1911년 네덜란드 라이덴대학교의 실험실에서는 수은이 담긴 가느다란 관이 액체 헬륨 속으로 천천히 내려가고 있었습니다.
물리학자 헤이커 카메를링 오너스는 온도가 낮아질수록 수은의 전기 저항도 조금씩 감소할 것이라고 예상했습니다.
그런데 온도가 약 4.2K, 섭씨 영하 269도 부근에 도달하자 예상하지 못한 일이 벌어졌습니다.
수은의 저항이 조금 낮아진 것이 아니라 측정하기 어려울 정도로 갑자기 사라져 버린 것입니다.
이처럼 특정 물질을 매우 낮은 온도로 냉각했을 때 전기 저항이 0이 되고 자기장을 밀어내는 상태를 초전도 현상이라고 합니다.
초전도 현상이란 무엇일까
초전도체는 단순히 전기가 아주 잘 흐르는 금속이 아닙니다.
물질이 임계온도 아래로 내려갔을 때 두 가지 특징이 함께 나타나야 합니다.
첫째, 직류 전류에 대한 전기 저항이 사실상 0이 됩니다.
둘째, 물질 내부의 자기장을 밖으로 밀어내는 마이스너 효과가 나타납니다.
전기 저항이 매우 작더라도 자기장을 배제하지 않는다면 완전한 초전도 상태라고 보기 어렵습니다.
초전도 현상은 물질 내부의 전자들이 각각 따로 움직이는 대신 하나의 집단적인 양자 상태로 행동하기 때문에 나타납니다.
금속에는 왜 전기 저항이 생길까
금속 내부에는 비교적 자유롭게 이동할 수 있는 전자가 있습니다.
전압을 걸면 이 전자들이 한쪽 방향으로 움직이며 전류가 만들어집니다.
하지만 전자는 금속 안을 아무런 방해 없이 지나가지 못합니다.
금속을 이루는 원자들은 계속 진동하고 있으며, 결정 내부에는 불순물과 작은 구조적 결함도 존재합니다.
움직이던 전자가 원자 진동이나 결함에 부딪히면 방향이 흐트러지고, 에너지 일부가 열로 바뀝니다.
충전기와 전선, 컴퓨터 전원 장치가 뜨거워지는 이유도 여기에 있습니다.
전류가 커지면 손실도 빠르게 늘어난다
전선에서 열로 사라지는 전력은 전류의 제곱과 저항에 비례합니다.
전류가 두 배가 되면 같은 저항에서 발생하는 손실은 네 배로 늘어날 수 있습니다.
발전소에서 생산한 전기를 높은 전압으로 바꿔 보내는 것도 송전 전류를 줄여 열 손실을 낮추기 위해서입니다.
일반 금속도 차갑게 만들면 원자 진동이 줄어들어 저항이 감소합니다.
그러나 불순물과 결정 결함이 남아 있기 때문에 보통은 저항이 완전히 0이 되지 않습니다.
초전도체는 특정 온도 아래에서 전자들의 움직임 자체가 달라진다는 점에서 일반 금속과 구분됩니다.
쿠퍼쌍은 어떻게 저항을 없앨까
전자는 모두 음전하를 가지고 있어 원래는 서로 밀어냅니다.
그런데 매우 낮은 온도에서는 한 전자가 결정 격자를 지나가며 주변 원자 배열을 미세하게 변형할 수 있습니다.
이 변형이 다른 전자를 끌어당기면서 두 전자 사이에 간접적인 결합이 만들어집니다.
이렇게 연결된 전자 두 개를 쿠퍼쌍이라고 합니다.
수많은 쿠퍼쌍은 각각 따로 움직이지 않고 하나의 집단적인 양자 상태를 형성합니다.
작은 원자 진동이나 결함 하나가 개별 전자를 방해하던 일반 금속과 달리, 쿠퍼쌍의 집단 상태를 무너뜨리려면 일정한 크기 이상의 에너지가 필요합니다.
온도가 충분히 낮으면 이 상태가 유지되고 전류를 방해하는 산란이 크게 억제되면서 저항이 0으로 떨어집니다.
저항이 0이면 전류가 영원히 흐를까
완전한 초전도 고리 안에 전류를 만들어 놓으면 외부 전원이 없어도 매우 오랫동안 전류가 순환할 수 있습니다.
이를 영구전류라고 부릅니다.
구리 고리에서는 전류가 흐르는 동안 저항 때문에 에너지가 열로 변하고, 시간이 지나면 전류가 약해집니다.
하지만 초전도 고리에서는 전류를 감소시키는 저항이 거의 없습니다.
그렇다고 초전도체가 에너지를 무한히 만들어주는 것은 아닙니다.
처음 전류를 만들 때는 에너지가 필요하고, 초전도 상태를 유지하기 위한 냉각 장치도 전력을 사용합니다.
초전도체는 전기를 생산하는 물질이라기보다 이미 만들어진 전류와 강한 자기장을 매우 적은 손실로 유지하는 물질에 가깝습니다.
