초전도체

요약 매우 낮은 온도에서 전기저항이 0이 되는 초전도현상이 나타나는 도체이다. 내부에는 자기장이 들어갈 수 없고 내부에 있던 자기장도 밖으로 밀어내는 성질이 있어 자석 위에 떠오르는 자기부상현상을 나타낸다.

도체의 경우 온도가 증가하면 전기저항 역시 증가하여 전기가 잘 흐르지 않고, 온도를 감소시키면 저항이 작아져 전도가 잘 일어난다. 특히 온도를 극저온으로 감소시킬 때 전기저항이 0이 되는 현상을 초전도현상이라 한다.

초전도체의 기원

1911년 네덜란드 레이던대학의 물리학교수 카멜린 온네스가 처음으로 초전도체를 발견하였다. 그는 수은의 전기저항을 측정하는 실험을 하다가 절대온도 4.2K(영하 268.8℃)에서 전기저항이 갑자기 없어지는 현상을 발견했는데, 이를 초전도현상(superconductivity)이라 이름 붙였다. 초전도현상이 나타나기 시작하는 온도를 임계온도라 하는데, 임계온도가 너무 낮으면 초전도체를 실용화하기 어려우므로 임계온도를 높이는 것이 중요한 문제로 다루어졌다. 카멜린 온네스 교수 이후 아칸소대학 헤르만 교수가 125K에서 초전도현상이 나타나는 초전도체를 발견하였으며, 1993년 초 스위스에서 임계온도 133K, 1993년 말 프랑스에서 임계온도 250K의 초전도체 박막을 제작하였다.

초전도체의 종류

홑원소물질로 나이오븀(Nb), 바나듐(V) 등 20여 종의 금속원소가 있으며 합금으로는 나이오븀과 저마늄의 합금(Nb₃Ge) 등이 있다. 그러나 이런 금속이나 합금 등이 초전도 상태가 되는 온도는 가장 높은 경우 절대온도 23K으로 매우 낮다. 최근 네오디뮴(Nd), 란타넘(La) 등의 원소를 포함하는 금속화합물이나 특수한 자기물질(세라믹스)에서는 극저온이 아닌 비교적 고온에서 초전도현상이 일어난다는 사실이 발견되었다.

초전도체의 응용

고온에서 사용할 수 있는 초전도체가 실용화되면 전기·전자 분야에서 광범위하게 응용될 것이다. 초전도체 내부에는 자기장이 들어갈 수 없을 뿐 아니라 내부에 있던 자기장도 밖으로 밀어내는 성질인 완전반자성도 있다. 이런 특성 때문에 자석 위에 떠오르는 자기부상현상이 나타난다. 또한 완전한 전도체로서의 성질을 이용하여 전선을 만든다면 20% 이상의 전력 손실이 거의 사라지게 되어 경제적으로 막대한 이익을 얻을 수 있다.