초전도체에 관한 고찰

소개글

초전도체에 관한 고찰에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 초전도의 원리와 발전과정

2. 초전도의 응용

3. 국내 초전도체의 연구

4. 1987년 봄에 일어난 일

5. 초전도 발견

6. 새로운 발견 : 마이스너 효과

7. 양자역학과 초전도성

8. 초전도현상이 설명되다 (BCS이론)

9. 초전도 관련기술

본문내용

아니라 전송하는 데에도 많은 비용이 든다. 전기를 아주 먼 거리까지 보내려면 손실을 줄이는 여러 방법을 써야 한다. 전기가 잘 통하는 구리 같은 물질에서도 저항 때문에 전력 손실이 생긴다. 이 손실을 줄이기 위해 높은 전압은 환경문제를 포함한 여러 부작용을 낳는다. 두 번째 성질은 첫 번째만큼 명백하지는 않지만, 그만큼 중요하다. 위에서 말한 초전도물질을 자석 주위에 놓아 보자. 자석은 이 물질에 영향을 미칠 것이다. 이 영향을 자기장이라고 하는데 아주 옛날부터 잘 알려진 것이다. 눈에 보이지는 않지만 자기장이 존재한다는 것은 나침반을 자석 주위에서 움직여 봄으로써 증명할 수 있다. 즉 나침반의 바늘은 자석의 극을 향하거나, 또는 반대 방향으로 가리킬 것이다. 이를 한마디로 표현하여, 물질이 자기장 안에 있다고 말한다. 대부분, 실험을 해 보면 자기장은 시료를 통과하여 반대쪽 면으로 나온다는 것을 알 수 있다. 만약 이 물질이 철강등 강자성물질이 아니라면 보통 온도에서는 그다지 놀라운 일은 생기지 않는다. 그러나 이 초전도 물질이 낮은 온도로 냉각되면 놀라운 일이 일어난다. 즉, 이 물질 안에 있던 자기장 밖으로 밀려나는 것이다. 시료를 통과하던 자기력선은 이제 시료 바깥 둘레를 돌아가게 된다. 다시 말해서 이 시료의 내부는 어떤 자기장으로부터도 차폐된다. 자기장이 초전도체 밖으로 밀려 나가는 온도는 초전도 시료의 저항이 영이 되는 온도와 같다는 것이 밝혀졌다. 시료가 더 냉각되면 위 두가지 성질은 그대로 남아 있게 된다. 이때, 물질은 ‘초전도상태’에 있다고 말한다. 시료가 이 온도 이상으로 가열되면 이 성질들은 없어지는데 이때 물질을 ‘정상상태’에 있다고 말한다. 보통 생각과는 달리, 초전도성은 처음 알려졌을 때만큼 진귀한 현상은 아니다. 왜냐면, 여러 물질과 금속들이 실제로 초전도체이기 때문이다. 문제는 대부분의 초전도체가 보통 사람들이 생각하기 어려울 정도로 낮은 온도에서만 초전도성을 띤다는 사실이다. 금세기 초에는, 이처럼 낮은 온도에까지 이를 수 있는 기술을 가진 사람은 온네스 한사람뿐이였다. 사실, 그는 낮은 온도에 이를 수 있는 냉각제인 액체헬륨을 처음으로 만들어 낸 사람이다. 따라서, 초전도 특성 중 가장 두드러진 성질, 즉 무한히 큰 전기전도도를 갖는 물질들을 발견한다는 것은 단지 시간 문제였다.
카메린 온네스는 곧 이 놀라운 발견이 실생활에도 중요함을 깨달았다. 전력이 큰 손실 없이 먼 거리까지 수송될 수 있을 것이고, 지금까지 얻을 수 있었던 자기장보다 더 센 자기장을 발생하는 전자석도 만들 수 있을 것이다. 그러나, 실망스럽게도 그가 발견한 초전도성은 사람들이 처음 생각했던 것만큼 쉽게 응용할 수 없었다. 그는 곧, 흔한 말굽자석 정도에서 생기는 자기장도 초전도물질을 완전도체에서 유한한 전기전도도를 갖는 보통 물질로 쉽게 바꿔 버린다는 것을 알았다. 