자석이 공중에 뜨는 이유
초전도체 영상에서 가장 인상적인 장면은 자석이 공중에 떠 있는 모습입니다.
초전도체가 임계온도 아래로 내려가면 내부의 자기장을 밖으로 밀어냅니다.
이것이 마이스너 효과입니다.
초전도체 표면에는 외부 자기장과 반대 방향의 자기장을 만드는 전류가 흐르고, 두 자기장 사이에 반발력이 생깁니다.
제2종 초전도체에서는 일부 자기장이 가느다란 자속선 형태로 내부에 들어갈 수 있습니다.
이 자속선이 재료 내부의 결함에 붙잡히는 현상을 플럭스 피닝 또는 자속 고정이라고 합니다.
자석의 위치가 자속선에 고정되기 때문에 초전도체를 기울이거나 뒤집어도 일정한 간격을 유지하는 모습을 볼 수 있습니다.
초전도체도 조건을 벗어나면 저항이 생긴다
초전도체가 언제나 저항 0의 상태를 유지하는 것은 아닙니다.
먼저 온도가 임계온도보다 높아지면 쿠퍼쌍이 깨지고 초전도성이 사라집니다.
너무 강한 자기장이 가해져도 정상적인 금속 상태로 돌아갈 수 있습니다.
흘리는 전류가 임계전류를 넘을 때도 같은 일이 일어납니다.
초전도 자석 일부가 갑자기 정상 도체로 변하는 현상을 퀜치라고 부릅니다.
퀜치가 발생하면 저장돼 있던 전자기 에너지가 짧은 시간 안에 열로 바뀌어 코일을 손상시킬 수 있습니다.
대형 초전도 장치에는 온도와 전압 변화를 감지하고 에너지를 안전하게 분산시키는 보호 시스템이 반드시 필요합니다.
고온 초전도체도 여전히 매우 차갑다
초전도체는 크게 저온 초전도체와 고온 초전도체로 나눌 수 있습니다.
저온 초전도체에는 나이오븀-티타늄과 나이오븀-주석 합금 등이 있습니다.
강한 자기장을 만들 수 있고 코일 제작 기술도 성숙해 MRI와 입자가속기, 핵융합 장치에 널리 사용됩니다.
다만 대부분 액체 헬륨에 가까운 극저온 냉각이 필요합니다.
고온 초전도체라는 이름은 상온에서 작동한다는 뜻이 아닙니다.
기존 초전도체보다 비교적 높은 온도에서 초전도성이 나타난다는 의미입니다.
일부 구리 산화물계 초전도체는 액체질소 온도인 약 77K, 섭씨 영하 196도 부근에서도 작동할 수 있습니다.
높은 임계온도만으로는 부족하다
초전도체의 산업적 가치는 임계온도 하나만으로 결정되지 않습니다.
많은 고온 초전도체는 세라믹 계열이라 단단하지만 쉽게 깨집니다.
구리선처럼 길고 유연한 전선으로 만들기도 어렵습니다.
강한 자기장 속에서 얼마나 큰 전류를 흘릴 수 있는지, 오랫동안 사용해도 성능이 유지되는지, 대량생산 비용이 적절한지도 중요합니다.
냉각 장치와 진공 단열관, 온도 센서, 퀜치 보호 시스템을 모두 포함하면 설비 가격도 커집니다.
결국 실험실에서 높은 임계온도를 기록하는 것과 실제 산업용 선재를 만드는 것은 전혀 다른 문제입니다.
MRI는 왜 초전도 자석을 사용할까
초전도체가 이미 실생활에서 활용되는 대표적인 장비가 MRI입니다.
MRI는 인체 내부에 강하고 균일한 자기장을 만든 뒤 수소 원자핵이 보내는 신호를 분석해 장기와 조직의 영상을 만듭니다.
선명한 영상을 얻으려면 강한 자기장을 오랫동안 안정적으로 유지해야 합니다.
일반 구리 코일로 이런 자기장을 만들면 많은 전력을 소비하고 엄청난 열이 발생합니다.
초전도 코일은 저항이 거의 없어 높은 전류를 안정적으로 순환시키며 강한 자기장을 유지할 수 있습니다.
MRI가 전기를 전혀 사용하지 않는 것은 아니지만, 초전도 자석이 없다면 현재와 같은 강력하고 안정적인 의료 영상 장비를 만들기 훨씬 어려웠을 것입니다.
입자가속기에도 초전도체가 필요하다
유럽입자물리연구소 CERN의 거대강입자가속기 LHC는 양성자를 빛의 속도에 가깝게 가속합니다.
빠르게 움직이는 입자가 원형 궤도를 벗어나지 않게 하려면 강력한 자석으로 방향을 계속 꺾어야 합니다.
입자의 에너지가 높아질수록 더 강한 자기장이 필요합니다.
LHC에는 수천 개의 초전도 자석이 설치돼 있으며, 주요 장치는 절대온도 약 1.9K까지 냉각됩니다.
