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과학·기술

전기저항 '0' 고온 초전도체 원리 연구 새 돌파구 열려

  • 김민수 기자
  • 입력 : 2016.04.14 02:00

    한미 공동 연구진이 전력 무손실 송전 및 자기부상 설비 등 다양한 분야에 응용할 수 있는 ‘고온 초전도체’의 원리를 규명할 수 있는 새로운 돌파구를 열었다.

    전기저항 '0' 고온 초전도체 원리 연구 새 돌파구 열려
    기초과학연구원(IBS) 강상관계물질연구단의 이진호 서울대 물리천문학부 교수(사진) 연구팀은 미국 코넬대 연구진과 공동 연구를 통해 고온 초전도체의 핵심 원리로 알려진 ‘쿠퍼쌍’을 원자 수준에서 관측하는 데 성공하고 그 연구 결과를 13일(현지시각) 국제 학술지 네이처에 발표했다.

    일반적으로 전류가 흐르는 물질을 도체, 흐르지 않는 물질을 부도체, 도체와 부도체 성질을 동시에 띠는 물질을 반도체라 부른다. 이들에 속하지 않고 전기저항이 ‘0’인 물질이 초전도체다. 1911년 네덜란드의 물리학자 카멜린 온네스가 수은의 전기저항을 측정하는 실험을 하다가 영하 268도에서 전기저항이 갑자기 없어지는 현상을 발견해 초전도 현상이라고 이름붙였다.

    초전도 현상을 보이는 초전도체를 전선으로 사용하면 전기저항이 없어 전력 손실이 생기지 않는다. 전력 효율이 그만큼 높아질 수 있다. 또 초전도체 주변에는 매우 강한 자기장이 발생해 더 적은 전력으로 훨씬 빠르게 달릴 수 있는 자기부상열차를 구현할 수 있다.

    문제는 초전도 현상이 나타나는 온도(임계온도)가 너무 낮아 상온에서는 초전도체를 활용할 수 없다는 점이다. 과학자들은 그동안 초전도 현상이 일어나는 임계온도를 높인 ‘고온 초전도체’를 만들기 위해 노력해 왔다. 하지만 현재 구현 가능한 초전도체의 임계온도는 영하 143도에 그쳐 초전도체를 상온에서 활용하기 어려웠다.

    연구팀이 관측한 ‘쿠퍼쌍’은 전자 2개가 쌍을 이뤄 하나의 입자처럼 움직이는 것으로 초전도 현상이 일어나는 데 핵심적인 역할을 한다. 보통 저온 초전도체에서는 쿠퍼쌍이 균일하게 분포하지만 고온 초전도체에서는 쿠퍼쌍이 불균일하다.

    연구진은 임계온도 영하 178도에서 초전도 현상을 보이는 ‘구리 화합물 고온 초전도체(Bi2Sr2CaCu2O8+x)’ 2개를 수 나노미터(nm, 10억분의 1미터) 이내로 가깝게 붙인 뒤 쿠퍼쌍을 이룬 전자 2개가 깨지지 않고 전류가 흐를 수 있도록 했다. 그런 뒤 물질의 원자 구조까지 관찰할 수 있는 ‘주사터널링현미경(STM)’을 이용해 고온 초전도체 내 쿠퍼쌍의 공간 분포를 원자 해상도로 관측하는 데 처음으로 성공했다.

    이번 연구를 이끈 이진호 서울대 교수는 “쿠퍼쌍을 직접 측정하는 새로운 실험 기법을 개발해 고온 초전도 현상을 연구하는 새로운 돌파구를 제시한 것”이라며 “더 높은 임계온도를 갖는 고온 초전도체를 찾는다면 향후 전력 무손실 송전 및 자기부상 설비 등 다양한 분야에 응용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.


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