고온초전도체 발견 20년, 응용기술 개발동향과 전망
고온초전도 신물질 연구개발 동향 및 전망
이성익 이학박사 포항공대 물리학과 교수

1. 서론 
초전도체가 왜 많은 사람들의 관심을 끌게 되었을까? 그것은 초전도체가 가지는 무궁무진한 응용성에 기인한다. 예를 들어 의학에서는 자기공명현상(Magnetic Resonance Imaging : MRI)을 이용하여 뇌의 내부구조를 알아내는데 초전도자석이 쓰이고 있다. 또한 서울시내에서 사용되고 있는 모든 전류를 지름 5cm정도의 초전도 전선에 실어 운반할 수 있으며, 핵융합 반응을 이용한 미래의 에너지원의 제조시에도 초전도체가 쓰인다. 그리고 서울과 부산을 50분 만에 주파하는 자기부상열차를 만들 수도 있다. 이외에도 박막 선재나 조셉슨 소자를 이용한 고속소자, 자기장 및 전압 변화를 정밀하게 측정하는 센서, 열 발생이 없고 엄청나게 빠른 속도의 컴퓨터 등 응용 가능성은 무한하다. 이러한 응용에 적합한 좀 더 높은 온도에서의 새로운 초전도체를 개발하기 위하여 많은 사람들이 힘쓰고 있다. 이 글에서는 일반적인 초전도이론과 새로운 초전도체 MgB2를 소개하고 이 초전도체의 응용 가능성에 대하여  이야기하려 한다.

2. 초전도란 무엇인가?
1911년 최초로 초전도체를 발견한 사람은 네덜란드의 물리학자 오네스(Onnes)였다. 그는 1908년 기체 헬륨을 압축하여 절대온도 4도(4K, 즉 영하 269°C)의 액체 헬륨을 만들어내는데 성공하였고, 이 액체헬륨을 이용하여 물질을 절대온도 0도에 가깝게 냉각시킬 수 있었다. 그는 수은을 냉각시키면서 전기저항을 측정하던 중 액체헬륨의 기화온도인 절대온도 4.2도 근처에서 수은의 저항이 급격히 사라지는 것을 발견하였다. 이렇게 저항이 사라지는 물질을 초전도체라 한다. 초전도체는 전기 저항이 영이 되는 물질이다. 이렇게 저항이 사라지는 물질을 초전도체라 하고 초전도현상이 나타나는 온도를 초전도 임계온도라 한다. 어떠한 물질이라도 저항이 생겨난다던 당시까지의 지식으로는 설명할 수 없었던 현상이었다.
초전도현상의 또 다른 역사적 발견은 1933년 독일의 마이스너(Meissner)와 오센펠트(Oschenfeld)에 의해 이루어졌다. 그들은 초전도체가 단순히 저항이 없어지는 것 뿐만 아니라 초전도체 내부의 자기장을 밖으로 내보내는 현상(자기반발효과)이 있음을 알아냈다. 이러한 효과를 마이스너효과(Meissner effect)라 하며 저항이 없어지는 특성과 더불어 초전도의 가장 근본적인 특성으로 알려져 있다. 좀 더 이해를 돕기 위해 사진을 보면서 설명하도록 하자. 초전도체 위에 자석을 두면 자석에서 발생되는 자기장이 초전도체에 도달하여 내부로 자기장이 침투하게 된다. 그러나 초전도체는 보통물질과 달리 자기장을 배척하는 성질이 있으므로 자석은 초전도체 위에 떠 있을 수밖에 없다. 하지만 이때 주위의 온도가 올라가면 시료는 초전도의 성질을 잃어버리게 되고 따라서 자석은 더 이상 떠있지 못하게 된다.
이러한 성질을 가진 초전도물질은 금속, 유기물질, 세라믹 등에서 1천종 이상 발견되었으나 나이오비움-티타늄합금과 나이오비움-주석합금 등 5~6종만이 실용화 되어있다.  초전도현상은 매우 낮은 온도에서만 일어나므로 그 응용이 극히 제한이 되어 있었다. 그 주된 이유는 초전도 현상이 매우 낮은 온도에서만 일어나기 때문에 이를 위하여서는 값비싼 액체헬륨을 사용하여 냉각시켜야 하기 때문에 고도의 정밀기계 이외에는 사용되지 못하고 있다. 또한 액체헬륨 제조시 필요한 기체헬륨은 매우 가벼워서 대기 중에는 별로 남아있지 않고 그나마 오클라호마 지방 근처의 유전에만 존재하고 있다. 따라서 그 엄청난 냉각비용 때문에 고도의 정밀기계 이외에는 이용되지 못하고 있다.
그럼에도 불구하고 초전도체가 많은 사람들의 관심을 끄는 이유는 무엇일까? 그것은 초전도체가 가지는 무궁무진한 응용에서 비롯된다. 예를 들어 초전도 자기공명현상(Magnetic Resonance Imaging : MRI)을 이용하면 뇌뿐만 아니라 신체의 모든 부분을 상처 없이, 우리 몸에 해로운 X-선 장비를 사용하지 않고도 관찰할 수 있게 된다. 또한 초전도 기차를 이용하면 서울에서 출발하여 부산까지 30~40분 만에 도착할 수도 있다. 즉, 교통의 혁명을 이룰 수가 있다. 전기 또한 유용하게 쓸 수 있다. 현재 발전소에서 만들어지는 전기의 많은 양이 소비자까지 오는 동안 중간에 열로 사라져버린다. 이때 초전도전선을 이용하면 저항이 없어지므로 엄청난 양의 전기 손실을 막을 수 있다. 또한 원자력을 사용하여 많은 전력을 얻는 우리나라에서는 원자력 발전소의 안정을 위하여 낮이나 밤이나 같은 양의 전기를 제조하고 있다. 그런데 문제는 밤에는 낮 시간 만큼 전기소모량이 많지 않아서 밤에 만들어지는 전기 중 상당부분은 버려지고 있다는 것이다. 만약 초전도체를 이용하여 전기 저장장치를 만들어서 밤에 만든 전기를 저장하여 낮에 쓸 수 있다면 이 문제 역시 쉽게 해결이 될 수가 있을 것이다. 우리나라에서 쓰는 전기의 20% 정도만 절약할 수 있다하더라도 엄청난 양의 경제적 이익을 얻을 수 있는 것이다.
초전도체를 응용하면, 서울 시내에서 사용하고 있는 모든 전류를 지름 5cm정도의 초전도 전선에 실어 운반할 수 있고, 미래 에너지원인 핵융합 반응에도 이용할 수 있으며, 매우 빠른 속도로 운항이 가능한 초전도선박, 박막 선재나 조셉슨 소자를 이용한 지금 보다도 1000배 이상 빠른 초소형의 초고속 컴퓨터도 만들어 낼 수가 있을 것이다.
또한 인류가 만들어 낸 어떠한 감지기보다도 감도가 좋아 아주 작은 전기신호도 알아낼 수가 있기에 그 응용이 엄청나다. 예를 들면 인간이 생각을 한다는 것은 일종의 미세 전기신호를 보내는 것인데 이 신호까지 잡아낼 수가 있게 된다. 현재 이 원리를 이용한 초보적인 응용으로 일종의 잘못된 전기신호 때문에 생겨나는 병인 간질을 치료하는데 초전도체가 이용되고 있다.
초전도를 이용한 통신이 첩보전에 쓰인다는 사실이 매우 흥미롭다. 보통의 전파를 이용한 위성간의 통신은 신호가 전리층 아래로  뚫고 들어오기 때문에 지상에서 도청이 가능하다. 그런데, 초전도를 응용한 전파는 직진의 성질이 강하여 전리층 위에서만 통신이 가능하기에 지상에서는 염탐할 수 없다. 초전도를 이용하면 테라(1012)Hz의 주파수영역을 이용할 수 있는데, 재래식 초전도체는 이 주파수에서 열에 의해 녹아버린다.

