만들어 두면 좋을 것 같기도 하고.. 그동안 공부한거 정리도 할 겸.. 할일 없을 때 시간도 때울 겸 초전도체에 관한 내용을 정리해 보려고 합니다. ^^;
1. 초전도체의 발견?!
초전도체가 처음 발견된 과정은 완전히 우연이었습니다! .. 라고 하기도 좀 뭐 하긴 하지만..
초전도체를 처음 발견한 아자씨는 Heike Kámerlingh Onnes 라는 아저씨로(키르히호프 아자씨의 제자였다고 하는군요) 그 때 전기자재 재료쪽으로 연구를 하고 있어서 '초전도체를 발견하고 말겠어!' 그런 마인드를 가진 것도 아니고.. 그냥 대단한 냉각기술 전문가였습니다.
(더 자세한 자료)
냉각기술이 당시에 뭐 엄청나게 주목을 받았는가!? 생각해 보면 꼭 그런 것은 아닌 것도 같지만 아무튼.. 웹서핑해서 얻은 자료 공부한 자료에 의하면 1904년에 공기를 액화에 성공(끓는점 : 혼합물이라 모름 0_ 0;;), 1906년에 수소를 액화하는데 성공하고(끓는점 : 20 K --> 1기압이겠죠 아마 0_ 0), 1908년에 급기야 헬륨 냉각에 성공합니다. (끓는점 : ☆ 매우중요 4 K )
끓는점을 보시면 아시겠지만.. 4K이면 사실 이제 더이상 별로 더 냉각할게 없습니다. 지금이랑은 달라서 그런거 냉각해도 별로 판매할 데도 없었을 것 같고.. 특히.. 헬륨같은 경우 보관하는게 굉장히 까다로워서 팔 수도 없었을 듯 합니다.
(*참고로 상온은 대략 300K근처.. 4K 정도의 헬륨이 상온에 나온다고 생각하면 이런 정도 비유라면 알맞을 듯 합니다. '아이스크림을 아무것도 안 입히고 튀김기름에 집어넣는다!!!')
그러면... 더 냉각도 안되고.. 이걸가지고 뭘 팔수도 없고!! (그래도 나름 세계 최고 기술인데..) 뭔가 더 연구할게 필요했겠지요. 그래서 선택한건지.. 저온에서 금속의 비저항 측정을 하기 시작했습니다.
뭐.. 당시에 4K까지 내릴 수 있는 기술을 가진게 오직 Onnes 아저씨 혼자였기 때문에 완전히 언터쳐블한 연구! 그 당시 알려진 금속의 비저항이 온도에 따라 다음과 같이 달라지는 그래프를 그리기 시작합니다.
많은 금속들이 여기에 잘 맞게 그려지고 있었던 모양입니다. 사실 이런 상황만 계속 되었다면 그때는 그닥 효용성 있는 연구라거나 주목할 만한 연구는 아니었을지도 모르지만.. (연구가 진행되던 시점을 보시면 아시겠지만.. 물리학계에 거대한 태풍 주의보.. 0_ 0.. 특수상대론이 발표된지 얼마 되지도 않았고 아니라 슬슬 양자역학이.. 다른 신기한게 많은데 여기에 주목하고 있을 시간은 없었겠죠. 공학적인 측면에서도.. 그렇게 저온에서는 무슨 상품을 제대로 만들수도 없으니..)
어쨋든 저온 냉각이 가능한 사람만 할 수 있는 연구였으므로 Onnes 아자씨는 아싸좋쿠나~! 하고 계속연구를 합니다.
(이런거 보면 하나라도 극단적인 고도의 기술을 가지고 있는게 얼마나 중요한지 알 수 있는 듯..)
이렇게 계속계속 연구를 하다가 어느날 수은을 가지고 그래프를 그려봤더니 좀 이상한 결과가 나오더랍니다.