이처럼 복잡한 냉각 설비가 필요한데도 초전도 자석을 사용하는 이유는 같은 크기의 일반 전자석으로 필요한 수준의 자기장을 효율적으로 만들기 어렵기 때문입니다.
핵융합 발전과 초전도 자석
핵융합 장치에서는 태양보다 뜨거운 플라스마를 장치 벽에 닿지 않도록 가둬야 합니다.
태양은 강한 중력을 이용하지만 지구에서는 그와 같은 중력을 만들 수 없습니다.
대신 거대한 초전도 자석으로 강한 자기장을 만들어 플라스마의 위치와 형태를 제어합니다.
국제핵융합실험로 ITER에도 나이오븀-주석과 나이오븀-티타늄 초전도체가 사용됩니다.
더 높은 자기장을 견디는 초전도체가 개발된다면 같은 크기의 장치에서 더 강한 자기장을 만들거나 핵융합로 자체를 작게 설계할 가능성도 생깁니다.
핵융합의 미래는 플라스마 기술뿐 아니라 초전도 자석의 성능과 가격에도 크게 달려 있습니다.
초전도 양자컴퓨터는 어떻게 작동할까
초전도체는 양자컴퓨터의 큐비트를 만드는 데도 사용됩니다.
초전도 양자컴퓨터는 전기회로를 절대온도에 가까운 온도까지 냉각해 양자역학적 에너지 상태를 만듭니다.
핵심 부품은 두 초전도체 사이에 매우 얇은 절연층을 넣은 조지프슨 접합입니다.
고전적인 관점에서는 전류가 절연층을 통과할 수 없지만, 양자 터널링으로 쿠퍼쌍이 장벽을 넘어 이동할 수 있습니다.
이 구조를 이용하면 전기회로 안에 서로 구분되는 양자 상태를 만들고, 이를 0과 1에 해당하는 큐비트로 사용할 수 있습니다.
다만 열과 전자기파, 재료 결함에 매우 민감해 수십 밀리켈빈 수준의 희석냉동기가 필요합니다.
초전도 전력망이 모든 전선을 바꿀 수 있을까
초전도 케이블은 같은 굵기의 구리선보다 훨씬 큰 전류를 보낼 수 있습니다.
직류 송전에서 발생하는 저항 손실도 크게 줄일 수 있죠.
전력 수요가 밀집된 대도시의 지하망이나 좁은 공간으로 대용량 전력을 보내야 하는 구간에서는 장점이 생길 수 있습니다.
하지만 냉각 설비를 설치하고 유지하는 비용까지 함께 계산해야 합니다.
구리선에서 줄이는 손실보다 냉각기에 더 많은 전력이 들어간다면 경제적 이점이 작아집니다.
초전도 송전망은 모든 전선을 한꺼번에 대체하기보다 공간이 좁고 전력 밀도가 높은 특수 구간에서 먼저 활용될 가능성이 큽니다.
상온 초전도체가 발견되면 무엇이 달라질까
상온과 상압에서 안정적으로 작동하는 초전도체가 개발된다면 가장 먼저 달라질 분야는 전력과 자석 기술일 가능성이 큽니다.
극저온 냉각기가 필요하지 않다면 초전도 케이블과 모터, 발전기의 설치와 운영 비용이 크게 낮아질 수 있습니다.
MRI는 값비싼 헬륨 냉각 부담을 줄일 수 있고, 입자가속기와 핵융합로에서는 더 강한 자기장을 효율적으로 만들 수 있습니다.
전기모터와 자기부상 교통, 에너지 저장장치의 설계도 크게 달라질 수 있습니다.
하지만 저항이 조금 낮아진 결과만으로 상온 초전도체라고 부를 수는 없습니다.
전기 저항이 실제로 0인지, 마이스너 효과가 나타나는지, 다른 연구기관에서도 같은 결과가 재현되는지를 확인해야 합니다.
초전도체는 마법이 아니라 조건을 설계하는 기술이다
초전도 현상을 처음 접하면 전기 저항이 0이라는 말에 가장 먼저 눈길이 갑니다.
하지만 초전도체의 진짜 가치는 강한 자기장과 정밀한 양자 상태를 안정적으로 유지할 수 있다는 점에 있습니다.
MRI가 인체 내부를 보여주고, 입자가속기가 기본입자를 추적하며, 핵융합 장치가 뜨거운 플라스마를 가두는 배경에도 초전도 기술이 있습니다.
물론 저항이 사라진다고 모든 문제가 해결되는 것은 아닙니다.
냉각 비용과 퀜치 위험, 재료의 가공성과 제조비용이라는 새로운 문제가 생깁니다.
초전도체는 마법처럼 보이지만, 현실에서 그 마법을 사용하려면 온도와 전류, 자기장을 정교하게 통제하는 공학이 필요합니다.
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초전도 현상이란? 전기 저항 0의 원리와 MRI·양자컴퓨터·핵융합을 바꾸는 초전도체 기술
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