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극저온에서 나타나는 초전도현상이 활발히 응용되고 있다. 핵융합 발전, 입자가속기, MHD 발전 등의 고에너지 산업, 자기부상열차, 자기공명영상장치 뿐 아니라 초고성능 컴퓨터 제조, 전압과 온도 표준 유지 등 그 응용분야는 거의 무한하다. 10여명의 노벨상 수상자를 낳은 초전도체 분야 연구는 이제 미래산업과 결합해 새로운 발전의 전기를 맞고 있다.

미래의 에너지문제는 어떻게 해결할 것인가? 석유나 석탄은 길어야 반세기 안에 다 써 버릴것이며, '체르노빌'사고가 아니더라도 원자력발전은 에너지문제의 해결 보다는 문제거리가 될 가능성이 더 크다.

더 많은 기억소자와 더 빠른 컴퓨터에 대한 요구는 게속될 터인데 과연 반도체공학이 이 문제를 해결할 수 있을 것인지.
인류의 기원과 함께 많은 사람들의 관심거리인 우주의 기원은 어디에 있으며 물질을 이루는 근본적인 요소(building block)는 무엇인가?
이와같은 문제들의 해결을 위하여 세계의 많은 과학기술자들이 오늘도 이 문제들의 해답을 얻는데 공통적으로 응용하는 첨단기술중의 하나가 바로 여기서 얘기하려는 초전도체(超電導体)이다.

초전도체에 관한 연구는 70년대 이후부터 매우 활발해졌으며 10년 전만 하더라도 물리학 실험실에서나 사용되던 초전도체가 이제는 우리의 일상생활에 까지도 영향을 주기에 이르렸다.
그러면 절대영도(-273℃) 근처의 극저온(極低溫)에서 일어나는 현상인 초전도란 무엇이며 어떻게 응용되는지를 알아보기로 하자.

절대온도 영도근처의 기현상

초전도현상(super conductivity)은 세계 최초로 헬륨액화에 성공한 네델란드의 물리학자 '온네스'(H.K.Onnes)에 의하여 지금부터 75년전인 1911년에 발견되었다.

저온에서 수은의 전기저항을 온도의 함수로 측정하던 중 '온네스'는 헬륨의 액화온도인 4.2˚K(-269℃) 근처에서 수은의 전기 저항이 갑자기 사라지는 것을 발견하고 이 현상을 초전도현상이라고 부른 것이다.

'온네스'는 수은 외에 납, 주석 등의 금속들도 임계온도(臨界溫度;Tc)이하에서 초전도체라는 것을 알게 되었다. 또 전기저항이 없으면 많은 양의 전류를 흐르도록 하여 강한 전자석을 만들 수 있다는 생각으로 전류의 양을 증가시켜 본 결과 놀랍게도 생각했던 것처럼 많은 양의 전류를 흘릴 수는 없다는 것을 알았다. 즉, 초전도상태에 있는 금속이라도 초전도체에 흐르는 전류에 의해서 유도되는 자기장의 세기가 어느 임계자장(臨界磁場)에 이르게 되면 전기저항이 되살아나서 정상상태로 돌아온다는 사실을 발견한 것이다. 이와같은 현상은 외부에서 자장을 가해주어도 마찬가지이다.
'온네스'가 자석을 만드는데 사용했던 초전도체가 납이었고 납의 임계자장은 겨우 0.08테슬라(1테슬라=1만가우스)이었으므로 그가 크게 실망했음은 물론이다.

그후 1933년 '마이스너(Meissner)는 초전도 상태의 금속에 자장을 가하더라도 자장의 세기가 임계자장 이하이면 초전도체 내부에 아무런 자장이 존재하지 않는다는, 즉 완전 반자성체의 성질을 갖는다는 '마이스너효과'를 발견하였다. 이러한 성질은 초전도체와 단순히 전기저항이 영(零)이 되는 완전도체를 구별하는 성질로서, 완전도체성과 함께 초전도체의 가장 기본적인 특성이다.

초전도현상은 50 여종의 원소와 수백종의 합금에서 나타나고 있는데 금속에만 국한되는 것이 아니라 반도체나 비금속 초전도체가 있다. 초전도체의 임계온도는 대부분 1˚K~10˚K(-272℃~-263℃)사이이며 흥미로운 사실은 임계온도가 높은 물질은 대개 상온에서 전기저항이 크며, 금 은 구리와 같이 상온에서는 전기전항이 낮은 금속들은 초전도체가 아니라는 점이다.

