초전도체의 역사: 발견에서 미래까지

초전도체는 20세기 과학사에서 가장 획기적인 발견 중 하나로 꼽힌다. 1911년 하이케 카메를링 오너스가 수은에서 전기 저항이 완전히 사라지는 현상을 관찰하며 초전도 현상을 처음으로 입증한 이후, 과학자들은 다양한 금속과 온도 조건에서 초전도성을 연구해 왔다. 1957년 BCS 이론의 등장으로 저온 초전도체의 원리가 밝혀졌으나, 극저온 환경이라는 제약은 실용화의 걸림돌이 되었다. 이에 따라 고온 초전도체가 등장했고, 최근에는 상온 초전도체 개발이 새로운 도전 과제로 떠오르고 있다. 이 글에서는 초전도체의 발전 흐름과 향후 전망을 살펴본다.

 

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1. 초전도 현상의 발견 – 1911년 하이케 카메를링 오너스의 실험

1911년, 네덜란드의 물리학자 하이케 카메를링 오너스(Heike Kamerlingh Onnes)는 극저온 환경에서 금속의 전기적 특성을 연구하던 중 놀라운 현상을 발견했다. 그는 수은(Hg)을 약 4.2K(-268.95°C)까지 냉각했을 때 전기 저항이 완전히 사라지는 현상을 관찰했다. 이 새로운 물리적 상태는 당시의 기존 전기 전도 이론으로는 설명할 수 없었으며, 오너스는 이 업적으로 1913년 노벨 물리학상을 수상했다.

 

초전도 현상(Superconductivity)이란 특정 온도 이하에서 물질이 전기 저항을 완전히 잃고, 전류가 손실 없이 무한히 흐를 수 있는 상태를 말한다. 이후 여러 과학자들이 다양한 금속과 합금에서도 초전도 현상이 나타난다는 사실을 밝혀냈으며, 이 현상의 이론적 배경은 수십 년 후에야 구체화되기 시작했다.

 

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2. 초기 연구 – 저온 초전도체와 BCS 이론의 등장

초전도 현상의 발견 이후, 납(Pb), 알루미늄(Al), 니오븀(Nb) 등 다양한 금속에서도 초전도성이 나타나는 것이 확인되었다. 그러나 이러한 현상을 설명할 수 있는 이론은 부재했다.

 

1957년, 미국의 물리학자 존 바딘(John Bardeen), 리언 쿠퍼(Leon Cooper), 존 슈리퍼(John Schrieffer)는 BCS(Bardeen–Cooper–Schrieffer) 이론을 통해 초전도 현상의 근본 원리를 제시했다. 이 이론에 따르면, 초전도 상태에서는 전자가 단독으로 이동하는 것이 아니라 쿠퍼쌍(Cooper Pair)이라는 형태로 짝을 이루어, 원자 격자의 진동(포논)과 상호작용하면서 저항 없이 전류가 흐르게 된다.

➡️BCS 이론과 쿠퍼쌍의 개념이 궁금하다면, 초전도체의 원리 완전 해부: 쿠퍼쌍과 BCS 이론 쉽게 이해하기 글을 참고해보자.

 

BCS 이론은 저온 초전도체(Low-Temperature Superconductors, LTS)의 특성을 이해하는 데 큰 기여를 했지만, 당시 대부분의 초전도체는 약 10~20K 이하의 극저온에서만 작동했기 때문에 실용적인 한계가 분명했다.

 

➡️ BCS 이론을 제시한 존 바딘은 노벨 물리학상을 두 번 수상한 유일한 이론물리학자로, 반도체 혁명과 초전도 이론 모두에 깊은 영향을 미쳤다. 그의 생애와 업적에 대해 더 알고 싶다면 존 바딘: 노벨 물리학상을 두 번 수상한 전설, BCS 이론과 반도체 혁명을 참고해보자.

 

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3. 제1종 vs. 제2종 초전도체 – 자기장과의 상호작용 차이

초전도체는 외부 자기장과의 상호작용 방식에 따라 제1종과 제2종으로 나뉜다. 이는 초전도체가 자기장을 얼마나 배척하는지, 그리고 어느 정도까지 견딜 수 있는지에 따라 구분된다.

