상온 초전도체란 무엇이며, 마이어스 효과(일반인이 쉽게 이해하는)

 

 

최근 많은 사람들의 관심을 받고 있는 초전도체란 무엇인지 일반인 입장에서 쉽게 설명하고, 특히 상온에서 사용가능한 초전도체라는 물질이 어느 정도의 혁신인지, 그리고 대표적인 마이어스 현상에 대하여 알아보겠습니다. 

 

<상온초전도체>

 

 

 상온 초전도체란 무엇인가?

최근 국내 한 대학의 연구진이 상온에서 초전도체를 발견했다고 논문을 발표하였습니다. 보통 일반인들에게 익숙하지 않은 그리고 최근 이렇게 대한민국에서 화재가 되고 있는 상온 초전도체란 무엇일까요? 
오히려 영어식 표현인 Super Conductor가 더 쉽게 의미를 전달할 수 있을 것 같습니다. Conductor란 전기가 잘 통하는 물질 즉, 전도체를 의미합니다. 즉 전기가 잘 통하는 물질 앞에 Super가 붙었으니 매우 매우 전기가 잘 통하는 이라는 의미를 가진 단어가 바로 Super Conductor, 초전도체라고 합니다. 
그러면 전기가 잘 통한다 라는 부분은 어떻게 나타낼까요? 이에 대한 수치화 및 정량화를 한 단위가 바로 저항이라는 개념입니다. 즉 저항이 크다면 전기가 잘 안 통할 것이고, 저항이 작다면 전기가 잘 통할 것이며, 결론적으로 초전도체란 저항이 0인 물질을 말합니다. 

• 영어로는 Super Conductor라고 하며, 슈퍼급의 전기가 잘 통하는 물질을 의미한다
• 전기가 잘 통한다는 것을 수치로 표현하는 값이 저항이며, 저항이 0인 물질을 초전도체라고 한다.
• 결론적으로 초전도체란 저항값이 0인이고, 전기가 매우 매우 잘 통하는 물질이다.

 

 

 초전도체란 단어는 누가 최초로 사용했나?  

1800년대 수많은 과학자들은 주위에 알려진 친숙한 여러 기체들을 액화하는 연구를 시작합니다. 최초로 액화에 성공한 것은 공기였으며, 산소, 질소 등 하나씩 기체들을 액화시키는 데 성공합니다. 그런데 유독 헬륨만은 액화시키는데 수 많은 과학자들이 계속 실패하였습니다.
하지만 1908년 네덜란드의 물리학자 카메를링 오네스(Heike Kamerlingh Onnes, 1853~1926)가 최초로 헬륨가스를 액화시키는 데 성공합니다. 그리고 오네스는 1913년 노벨 물리학상을 수상합니다. 그럼 단순히 헬륨가스를 액화시키는 데 성공했다고 노벨 물리학상을 받았을까요? 거기에는 다른 이유가 있었습니다. 
앞서 말씀드린바와 같이 헬륨가스를 액화시키는 과정에서 오네스는 계속 온도를 낮추면서 연속적으로 저항을 측정하는 실험을 하였는데 어느 특정온도에서 저항이 0이 되는 현상을 발견했습니다. 그리고 이러한 현상을 가진 물질에 대하여 최초로 Super Conductor (초전도체)라는 이름을 명명하였습니다. 

 

 

 

 

 

상온 초전도체는 무엇이길래 이렇게 중요한가? 

앞서 말씀드린 카메를링 오네스가 최초로 헬륨가스를 액화시키면서 초전도체라는 용어를 처음 사용했다고 말씀드렸는데, 이 초전도 현상이 일어난 온도가 영하 268.8도였습니다. 혹시라도 병원에서 MRI를 찍어보신 경험이 있으신지 모르겠습니다. 우리가 실 생활에서 쉽게 볼 수 있는 케이스가 바로 MRI인데 보통 평균 기계값이 20억 원 정도하고 한 달 운영 비용이 3천만 원 이상으로 알려져 있습니다.
MRI는 헬륨가스를 이용한 초전도현상을 이용하여 우리 몸을 스캔하고 그 정보를 시각화할 수 있는데 이 초전도현상을 유지하기 위해서 헬륨가스를 영하 268.8도까지 낮춰야 합니다. 그러한 과정에서 많은 열이 발생하기도 합니다. 
즉 온도를 영하 268.8도까지 내리는데 들어가는 비용과 그 과정에서 과도하게 발생한 열을 식히는 과정까지 모두 비용이 들어가며, 그러한 이유로 MRI기계의 사이즈가 매우 커지고 기계값이 매우 비싸지는 이유입니다.
그런데 국내의 한 대학 연구소에서 상온에서 초전도 현상이 나타나는 물질을 발견했다고 합니다. 현재까지 일반적으로 알려진 초전도체에서의 가장 높은 온도는 영하 200도 정도입니다. 한 번에 기존 영하 200도에서 상온으로 적용범위가 넓어진 것입니다. 만일 사실이라면 인류의 역사상 한 페이지를 장식할만한 최대의 혁신으로 여겨지는 이유입니다.  