초전도체는 크게 두 종류로 분류된다. 하나는 임계자장(Hc)까지 완전반자성체의 성질을 나타내다가 임계자장 이상에서는 정상상태로 환원되는 제1종의 초전도체이며, 다른하나는 자장을 증가시킴에 따라 완전 반자성체에서 불완전 반자성체로 바뀌었다가 정상상태로 되는 제2종의 초전도체이다.

대개의 원소초전도체는 제1종의 초전도체이며 니오비움(Nb)과 대다수의 합금으로 된 초전도체는 제2종에 속한다. 임계자장이 수십테슬라에 이르기 때문에 초전도 자석을 제작하는데 사용되는 초전도체는 모두 제2종의 초전도체이다. (표1)에는 대표적인 초전도체의 임계온도와 임계자장이 나와있다.
 

입자가속기의 필수부품

초전도체의 응용은 '온네스'가 납을 사용하여 초전도자석을 제작하려는 초기의 노력이 실패한 이후로 오랫동안 별 진전이 없다가 1958년에 높은 임계자장을 가진 초전도체인 Nb₃Sn이 발견되고 70년대에 들어와서 초전도자석을 제작하는 기술이 급속히 발달하면서부터 여러 분야에 걸쳐 활발한 응용이 시작되었다.

이와 아울러 1962년에는 '조셉슨효과'(Josephson effect)가 발견됨으로써 초전도자석 이외의 분야에서도 초전도체의 응용이 시작되었다.
여기에서는 초전도자석을 이용하는 초전도체의 대규모 응용과 '조셉슨효과'를 이용하는 소규모 응용으로 나누어 설명하기로 한다.
초전도체를 사용하여 10테슬라(지구자장의 약 20만배)이상의 강력한 자장을 발생시킬 수 있는 초전도자석을 제작함에 따라 물리학, 의학, 에너지분야에서 광범위하게 이용할 수 있게 되었다.

물리학에서 초전도자석을 이용하는 것중 가장 규모가 큰 예는 입자가속기에 초전도자석을 사용하는 것이다.
고에너지 물리학에서는, 우주에 존재하는 물질을 건축물에 비교할 때 건축물을 구성하는 벽돌에 해당하는 것은 무엇인가 하는 의문을 풀기 위하여 끊임없는 연구를 계속하고 있다.

우리는 물질이 분자들로 이루어져 있으며 분자는 원자들로, 그리고 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있다는 것을 안다. 이 원자핵이 무엇으로 만들어져 있는가를 알기 위해서는 원자핵을 부수어서 더 나눌수 없을 때까지 쪼개야 하는데 그렇게하기 위해서는 엄청난 에너지가 필요하게 된다. 이 에너지를 제공해 주는 기계가 바로 입자 가속기이다.

현재 가동중에 있는 가속기 중에서 가장 높은 에너지를 낼 수 있는 것은 미국립 '페르미'연구소에 있는 '테바트론'(Tevatron)인데 원래는 재래식 전자석을 사용하여 4천억 전자볼트(4백 GeV)의 에너지를 낼 수 있었던 것인데 80년대에 들어와 초전도자석으로 대체함으로써 8백GeV의 에너지를 낼 수 있을 뿐만 아니라 이 가속기를 작동하는데 사용되는 엄청난 양의 전력(한달에 2만4천MW·hr) 소비를 5분의 1로 줄일 수 있었다. 따라서 앞으로 건설되는 입자가속기에는 필수적으로 초전도자석이 사용될 전망이다.

실제로 현재 미국에서 계획하고 있는 초충돌기(Superconducting Super Collider;SSC)라는 이름의 입자가속기는 1990년대 중반에 완성될 경우 가속기의 원주(圓周)가 무려 96km나 되며 여기에 사용될 6테슬라의 초전도자석의 제작비만도 21억달러에 달하게 될 것이다. 이 SSC가 완성되면 40조전자볼트(40TeV)의 에너지를 낼 수 있고 이 에너지로는 우주생성의 기원이라는 대폭발(Bing Bang) 이후 1경분의 1초(${10}^{-16}$초)의 상황에서의 물질의 상태를 재현시킬 수 있다니 그저 놀라울 뿐이다. 이와 같은 계획은 초전도체를 사용하지 않고는 생각할 수 조차도 없음은 말할 필요도 없다.

