초전도 현상1. 초전도 현상초전도 현상이란 무엇인가에 대해서 알아보기로 하겠다. 간단히 말해서 초전도 현상이라는 것은 전기저항이 제로가 되는 현상이다. 통상 전기는 전압을 걸지 않으면 흐르지 않는다. 전기의 흐름에 역행하는 방해가 있기 때문이다. 이 방해를 전기저항이라고 한다. 그러나 전기저항이 제로가 되면 전압이 전혀 없어도 전기는 언제까지나 계속 흐른다. 이것이 초전도라는 현상이다. 여기서 초전도 재료의 조건에 대해서 약간의 설명을 추가하고자 한다. 개발 연구자간에는 다음의 조건을 분명하게 한 재료만이 초전도 재료라고 인정하고 있다.Ⅰ) 전기 저항이 제로일 것Ⅱ) 마이스너 효과가 일어날것Ⅲ) 조셉슨 효과가 일어날것Ⅳ) 재현성이 있을 것2. 초전도체에 관한 기본적인 이론(초전도체의 성질)2.1 전기저항이 0(zero)전기저항이 0인 물질을 저온으로 냉각시키면 그 물질의 전기저항도 함께 감소하게 되는데, 어느 특정온도(임계온도 또는 전이온도)에 이르게되면 갑자기 전기저항이 감소하여 0(zero)에 근접하게 된다. 즉, 그 물질은 저항이 없는 전도성을 가지게 되는데, 이러한 성질을 초전도성(Superconductivity)이라 한다.수은의 온도에 대한 전기저항곡성2.2 3가지 임계값초전도체는 3가지 임계값(Critical Value)을 갖는다. 임계전류밀도(Critical Current Density;Jc), 임계자장(Critical Magnetic Field ; Hc), 임계온도(Critical Temperature ; Tc)가 그것들인데 초전도체는 이 범위 안에 존재하여야만 성질을 유지할 수 있다. 만약 이 세가지중 하나라도 범위를 넘어서게 되면 초전도체는 상전도체로 상전이하게 되는데 이를 Quench라고 한다. 세가지 임계값의 대략적인 관계는 아래 그림과 같다.그림 1. 초전도체의 임계값2.3 마이스너 효과초전도체를 규정하는 또 하나의 성질은 "마이스너 효과(Meissner's Effect)"라고 부르는 자장차폐효과이다. 마이스너(Meissner)에 의해 발견된 이 성질은 초전도 덩어리 내부에는 항상 자장이 존재하지 않는다는 성질이다. 초전도체를 냉각시키는 방법에는 두 가지가 있는데 자장이 존재하는 상태에서 냉각시키는 방법(Field Cooling ; FC)과 자장이 존재하지 않는 상태에서 냉각시키는 방법(Zero Field Cooling ; ZFC)이다. 초전도 덩어리는 이 두 가지 방법 중 어떤 것을 택하여 냉각을 시키던지 내부의 자장은 항상 존재하지 않는다. 이것은 초전도체 표면에서 초전도체에 가해지는 자장을 상쇄시키는 방향으로 전류가 흐르기 때문이다.그림 2. 마이스너 효과2.4 자장보존의 법칙자장보존의 법칙은 초전도회로에서 나타나는 현상으로 초전도상태가 되기 전의 초전도회로 내부의 자장은 냉각이 되어 초전도체가 되고, 자장의 변화가 있어도 항상 초전도회로의 자장은 원래 냉각되기 전의 자장을 유지하게 된다.그림 3. 초전도회로에서의 자장보존2.5 BCS 이론일반적으로 도체내부에서 움직이는 전자들은 서로 밀쳐내는 성질을 가지고 있다. 전하가 같기 때문에 쿨롱반발력이 작용하는 것이다. 그런데 초전도체에서는 전자들 사이에 마치 인력이 작용하는 것과 같은 효과가 나타나 전자들이 쌍을 이루며 움직인다. 다시 말해서 초전도체에서는 전자가 지나가면 도체내의 양이온 원자들이 움직이는 전자쪽으로 쿨롱전기력에 의해 약간 끌리게 된다. 그래서 다른 쪽에 있는 전자들이 양이온 원자들이 움직이는 것을 보고 먼저 지나간 전자 쪽으로 끌려오는데 이는 마치 먼저 지나가 전자가 +전하를 띤 것으로 보이는 효과다. 그래서 먼저 지나간 전자와 나중에 따라온 전자가 하나의 쌍을 이루며 이동하는데 이를 쿠퍼전자쌍(Copper Pairs)이라고 한다.결국 쿠퍼전자쌍때문에 전류가 아무런 저항을 받지 않고 흐를 수 있다. 재미있는 사실은 나쁜 도체일수록 초전도가 잘 나타난다는 점이다. 전도성이 좋은 금, 백금, 은에서는 아직 초전도현상이 발견되지 않았다. 쿠퍼전자쌍들은 보통의 전자들의 움직임에 비해 에너지가 낮아 흩어지지 않고 움직인다. 그러나 온도가 올라가면 전자들의 에너지가 높아져 전자쌍은 깨진다, 이 때문에 고온에서 초전도현상이 일어나기가 어렵다. 저온 초전도체에서는 전자사이의 거리가 약 1000Å인데, 고온 초전도체에서는 10Å이하다. 이를 힘으로 환산해 보면 쿨롱반발력을 이겨낸 1만배 정도의 인력이 고온 초전도에서 필요한 셈이다. 어떤 강력한 힘이 고온에서 전자들을 잡아당기는 것일까? 