초전도 흑체복사
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저온에서의 전기저항
금속의 전기저항은 절대온도에 비례해서 커진다. 반대로 금속을 저온으로 하면 전기저항이 작아진다. 그러나 어떤 종류의 금속(이를테면 수은, 알루미늄, 납 등)은 절대영도(絶對零度) 즉 마이너스 273도C 부근까지 내려가면 돌연 전지저항이 없어져 버린다. 이런현상을 초전도(超電導)라고 한다. 초전도 현상은 이미 자기부상(磁氣浮上) 고속열차의 초전도전자석에 쓰여지고 있으며, 그밖에도 핵융합, MHD 발전 등에도 이용이 가능하여 중요한 기술 기반의 하나가 되고 있다. 초전도 상태에서는 전기저항이 완전히 제로가 되기 때문에 전류가 흐르고 있어도 전압강하는 일어나지 않고, 주울열도 발생하지 않는다. 이것을 가장 확실하게 보여주는 것이 영구전류의 실험이다. 영구전류의 실험이란 그림을 보자. 초전도를 나타내는 그속으로 코일을 만들어 전이온도 이하에서 전류를 흘려 코일에 쇠구슬을 흡착시킨다. 이 상태에서 코일을 폐회로로 하여 전원을 제거해도 전류는 코일로 계속 흘러 언제까지나 쇠구슬을 흡착시키고 있다. 이 전류를 영구전류라고한다. 초전도 상태에는 또하나 중요한 성질이 있다. 초전도 상태의 물체는 보통의 물체와는 달리 그 내부에 자력선을 통과시키지 않는 성질이 있다. 이 때문에 초전도체에 자석을 접근시키면 자석은 강한 반발력을 받게 된다. 그림에서 보듯이 초전도체의 그릇위에 자석을 놓으면 자석은 떠있는 채 그대로 있다. 즉 초전도체는완전 반자성체인 것이다. 초전도체에 어느 한계 이상의 자계를 가하면, 초전도 상태는 파괴된다. 이 한계의 자계의 세기를 임계자계(臨界磁界)라고 한다. 초전도가 일어나는 이유는 대단히 어려워서 양자역학의 이론을 필요로 한다. 극히 간단히 설명하면, 전류를 운반하는 자유전자의 일부는 초전도가 되면 2개씩으로 쿠퍼페어라고 불리우는 쌍이 이루어진다. 그 쪽이 에너지가 낮은 상태가 되어 금속의 양이온과의 충돌이 없어지게 되는 것이다. 이 쿠퍼페어의 행동은 럭비선수 두 사람이 볼을 서로 패스하면서 교묘히 태클을 빠져나가는 현상과 비슷하다. 만약 초전도가 상온(常溫)에서 일어나면 효용성이 많기 때문에, 전이온도가 높은 초전도 물질을 만드는 연구가 추진되고 있다.
초 전도체란?
1908년 네덜란드 라이덴 대학의 오네스(K.Onnes)는 He기체의 액화에 성공했다. 이때 그는 액화과정에서 온도 측정을 위해 금속을 택했는데, 가능한 한 순수한 금속을 택하기 위해 정제가 쉬운 수은을 썼다. 이때 4K 근처에서 저항이 완전히 사라지는 현상을 발견하고 1911년 이를 초전도 현상이라고 발표했다. 즉 초전도 현상은 어떤 온도 이하에서 전기 저항이 제로가 되는 상태이다. 초전도는 전기 저항이 있는 보통 상태 (대개 상정도라 부름)와는 여러 가지 면에서 다른 성질을 갖고 있다. 우선 첫째로,전기 저항이 제로인 완전 전도성을 나타낸다. 저항이 없으므로 발열에 의한 전기 손실이 없다. 두 번째로, 자석이 가까이 있을 때, 그 자기장이 만드는 자기장에 반발하는 물질의 성질을 반자성이라 하는데, 초전도 물질은 완전 반자성을 보인다. 주의에 자계가 있다 해도, 그것에 대응하여 물질의 표면에 표면 전류가 흘러서 그 자계를 지워버림으로써, 자기장이 물질의 내부로 전혀 들어갈 수 없게 된다. 이것을 마이너스 효과라고 한다.