1억℃의 플라즈마로 핵융합

에너지 분야에서 초전도체의 응용은 발전, 송전, 저장 등 더욱 광범위하다. 오늘날 인류가 사용하고 있는 석유, 석탄 등 화석 에너지는 매장량이 한정되어 있고, 태양열이나 풍력 지열 등의 응용도 매우 제한되어 있으며 원자력발전도 방사능오염 등의 문제가 있으므로 궁극적인 대체에너지원이 될 수 없음은 잘 알려져 있다. 따라서 새로운 에너지원을 찾아야 하는데 이에대한 해답이 바로 핵융합(nuclear fusion)이라고 생각된다.

핵융합은 태양의 내부에서 일어나는 반응과 같은 원리를 에너지원으로 이용하는 것이므로 핵융합발전은 소형의 태양을 발전소 내에 장치하는 셈이다.

핵융합발전에서는 바닷물에서 무진장으로 얻을 수 있는 중수소를 연료로 하고, 타고 남은 재는 방사선이 없는 헬륨이므로 원자력발전에서 문제가 되는 연료(우라늄) 문제나 방사능오염의 위험성도 없으므로 미래의 에너지원이 될 것임에 틀림없다.

핵융합발전의 실용화를 위해서는 해결되어야할 기술적인 문제가 많이 남아 있으며 여러가지 방법이 시도되고 있으나, 핵융합에 필요한 1억℃ 정도의 고온 플라즈마를 작은 공간내에 가둬두는데 초전도자석이 사용될 것임에는 의심할 여지가 없다.

미국 일본 소련 등의 선진국에서는 핵융합발전 연구를 국가적인 과제로 삼아 노력을 경주하고 있으므로 21세기 중반에는 핵융합발전이 실용화되리라고 기대된다.

발전(發電)혁명, MHD발전

초전도자석을 발전에 사용하는 또다른 예에는 자기유체동력학(MHD)발전이 있다.
MHD발전기는 자장 속을 도선이 움직임에 따라 전류를 발생시키는 재래식 발전기와 유사한 방법으로 발전을 하지만 움직이는 도선 대신 전도성 유체를 강한 자장속으로 통과시키면서 팽창시키게 되면, 움직이는 유체와 자장 사이의 상호작용에 의해 전기에너지를 생산한다. 이때 강력한 초전도자석이 사용된다.

이와같은 방법으로 전력을 생산한 후에도 연소된 기체는 온도가 매우 높으므로 이 기체를 이용하여 재래식 증기터빈을 돌려 발전을 할 수 있으므로 발전효율이 재래식 발전기보다 월등이 높다.

MHD발전은 거의 상업화 할 단계에 있으며 소련에서는 50만KW 규모의 발전소를 재래식 증기터빈 발전소와 연결해서 건설하였다. MHD발전이 상용화되면 인류가 에너지문제를 해결하는데 커다란 공헌을 할 수 있으므로 미국과 소련 사이에서는 드물게 보는공동 개발연구를 하고 있다. 이 계획에 따라 무게 2.5t의 대형 초전도자석을 미국의 '알곤'국립연구소에서 제작하여 시카고에서 모스크바까지 공수한 적이 있다.

MHD발전이나 핵융합발전으로 생산된 막대한 양의 전력을 송전하는데 초전도체를 사용하는 것은 당연한 것처럼 생각된다. 초전도체를 이용하면 전력의 손실없이 많은 양의 송전이 가능하므로 송전케이블을 극저온으로 내려야 하는 어려움을 고려하더라도 경제적으로 큰 득이 될 것이다. 이 분야에 관한 연구가 계속되고 있으므로 핵융합이 실용화되기 이전에 기술적인 문제는 해결될 전망이다.

송전과 함께 전력을 저장하는데도 초전도를 이용할 수 있는데 전력을 자장의 상태로 보관하는 초전도 자기에너지저장(SMES) 방법은 이미 실험실 규모로는 매우 성공적이다. 이 방법이 실용화되면 전력소비가 적은 한밤중에 남아도는 전력을 저장해 두었다가 전력소비가 많을 때 이용하면 에너지 사용의 효율성을 높일 수 있다.