 

• 제1종 초전도체(Type-I)는 일정한 임계 자기장까지는 외부 자기장을 완전히 밀어내지만, 그 한계를 넘으면 초전도성이 급격히 사라진다. 주로 수은, 납, 알루미늄 등 순수 금속에서 나타나며, 자기장을 완전히 밀어내는 마이스너 효과(Meissner Effect)를 보인다. 이로 인해 완전 반자성(perfect diamagnetism) 상태에 이르지만, 강한 자기장에는 취약하다.

 

➡️ 이 마이스너 효과가 어떻게 초전도체의 공중 부양을 가능하게 하는지 궁금하다면, 초전도체가 공중 부양을 가능하게 하는 이유 – 마이스너 효과 완벽 해설에서 상세히 알아볼 수 있다.

 

• 제2종 초전도체(Type-II)는 자기장이 일정 수준 이상이 되면 일부가 내부로 침투할 수 있는데, 이때 자기 소용돌이(Vortex State)가 형성된다. 이런 상태를 혼합 상태(Mixed State)라고 하며, 초전도체는 자기장을 일부 받아들이면서도 여전히 초전도성을 유지할 수 있다. 대표적인 예로는 니오븀-주석(Nb₃Sn), 니오븀-티타늄(NbTi), YBCO(이트륨-바륨-구리 산화물) 등이 있으며, 높은 자기장 환경에서도 작동 가능해 실용성이 매우 크다.

 

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4. 고온 초전도체의 등장 – 1986년 베드노르츠와 뮐러의 혁신

1986년, IBM 취리히 연구소의 게오르크 베드노르츠(Georg Bednorz)와 카를 알렉산더 뮐러(Karl Alexander Müller)는 기존 BCS 이론으로는 완전히 설명되지 않는 새로운 형태의 초전도체를 발견했다. 그들은 란타넘-바륨-구리 산화물(La-Ba-Cu-O, LBCO)에서 약 30K라는 높은 온도에서 초전도 현상이 나타나는 것을 실험적으로 증명했다.

 

➡️ LBCO 물질의 구조와, 바륨 도핑이 초전도성에 어떤 영향을 미쳤는지 더 알고 싶다면 란타넘-바륨-구리산화물, 초전도 비밀의 열쇠? 바륨 도핑의 숨겨진 역할! 글을 참고해보자.

 

이 발견은 초전도 연구에 새로운 장을 열었고, 두 과학자는 1987년 노벨 물리학상을 수상했다. 같은 해, 이트륨-바륨-구리 산화물(YBa₂Cu₃O₇, YBCO)이 90K에서도 초전도성을 보인다는 사실이 밝혀졌으며, 이는 액체 질소(77K)로도 냉각이 가능한 최초의 초전도체였다. 이로 인해 실용화 가능성이 급격히 높아졌다.

 

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5. YBCO와 액체 질소 냉각의 실용화 가능성

YBCO의 등장은 초전도 기술의 상용화에 결정적인 전환점을 제공했다. 기존의 저온 초전도체는 고가의 액체 헬륨(4.2K)을 냉각제로 사용해야 했지만, YBCO는 비교적 저렴하고 취급이 쉬운 액체 질소(77K)로 냉각할 수 있다. 이로 인해 초전도체는 전력 케이블, 자기부상열차(Maglev), MRI 등 다양한 산업 분야에서 응용 가능성이 확대되었으며, 특히 에너지 및 의료 기술에서 큰 진전을 이루게 되었다.

 

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6. 철 기반 초전도체의 발견 – 새로운 가능성의 확대

2008년, 일본 도쿄공업대학의 호소노 히데오(Hideo Hosono) 교수 연구팀은 구리 산화물 계열이 아닌 철 기반 초전도체(Iron-Based Superconductors, FeSCs)를 세계 최초로 발견했다. 철 기반 초전도체는 고온 초전도체와는 다른 메커니즘을 통해 초전도성을 나타내며, 일부는 50K 이상의 임계 온도를 가진다. 이는 새로운 초전도 메커니즘의 존재 가능성을 제시한 발견으로, 이후 다양한 화합물에서도 초전도성이 보고되며 연구가 활발히 진행되고 있다.