 

초전도체와 함께 나오는 마이스너 효과란 무엇인가?

초전도현상을 설명하다 보면 마이스너 효과(Meissner effect)라는 말이 나옵니다. 1933년 독일의 물리학자 프리츠 발터 마이스너(Fritz Walther Meißner, 1882 ~ 1974), 로버트 오쉔펠트(Ochsenfeld)가 발견했다고 합니다. 여러 어려운 학술적인 용어는 제외하고 쉽게 현상을 설명하자면 내부에 자기장이 들어오지 못하도록 밀어내는 것입니다. 예를 들어 N극이 있다면 N을 형성하여 밀어내고, S극이 있다면 S극을 형성하여 어떤 경우에도 밀어내는 현상입니다. 보통 우리가 신문지상에서 많이 보는 공중에 떠있는 물질의 이미지가 마이스너 효과의 결과물이라고 보시면 됩니다.
위에서 초전도체는 1908년 네덜란드의 물리학자 카메를 링 오네스가 발견했다고 말씀드렸는데 당시에 마이스너 효과는 전혀 인지하지 못했습니다. 다만 저항이 0이라는 부분까지만 발견했으며 이후 독일의 물리학자 마이스너에 의하여 이 현상이 증명이 되었습니다. 그리하여 현대에 와서 초전도체란 크게 두 가지 특징을 가진 물질로 정의됩니다. 

• 어느 특정 온도에서 저항값이 0이 되어 에너지 손실 없이 전류를 흐르게 할 수 있다.
• 공중에 떠 있는 현상인 마이스너 효과가 나타나야 한다. 

그리고 재미있는 사실은 초전도체라는 용어를 처음 사용한 카메를 링 오네스는 노벨 물리학상을 수상했으나, 마이스너 효과를 발견한 프리츠 발터 마이스너는 노벨상을 수상하지는 못했습니다. 

 

 

 

 

 

상온에서 초전도체 현상을 구현한다면 무엇이 좋은가? 

현재 우리가 사용하고 있는 스마트폰, 노트북, 각종 전자기기등은 기본적으로 열이 발생합니다. 우리가 사용하는 노트북도 오랫동안 사용하면 열이 발생하며, 스마트폰도 마찬가지입니다. 그리고 그 열을 식히기 위한 쿨러들도 각 기계마다 설치되어 있습니다. 만일 상온에서 초전도 현상을 구현할 수 있다면 어떤 일이 벌어질까요?

• 더 이상 노트북이나, 스마트폰에서 열이 발생하지 않습니다. 
• 열이 발생하지 않으니, 쿨러가 필요 없게 되고 노트북이나, 스마트폰을 더 작게 만들 수 있습니다. 
• 에너지 Loss가 발생하지 않으니 한번 충전으로 며칠 아니 평생 사용할 수도 있습니다.
• 이론적으로 초전도현상은 한 번의 에너지 충전으로 영원히 전류를 흐르게 할 수 있습니다.
• 마이스너 효과에 따라 자기 부상열차를 저비용으로 만들 수 있습니다.
• 그 어떤 곳에서 전기를 보내도 에너지효율이 전혀 떨어지지 않습니다.  

현재 대한민국에서 많은 관심을 받는 가장 큰 이유는 상온에서 구현 가능한 초전도체가 발견되었다는 것입니다. 가장 중요한 말은 상온입니다. 만일 이 부분이 현실화된다면 반도체 및 배터리 산업 이후 대한민국을 한 단계 더 부강한 국가로 만들 수 있는 혁신적인 물질이기 때문입니다.

 

 

 초전도체 마무리

과학 분야나 이 부분을 전공하지 않은 일반인들에게는 쉽게 알기 어려운 초전도체라는 물질이 만일 상온에서 구현 가능하다면 정말 위대한 혁신적인 발견이라는 점과 그 발견의 시발점이 대한민국이라면 더할 나위 없이 좋을 것 같습니다. 현재 대한민국에서 불고 있는 초전도체 관련 관심이 초전도체가 맞든 지 틀리든지 일시적으로 끝나지 않고 과학 및 기술 발전을 위한 작은 계기가 되었으면 하는 바람입니다.