초전도자석이 상업적으로 많이 사용되고 있는 예는 최근에 임상의학에서 진단에 사용되는 자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging;MRI)장치이다. 핵자기공명 단층촬영장치라고 불리던 이 의료기기는 '핵'(nuclear)이라는 단어가 방사선과 관련하여 일반인에게 주는 인상이 좋지 않으므로 요즈음은 MRI라고 불리는데 이 장치의 핵심 부분은 반경이 1m 정도 되고 1테슬라 정도의 아주 균일한 자장을 생성할 수 있는 초전도자석이다. 이 장치는 빠른 속도로 종합 병원의 필수설비가 되어 가고 있으며 미국의 경우 그 시장규모가 1984년도에 벌써 1억달러를 넘어서고 있다.

저온전자공학의 탄생

이제까지 설명한 초전도체의 응용은 전기저항이 없는 성질을 이용하여 높은 자장의 초전도자석을 만들어 사용하는 것이었다. 이와는 달리 초전도체를 사용하여 아주 작은 전류와 자장을 감지할 수 있는 특성을 이용하는 경우를 알아보기로 하자.

두개의 초전도체를 절연체나 금속으로 약하게 연결해 놓으면 이 부분을 통하여 전압을 걸어주지 않더라도 초전류(supercurrent)가 흐를 수 있다는 놀라운 사실이 1962년 영국 케임브리지 대학의 '조셉슨'에 의해서 발견되었다. '조셉슨효과'라고 블리우는 이 발견으로 '조셉슨'은 1973년도 노벨물리학상을 수상하였는데 그가 이 효과를 처음 생각해 냈을때는 아직 대학생이던 23세 때였다는 사실이 이 발견을 한층 더 로맨틱하고 흥미롭게 하기에 충분하다. '조셉슨'효과를 이용한 '조셉슨'접합(Josephson Junction)은 그 응용이 매우 광범위하며 '조셉슨'접합에 전압을 걸어주거나 자장을 걸어주면 전류가 주기적인 성질을 갖는다는 것이 알려짐에 따라 그 응용이 더욱 많아져서 저온전자공학(cryoelectronics)이라는 새로운 분야를 탄생시키게끔 되었다.

'조셉슨'접합의 응용 중에서 가장 잘 알려져 있는 것이 컴퓨터 기억소자로서의 응용이다. 현재 사용되고 있는 반도체소자의 경우에는 상온에서 사용되므로 발생되는 열 때문에 단위면적에 장치할 수 있는 수가 이미 한계에 도달하고 있다.

이에 반하여 '조셉슨'소자를 사용할 경우에는 저온에서 사용하기 때문에 전력의 소비가 적은 근본적인 잇점이 있는 외에도 '조셉슨'소자는 반도체 소자보다 훨씬 적은 전류를 사용하여 작동할 수 있기때문에 1㎤의 면적에 10만개 이상의 기억소자를 넣는 것이 가능하고 따라서 그만큼 빠른 계산속도를 갖게된다.

이미 일본에서는 '조셉슨'접합을 이용한 컴퓨터가 개발되었으며 인간의 두뇌처럼 스스로 생각하는 미래의 초고능성 컴퓨터는 아마도 '조셉스'접합을 이용한 컴퓨터가 될 가능성이 높다.

'조셉슨'접합의 넓은 용도

'조셉슨'접합의 하나 또는 둘을 초전도체로 연결해 놓은 것이 초전도 양자간섭장치(SQUID)인데 이 장치는 아주 미세한 자장을 감지할 수 있어서 그 반응도가 약${10}^{-15}$테슬라(지구자장의약1백억분의1)정도이다.

SQUID를 사용하면 사람의 심장이 뛸때 생기는 미세한 자장의 변화는 물론이고 뇌에서 발생하는 뇌파의 자장변화 까지도 알 수 있어서 임상진단에 새로운 장을 열어놓았다. 이밖에 SQUID는 지구물리학과 중력파(重力波)의 감지, 자원탐사 등에 이용되고 있다. 이 SQUID는 이미 상용화되어 병원이나 실험실에서는 물론이고 액체헬륨을 넣은 듀아(저온용기)내에 장치하여 지구상 어디에서나 사용할 수 있으며 인공위성에 실어서 우주공간에서도 사용할 수 있을 정도로 발달하였다.