현재까지 고온 초전도체에서는 쿠퍼쌍이 원인이라는 것은 알려져 있다. 그런데 무엇이 1만배이상의 인력을 만들어내는 지는 밝혀내지 못하고 있다. 이것을 알면 노벨상은 따놓은 것이나 다름없다고 한다. 상대온도 T/Tc 의 함수로 T = 0에서에너지 간격에 대한 온도 T에서 간격의 비 .실선 곡선은 BCS 이론으로 예측한 것이다.3. 초전도체의 재료적 특성에 따른 종류3.1 초전도체의 종류그림 4. 초전도체의 종류초전도체는 위의 그림처럼 크게 두 가지로 나눌 수 있다.Type I은 Onnes가 처음 발견한 초전도물질들이다. 순수한 금속물질로 대표적인 금속은 수은(Hg)이 있다. Type I 물질들은 임계값들이 상당히 낮기 때문에 응용하기에는 많은 어려움이 따르게 된다.Type II는 또다시 저온초전도체와 고온초전도체로 나눌 수 있다. Type II물질은 Type I보다 비교적 높은 임계값을 갖기 때문에 Type II 초전도물질의 발견으로 비로소 초전도체의 응용에 길이 열리게 된다. Type I 과 Type II를 구분 짖는 가장 큰 점은 초전도상태에서 상전도 상태로 상전이할 때 그 중간단계의 차이점에 있다.Type I 초전도체는 중간상태(intermediate state)라는 것이 존재한다. 이는 순간적으로 존재하는 상태로 초전도체의 일부분이라도 상전이하게 되면 곧바로 전체가 상전도 상태로 된다. 그에 비해 Type II 초전도체는 혼합상태(mixed state)가 존재하는데 이는 초전도체와 상전도체가 공존하는 상태이다. 혼합상태는 물리적으로 안정하여 임계값을 넘지 않는 범위에서 계속적으로 존재가 가능하다.저온초전도체는 임계온도가 낮아 붙여진 이름으로 Type I과 마찬가지로 액화헬륨(LHe)에서 초전도체가 된다. 저온초전도체는 임계전류밀도는 높지만, 임계자장이나 임계온도는 상당히 낮은 편이다.고온초전도체는 액화질소(LN2)를 냉매로 이용한다. 따라서, 저온초전도체에 비해 상당히 경제적으로 유리한 입장이다. 하지만, 세라믹 계열이므로 연성 등이 부족하여 쉽게 깨지는 단점이 있다. 이로 인해 고온초전도체로 선재를 만드는 것은 상당히 어렵게 된다. 이를 극복하기 위해 tape형태의 선재가 개발중이다. 하지만, bulk(덩어리)로 제작하여 기기를 만드는데 있어서는 상당히 유리하다. 현재 고온초전도체를 이용하여 각종 전력 기기 및 전자디바이스 응용 분야로 연구가 많이 진행중이다.3.2 초전도의 재료적 특성에 따른 종류이번에는 초전도의 재료적 특성에 따른 종류를 살펴보겠다. 지금까지 알려진 초전도체는 첫째로 초전도의 물질이 밝혀져 그 결정구조가 해명되어있다. 둘째로 마이너스 효과를 나타내고 세째로 전기저항이 전이점 부근에서 급격히 소실한다. 네째로 실험 결과에 대한 충분한 재현성이 있어야 한다. 이 초전도 물질의 4가지 조건을 만족시키는 가장 높은 초전도체는 아칸소(Arkansus) 대학의 헤르만 교수가 발견한 탈륨계(系) 초전도체이다. 초전도체의 특이한 현상으로서는 영구전류(永久電流), 마이너스효과, 자속의 양자화, 특이한 효과 등의 특이한 현상을 나타낸다. 예를 들어 초전도체로 만들어진 선재(線材)는 전기저항에 의한 손실 없이 대전류를 흘릴 수 있기 때문에 강력한 자기장을 발생시키는 자석이나 고효율의 전력저장장치에의 응용이 가능하다. 더욱이 마이너스 효과를 이용한 부상운반, 자기차폐판, 조셉슨 소자에 의한 초고속컴퓨터, 고성능 자기 센서에서의 응용도 생각할 수 있다.초전도의 재료를 구성하는 물질원소들은 단일원소라고 하는 일원소 물질로서 초전도를 나타내는 것이 44원소가 있고, 그 가운데 14원소는 고압아래서만 초전도를 나타낸다. 임계온도는 상압에서는 니오브(Nb)의 9K로 최고이며, 대부분은 액체헬륨 온도보다 저온에서 초전도상태를 나타낸다. 단일원소의 초전도체는 니오브(Nb)와 바나듐(V)의 두 원소를 제외하고는 극저온이 된다고 하여도 실용화되기에는 곤란한 재료이다. 제 2종 초전도체는 제 1종 초전도체에 비하여 100배정도의 임계자기장을 가질 수 있으며 실용상으로도 유리하다. 제 2종 초전도체에서는 합금, 금속간 화합물, 무기화합물, 유기화합물에 속하며 고온초전도체도 이 속에 포함된다.다른 재료로서는 세라믹스계인데 세라믹스 고온초전도체는 그 구조와 임계온도에 따라 4종류로 분류된다. 고온초전도체의 제 1특징은 임계온도가 높다는 것인데 초전도체를 응용할 경우에는 임계온도뿐만 아니라 임계자기장, 임계전류밀도의 조건도 중요하다. 재료의 선재화나 박막화도 또한 중요하다.
