에 마찰 없이 진행하는 자기부상(磁氣浮上) 열차(maglev train)는 현재 실용 단계에 이르렀다. 초저온 물질에 대한 연구가 진전되어 오늘날에는 영하 135도만 되어도 초전도 현상을 나타내는 물질이 발견되었다.

 

 

 

인천공항에서 시험운행 중에 있는 한국이 개발한 자기부상열차이다(2014년 7월).

 

 

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