 

➡️ 철 기반 초전도체의 특징과 기존 고온 초전도체와의 차이점을 정리한 글은 철 기반 초전도체 완전 정리: 고온 초전도체의 두 번째 혁명에서 확인할 수 있다.

 

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7. 21세기 초전도체 연구 – 상온 초전도체를 향한 도전

21세기 들어 과학자들은 상온 초전도체(Room-Temperature Superconductors)의 개발을 중요한 목표로 삼고 있다. 만약 상온에서 초전도성이 유지되는 물질이 개발된다면, 전력 손실 없는 전력망, 초고속 컴퓨팅, 혁신적인 의료 장비 등이 현실화될 수 있다.

 

2020년, 미국 로체스터대학의 란가 디아스(Ranga Dias) 교수팀은 수소-황-탄소(H-S-C) 화합물이 극한의 고압 조건에서 15°C(288K)에서 초전도성을 보였다고 발표해 큰 반향을 일으켰다. (논문은 Nature 에 게재) 그러나 이 연구는 후속 검증 과정에서 여러 문제점이 제기되었고, Retraction Watch 에 따르면 결국 2023년 해당 논문은 철회되었다.

 

같은 해, 한국 연구진이 발표한 LK-99 물질은 상온 초전도체 후보로 세계적인 관심을 끌었다. 로렌스 버클리 국립연구소의 시네이드 그리핀 박사는 DFT 계산을 통해 LK-99의 전자 구조에서 평탄한 밴드를 발견하며 이론적 가능성을 제시했다. 그러나 다수의 독립 실험에서 초전도성이 재현되지 않았고, 현재 과학계는 LK-99의 초전도성 주장에 대해 과학적 근거가 부족하다는 결론을 내리고 있다.

 

(그리핀 박사의 arxiv 논문)

Origin of correlated isolated flat bands in copper-substituted lead phosphate apatite

[Submitted on 31 Jul 2023 (v1), last revised 3 Aug 2023 (this version, v2)]

 

Electron-phonon coupling in copper-substituted lead phosphate apatite        

[Submitted on 19 Dec 2023 (v1), last revised 14 Jun 2024 (this version, v2)]

 

이러한 사례들은 상온 초전도체가 단순한 공상이 아닌, 실험과 이론을 통해 도전 가능한 과학적 목표임을 보여준다.

 

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8. 미래 전망 – 실용적 초전도체 개발을 향하여

앞으로의 초전도체 연구는 더 높은 온도에서 작동하는 물질의 발견뿐 아니라, 제조 비용 절감과 대량 생산의 가능성을 높이는 방향으로 나아갈 것으로 보인다. 현재는 구리 산화물 계열(YBCO, BSCCO)뿐만 아니라, 철 기반 초전도체, 수소 화합물 기반 신소재 등이 활발히 연구되고 있다.

 

또한, 양자 컴퓨팅, 전력망, 자기부상열차, 의료 영상 기술(MRI) 등 다양한 분야에서 초전도체의 응용을 최적화하려는 연구도 함께 이루어지고 있다. 실용화를 위해서는 저비용 냉각 기술, 강한 자기장을 견디는 신소재 개발, 안정적인 제조 공정이 반드시 필요하다. YBCO는 전력 케이블, 자기부상열차, MRI 등에서 실제 응용되고 있으며, 이러한 기술적 응용 사례는 MIT News 나 IEEE Xplore 에서도 소개되고 있다.

 

향후 상온 초전도체가 현실화된다면, 우리는 에너지 효율이 극대화된 사회와 기술 혁신의 전환점을 맞이하게 될 것이다. 이를 위해 학계와 산업계는 긴밀한 협력과 철저한 검증을 바탕으로 지속적인 연구를 이어가고 있다.