자기부상열차 기술인 초전도 현상과 초전도체에 대해 알아보자

초전도 현상

 

초전도 현상(superconductivity)은 임계 온도(critical temperature, Tc) 이하의 초저온에서 금속, 합금, 반도체 또는 유기 화합물 등의 전기 저항이 갑자기 0이 되는 현상이다. 전류가 저항 없이 흐르고 외부 자기장과 반대방향의 자기장을 형성하는 반자성(diamagnetism)을 띄게 되는 현상을 가리킨다. 이러한 초전도 현상이 일어나는 물질을 초전도체(superconductor)라고 부른다. 초전도 현상이 일어나는 물질은 외부 자기장을 밀쳐내거나 전기 전류가 흐르는데 저항이 발생하지 않는 등의 성질을 보인다. 대체로 그 물질의 온도가 영하 240˚C 이하로 매우 낮거나 구리나 은과 같은 도체의 경우 불순물이나 다른 결함으로 인해 저항이 어느 값 이상으로 감소하지 않는 한계가 있다. 절대영도 근처에서도 실제 구리 시료의 저항은 0이 아닌 값을 가지게 된다.

 

반면 초전도체의 저항은 임계 온도 값보다 아래로 내려가면 갑자기 0으로 떨어진다. 초전도 전선으로 된 고리를 흐르는 전류는 전원 공급 없이도 계속 흐를 수 있다. 강자성이나 원자 스펙트럼 준위처럼, 초전도는 양자 역학적인 현상이다. 초전도는 단순히 고전 물리의 이상적인 완전 도체(perfect conductor) 개념으로는 설명될 수 없는 현상이다.

 

초전도는 다양한 종류의 물질에서 나타난다. 주석이나 알루미늄과 같이 한가지 원소로 된 물질에서도 일어난다. 다양한 금속 합금이나 도핑된 세라믹 물질에서도 나타난다. 초전도는 금이나 은과 같은 귀금속에서는 나타나지 않으며, 순수한 강자성 금속에서도 나타나지 않는다.

 

1986년에는 구리-페로브스카이트(perovskite) 계 세라믹 물질에서 임계 온도가 90K(켈빈)을 넘는 고온 초전도체가 발견되었다. 초전도체 연구가 다시 활성화되는 계기가 되었다. 순수한 연구 주제로서, 이런 물질들은 초전도체를 설명하는 기존 이론으로는 설명되지 않고 있다. 초전도 상태가 경제적인 면에서 중요한 기준이 되는 온도인 액체 질소의 비등점(77 K)보다 높은 온도에서도 나타남에 따라, 좀 더 많은 상업적 응용 가능성이 열리게 되었다.

 

성질

 

초전도체의 비열이나 초전도성이 깨질 때의 임계 온도, 임계 자기장, 임계 전류 밀도와 같은 대부분의 성질은 물질마다 다르다.

 

물질이 무엇이냐에 상관없이 초전도체이면 공통적으로 가지는 성질들이 있다. 예를 들면 모든 초전도체는 자기장이 없을 때 작은 전류에 대해 정확히 0인 전기 저항을 가진다. 이러한 공통적인 성질은 초전도성이 하나의 열역학적인 상이며, 물질의 미시적인 구조에 독립적인 특정한 성질을 가진다는 것을 암시한다.

 

초전도 현상을 이용한 자기부상 열차

 

직류 전류 초전도(완전 도체)

 

시료의 전기적인 저항을 측정하는 방법은 그 물질을 전기 회로에서 전류원과 직렬로 연결한 뒤 전류 I를 공급하고 시료 양단에 인가되는 전압 V를 측정하는 것이다. 시료의 저항은 옴의 법칙에 따라

R = V/I

로 된다. 만약 전압이 0이라면, 이것은 저항이 0임을 의미하며 그 시료는 초전도 상태에 있는 것이라고 할 수 있다.

 

초전도는 전압이 인가되지 않은 상태에서도 전류를 유지할 수 있다. 이런 성질은 자기공명영상과 같이 초전도 전자석을 이용하는 곳에서 사용된다. 초전도 코일은 감소 없이 전류를 몇 년씩 유지할 수 있는 것으로 나타났다. 실험에 의하면 이런 전류의 유효 수명은 최소한 10만 년이며, 이론적으로는 우주의 수명보다도 길 것으로 평가된다.

 

일반적인 도체에서의 전류

 

일반적인 도체에서 전류는 전자가 무거운 이온 격자 사이를 움직여 가는 것으로 표현된다. 전자들은 이온과 격자에 계속 충돌한다. 각각의 충돌에서 전류에 의해 전달되던 에너지의 일부가 격자로 흡수되고 열로 변환된다. 이것이 이온 격자의 운동에너지이다. 결과적으로 전류에 의해 운반되던 에너지는 점점 흩어진다. 이것이 전기적 저항이 일어나는 현상이다.

 

초전도 도체에서의 전류

 

초전도체에서는 상황이 다르다. 일반적인 초전도체에서 전류의 흐름은 각각의 전자의 움직임으로 분리될 수 없다. 그 대신 전자는 쿠퍼쌍으로 묶이며, 이는 포논의 교환에 의한 전자들 사이의 인력으로 생긴다. 양자역학에 의해, 쿠퍼쌍의 흐름은 에너지 스펙트럼에서 띠틈을 만들어낸다. 이는 전자의 흐름을 흥분시키기 위해서는 최소한 ΔE만큼의 에너지가 필요함을 의미한다. 만약 ΔE가 kT(k는 볼츠만 상수이고 T는 온도)로 주어지는 격자의 열에너지보다 크다면 전자는 격자에 의해 산란되지 않게 된다. 그러므로 쿠퍼쌍은 초유체를 이루며, 이는 에너지 손실없이 흐를 수 있다는 것을 의미한다고 볼 수 있다.

 

모든 종류의 고온 초전도체를 포함하는 2종 초전도체는 초전도 상전이의 근방에서 전류가 그 전류로 인해 발생할 수도 있는 강한 자기장과 함께 가해졌을 때 아주 작은 양의 비저항을 보인다. 이것은 전자 초유체의 소용돌이(vortex)에 의한 것이다. 전류에 의해 전달되는 에너지의 일부를 흩뜨린다. 만약 전류가 충분히 작다면 vortex는 정지해있고 비저항은 사라진다. 이 효과에 의한 저항은 초전도체가 아닌 물질이 보이는 저항에 비하면 아주 작지만 민감한 실험을 할 때에는 고려해야 한다. 그러나 온도가 초전도 상전이에서 더 멀어짐에 따라 이러한 와동들은 불규칙하지만 고정되어 있는 와동 유리(vortex glass)라는 상으로 변할 수 있다. 이러한 와동 유리 상전이 온도 아래에서는 초전도체의 저항이 0이 된다.