뿐만 아니라, 유한한 크기의 초전도전선으로 저항없이 흘릴 수 있는 전류의 양에는 어떤 한계가 있다는 것도 알았다. 앞의 경우와 같이 ‘초전도상태’가 깨지면서 ‘정상상태’로 되돌아가는 것이었다. 전기저항이 유용한 경우도 잇다. 전기저항이 있으면 전류가 흐를 때 열을 발생시키는 데 이 현상을 줄가열이라 하며, 전기 온수 탱크나 전기 장판의 원리이다. 그러나 전력수송과 같은 경우에는 전기저항이 작을수록 좋다. 그렇지 않으면 전력의 일부가 쓸모 없는 열로 소모되기 때문이다. 또다른 문제점으로, 이 초전도물질들이 초전도성질을 유지할 수 있는 최고온도는, 초기에 발견된 초도전체인 수은의 경우에 해당하는 4K보다 별로 높아지지 않았다는 점이다. 여기서 K는 절대온도를 뜻하면 4K는 약 -269℃이다 4K는 우주 깊은 곳의 온도에 해당할 만큼, 정말 낮은 온도인 것이다. 당연하지만, 물질들을 이 정도로 낮은 온도까지 냉각시키기는 어렵고 비용이 많이 든다. 초전도체를 대규모로 응용하기 위해서는 초전도체 임계온도가 이보다 휠씬 높아야 하는 것이다.
발견 후 70여 년 세월 동안 집중적인 연구를 한 끝에, 초전도성을 가지는 물질들을 훨씬 더 많이 발견했다. 그러나 많은 학자들의 노력에도 불구하고, 물질이 초전도성을 유지하는 최고온도(임계온도)는 많은 세월이 흘렀어도 별로 높아지지 않았고, 70년대 초에는 겨우23K였다. 임계온도를 높이는 것만 느린 것이 아니라, 초전도체의 기이한 특성에 대한 이해도 느리게 진행되었다. 오랜 세월 동안 훌륭한 과학자들이 초전도성의 원리에 대해 알아내고자 햇지만 성과가 별로 없었다. 결국, 온네스가 초전도체를 발견한 후 46년이 지나서야, 모든 초전도성질을 설명할 수 있는 원리가 발견되었다. 이론적 성과로 인하여, 초전도성을 이용한 새로운 장치를 고안할 수 있었다. 진보는 급속히 진행되었고, 초전도체를 이용한 기구와 기계들이 많이 만들어졌다. 병원에서 신체 조직 진단에 흔희 쓰는 핵자기공명 영상장치에 강력한 초전도자석이 사용되고 있다. 초전도전선은 원형 입자 가속기 안의 입자들을 휘게 하는 강력한 자석을 만드는데 쓰인다. 초전도체는 또한, 나중에 거론하겠지만, 미래의 슈퍼컴퓨터나 과학 기자재에 필요하게 될 초고속 전자소자에도 응용된다. 그러나 초전도성을 설명했던 바로 그 이론에 의하면, 전이온도가 30K이상인 물질은 거의 찾기가 불가능하였다. 상온에서 초전도상을 보이는 것은 공상과학 소설에나 있는 얘기였다. 그런데 1986년 초전도 연구 세계가 완전히 뒤흔들렸다.
조지 베드노쯔와 알렉스 뮬러는 1986년에 유럽의 어느 물리학 저널에 30K의 임계온도가 ‘가능’하다는 것을 조심스럽게 보고했다. 30K의 임계온도는 분명, 당시까지 가장 높은 전이온도인 23K보다 높은 온도였다. 그러나 초전도체를 상업화하기에는 여전히 너무 낮았다. 적어도 액체질소의 끓는점보다는 높아야 한다. 따라서 이 결과가 일반에게 알려지지 않고, 조용히 지나갔다는 것은 이해할 만하다. 그러나 베드노쯔와 뮬러의 동료 과학자들은 이 결과의 의미를 즉시 알아차렸다. 이 발견의 이상한 점 하나는 사용된 물질이 구리 산화물이라는 점이였다. 구리 산화물은 높은 온도에서 초전도성을 띨 것이라고는 전혀 기대하지 않았다. 폴 추와 모

키워드

초전도이론,   신금속,   마이스너 효과,   BCS이론,   자기반발효과,   초전도성