저항이 0옴 이 되는 시점은 수은이 아~~~~무리 깨끗해도 0K이어야 하는데 4K근처에서 급격하게 떨어져서
(이걸 초전도체 용어로는 '임계온도(Critical Temperature)' 라고 합니다. 수은의 경우 약 4.2K로 Onnes가 냉각할 수 있는 온도 정말 아슬아슬하게 근처라고 하는군요. 0_ 0! 만약 헬륨의 끓는점이 조금 높았다거나, 수은의 임계온도가 조금만 낮았으면 초전도체의 발견은 엄청 후의 일이 되었을지도 모를 일입니다. 참 재미있는 듯?!)
0옴이 되어버립니다. 이걸 본 Onnes는 '아싸 뭔가 건졌구나!' (이건 아닌가;;) '뭔가 좀 이상한걸?! 실험이 잘못되었나?'
라고 생각하고 여러 번 다시 실험해 본 결과 최종적으로 저항이 0옴 혹은 엄청 작아서 실험적으로 확인할 수 없을 정도의 저항으로 떨어진다는 것을 확인합니다.
바로 초전도 현상이죠!
이 초전도 현상이 일어나는 이유에 대해서는 양자역학이 반드시 필요하고 이 당시에는 그런거 없는 상태였으므로 올바른 해석은 내리지 못하고 그냥 순수한 물질에서는 0K근처로 가면 저항이 0옴이 되는데 물질에 따라서 그게 좀 빨리 일어나는 경우도 있다! 이런 식으로 해석을 내립니다.
우우.. 후에 많은 연구가 진행되고 이런 내용들이 있는데 - 0- 외울정도로 공부한건 아니고 책을 놓고와서.. 나머진 또 다음에 정리해야 하겠습니다.
------------------초전도체 Q&A------------------
Q. 진짜로 저항이 0옴 인가요?!
A. 네. 이것은 초전도체로 만든 고리에 전류를 흘린 다음 그 전류가 만드는 자기장이 변하는지 여부로 측정을 했다고 하는데 꼼꼼한 과학자들은 이것도 0옴이라고 안하고 '측정할 수 있는 범위보다 작다' 고 이야기 하더군요.
Q. 그러면 건전지에 연결하면 전류가 무한대로 흐르나요?
A. 아니요. 초전도체에는 위에서 소개한 임계온도처럼, 어느정도 이상의 전류가 흐르면 초전도성이 깨지는 전류가 있는데 이를 '임계전류'라고 합니다. 이 임계전류보다 많은 전류를 흘리면 온도가 유지되더라도 저항이 갑자기 지수함수적으로 확! 발생해는 것을 볼 수 있습니다.
Q. 그럼 그거 어따쓰나요?
A. 여러군데 씁니다. 주변에서 가장 흔하게 볼 수 있는 응용분야는 의료용 MRI가 되겠습니다. 일단 임계전류 까지라고는 하더라도 굉장히 많은 전류를 원하는대로 흘려줄 수 있기 때문에 균일하고 강한 자기장을 만드는데 아주 최고지요.
의료용 MRI라고 불리는 장치의 모태가 되는 NMR에는(사실 거의 같은 기계지만;;) 당연히 초전도체가 쓰이구요 이외에도 당장 써먹을 수 있는 분야로 초전도 모터, 초전도 자기부상열차, 초전도 한류기(전기를 생산해서 가정으로 보낼 때 뭔가 문제가 생겨서 갑자기 지나치게 큰 전류가 흐르면 이걸 막아주는 일종의 퓨즈 같은 기계입니다.) 등등.. 이 활발하게 연구되고 있고(이 것들은 가격문제만 해결되면 바로 쓸 수 있어요~) 이외에도 양자컴퓨팅 분야나 초고속 회로 같은 분야도 연구되고 있습니다.
A.(질..문이 없는데?;) 저는 일단 공대생인 관계로 위와같이 실제 쓰이는 용도 위주로 한번 나열해 봤는데 응용 이외에도 이론적으로도 대단한 챌린지가 남아있습니다. 바로 '고온 초전도 현상의 해석' 인데요.. 어떤 온도 이상(이 온도까지는 사람 세명의 이름 앞 글자를 딴 BCS이론 으로 실험적으로 일치하는 해석을 완벽히 제시하고 있습니다. ) 의 고온초전도체가 존재할 수 있는 이유는 아직까지도 제대로 해석이 안되고 있습니다. 대략.... 어려운 듯.