'조셉슨'접합이나 SQUID는 계측학과 물리학실험에서 미세전류와 전압을 측정하는데 널리 사용하고 있다. 계측학과 관련해서 '조셉슨'접합이 사용되는 예 중에서 가장 대표적인 것이 전압의 표준을 유지하는 것인데 '조셉슨'접합에 전자파를 조사(照射)하면 일정한 전압을 얻을 수 있어서 각국에서는 이 원리를 이용하여 전압표준을 천만분의 1볼트 정도로 정확히 유지하고 있다.

끝없는 가능성, 초전도체연구

초전도체를 연구하거나 응용하는데 필요한 최소한의 조건은 저온환경을 만들어 줄 수 있는 액체헬륨이 있어야 한다는 것이다. 현재 국내에서 가동되고 있는 헬륨액화기는 1983년에 한국표준연구소에 도입된 것등 단 두대에 불과하다. 따라서 초전도체 분야의 연구가 불모지와 같다는 것은 쉽게 미루어 짐작할 수 있다. 한국표준연구소에서는 그간 초전도체의 임계온도를 이용한 표준온도를 확립하였으며 1985년 이래로 '조셉슨'접합 전압표준장치를 도입하여 국가 전압표준을 유지하고 있다. 이밖에 '조셉슨'접합을 이용한 컴퓨터소자 개발연구와 SQUID 제작연구를 서울대학교 물리학과와 공동으로 추진중에 있다

서울대학교 공과대학 전기공학과에서는 소규모 초전도 자기에너지저장(SMES)연구를 수행중이며 상당한 성공을 거두고 있다.
이밖에 초전도체를 응용하는 예로는 과학기술원의 조장희교수팀이 개발한 MRI시스템에 초전도자석을 사용하고 있으며 몇몇 대기업에서 개발중인 MRI에도 초전도자석이 사용될 것으로 기대된다. 또한 몇몇 연구소에서는 초전도자석을 사용하는 핵자기공명(NMR)분석장치를 사용하고 있다. MRI시스템이나 NMR분석 장치에 사용되는 초전도자석은 한번 액체헬륨을 충전하면 1~6개월 정도 사용할 수 있으므로 헬륨액화기가 없더라도 액체헬륨을 수입하여 사용하는 것도 가능하므로 앞으로 더 많은 기기가 도입될 것으로 예상된다.

초전도자석을 만드는데 필수적인 초전도체 제작은 금성전선에서 Nb-Ti선을 시험제작하고 있으므로 멀지않아 대량생산도 가능하리라고 본다. 그렇게되면 국내에서 제작한 초전도자석이 이용될 수 있을 것이며 이에따라 초전도 개발에 관한 연구도 활발해질 것으로 기대된다.

세계적인 추세및 전망

'온네스'가 75년 전에 시도하던 강력한 자장의 초전도자석은 이제 현실로 나타나서 세계적으로 매년 수억달러에 해당하는 초전도자석이 제작되고 있으며 더 높은 자장을 생성할 수 있는 초전도체를 발견하려는 노력이 계속되고 있다.

초전도체 생산기술과 초전도자석 제작기술은 현재로는 일부 선진국에서 독점하고 있으나 미래의 에너지문제를 비롯하여 그 광범위한 응용을 고려할 때 우리도 하루빨리 시작하여야만 할 것이다.

'조셉슨'소자를 개발하는 연구는 아직도 많은 부분이 기초과학의 영역에 속해 있으며 지금까지 초전도체의 성질을 연구하였거나 초전도체를 이용하여 수행한 연구업적으로 노벨상을 수상한 과학자가 10여명이 넘는 것을 감안할 때 초전도체 연구는 기초 과학육성의 관점에서도 중점적으로 다루어져야 할 것이다.

끝으로 현재 초전도체의 최고 임계온도가 23˚K에 머물러 있는 상황이므로 '온네스'이래로 계속되어온 더 높은 임계온도를 가진 초전도체를 발견 또는 발명하려는 노력은 아마도 상온에서 초전도 현상이 나타날때 까지 끊임없이 계속될 것으로 믿는다.