마지막으로, 조셉슨 효과 가 있다. 이것은 두 개의 초 전도체 사이에 절연체를 끼워서 조셉슨 접합을 만들면, 그 사이에 절연체가 있는데도 불구하고 일정한 조건에서 한쪽 초 전도체에서 다른 쪽으로 전류가 흐르는 현상이다. 이것은 초전도 상태의 전자에 파 동적인 성격이 있다는 것을 나타낸다. 또 초전도는 상전도와 구별되는 상태로서 세가지 임계값으로 표시된다. 임계 온도, 임계 전류밀도, 임계 자기장이 세 종류의 임계값은 초전도 물질을 실용화할 때 중요한 의미를 갖는다.
고온 초전도
도체가 산화물질(酸化物質)이라는 데서 산화물초전도(oxide superconductivity)라고도 한다. 초기에 알려져 있던 초전도 물질은 금속이나 합금이기 때문에 그 임계온도가 절대영도(絶對零度)에 가까워, 초전도상태로 만들기 위해서는 값비싼 액체헬륨으로 냉각해야만 했다. 따라서 다른 넓은 분야에서 초전도를 응용하기 위해서는 임계온도가 더욱 높은 초전도체의 발견이 필수적이었다. 1986년 IBM 스위스 취리히 연구소의 A.뮐러와 G.베드노르츠은 바륨 ·란탄 ·구리를 섞어서 구운 세라믹이 임계온도 30°K에서 초전도체가 된다는 사실을 발견하였다. 이렇게 산화구리계에서 발견된 고온초전도성은 물리학의 여러 관련 분야에서 그 이전의 물질연구에서는 볼 수 없었던 엄청난 연구 노력을 불러일으킨 바 있다. 이러한 발견은 초전도물질을 금속이 아니라 산화물에서 착안하였다는 점에서 획기적인 성과로 평가되어 발견자들은 1987년도 노벨 물리학상을 받았다. 이어 1987년 초에는 미국 등지에서 바륨 ·이트륨 ·구리의 산화물이 임계온도 90°K에서 초전도체가 된다는 사실을 발견하였다. 이 온도는 액체질소로 냉각시키면 도달한다. 그 후에 발견한 여러 개의 산화물 초전도체는 모두 구리를 포함하는 물질이었으며, 그 조성에 따라서 란탄계(系) ·이트륨계 ·비스무트계 ·타륨계 등으로 분류할 수 있다. 이 중 최고의 임계온도에 도달한 것은 타륨계의 약 125°K이다. 이들 물질에서 박막(薄膜)과 소자(素子) 등을 만드는 기술도 급속하게 발전하고 있다. 또한 이 물질들이 가지는 높은 임계온도와 높은 윗 임계자장(upper critical field) 등으로 인해 그 응용 가능성에 대하여 많은 기대를 유발시켰으며, 그에 따라 활발한 응용 연구가 이루어져 왔다. 그 결과로 고온초전도체는 주로 전력 분야의 응용이 주종을 이루는 대형 스케일에서부터 미세소자의 응용에 이르기까지 여러 핵심기술에 요긴하게 적용되고 있다. 한국 원자력연구소 연구팀도 1990년 고온초전도체의 실용화를 한걸음 앞당길 수 있는 고임계전류(高臨界電流) 초전도 박막제조기술을 개발한 바 있다.
초전도 현상을 설명하는 이론에 관하여
초전도 현상은 1911년 카메를링 오네스에 의해 발견되었다. 그러나 이 이론에 대해서 오랜 시간동안 설명하지 못해 왔었다. 그런데 바딘(Bardeen), 쿠퍼(Cooper), 그리고 슈리퍼(Schrieffer) 이 세과학자에 의해서 어느정도 우리가 수용할 만 한 이론이 발표되었다. 이론은 각 사람들의 이름을 따서 BCS이론이라 칭하였다. 이 이론은 초전도체가 임계온도에 다다르면 분자들의 운동이 둔해져서 전자가 이동할때 원자핵이 전자에 붙지 못학고 분극화만 일어나게 된다. 그럼으로 인하여 분극화가 일어난 지역이 부분적으로 양극을 띠게되고 그에 따라서 다음 전자가 따라들어오게되며 아무런 저항이 없이 전자들이 이동하게 된다는 것이다.(이러한 전자쌍을 쿠퍼전자쌍 이라한다.) 그러나 이 이론은 고온초전도체가 발견되면서 사장될 위기에 처하게 되었는데 임계온도(저항이0이 되는 온도)가 높은 초전도체에서는 쿠퍼전자쌍이 끊어진다는 것이다. 이에따라 최근 황정식 교수와 방운규교수가 차례로 이에 관한 이론을 발표하였는데, 쿠퍼전자쌍은 분극화 현상에 의해서만 일어나는 것이 아니라 자기장 변화에 따른 힘으로도 유지된다는 것이다.
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