3. 고온초전도체의 발견
초전도 현상을 처음으로 명쾌하게 설명한 사람은 미국의 물리학자였던 바딘, 쿠퍼, 그리고 슈리퍼 등인데 이들은 자신들 이름의 첫 자를 딴 BCS 이론을 발표했다. 그들의 이론에 따르면 자유전자가 격자구조를 이루는 두개의 양이온 사이를 통과하게 되면, 양이온을 전자 쪽으로 끌어당기게 된다. 즉 양이온 격자구조가 약간  찌그러진다는 말이다. 그런데 이 찌그러짐이 음파 형태로 전달돼 멀리 떨어져 있는 다른 자유전자를 끌게 한다. 이렇게 처음 자유전자의 이동으로 다른 자유전자를 이끌게 되어 이루는 쌍을 쿠퍼쌍이라고 부른다. 따라서 낮은 온도에서는 두개의 전자가 고체격자의 도움을 받아 서로 이끌리게 되고 이들이 초전도성을 만들어 낸다.
그런데 BCS이론에 의하면 초전도현상은 금속이나 그 합금에서만 나타나며, 절대온도는 25K를 넘을 수 없다. 온도가 높아지면 쿠퍼쌍이 깨지기 때문이다. 그러나 1986년 새로운 실험결과가 발표됐다. 스위스에 위치한 IBM연구소의 뮐러와  베드노즈는 당시 가장 높은 온도인 절대온도 30K에서 초전도현상을 보이는 세라믹 합성물이 자연에 존재한다는 사실을 알아냈다. 이들이 합성한 물질은 금속이 아닌 란타늄, 바륨, 구리 그리고 산소로 이루어져 있었다. 1987년 P.W. Chu와 알라바마대학의 Wu에 의해서 임계온도가 90 K이고 CuO 층상 구조이면서 페로브스카이트(perovskite) 구조를 가진 YBa2Cu3O7-δ 고온초전도체를 제조하였다. 이 발견으로 고온초전도 연구 경쟁이 가열되기 시작했으며, 세계의 모든 언론매체는 고온초전도체에 관한 소식을 보도하고, 일반대중들도 많은 관심을 갖게 되었다. 고온초전도체는 냉매를 액체헬륨이 아닌 액체질소를 사용해도 초전도성을 유지하기 때문에 세계의 많은 연구진들은 고온초전도체의 원리를 규명하려고 했으며, 또한 더 높은 임계온도를 가진 고온초전도체를 제조하려고 하였다. Bednorz와 M웞ler에 의해 La2-XSrXCuO4 고온초전도체가 발견된 이후, Sr의 도핑 량을 줄이면 구조가 정방정계 구조에서 사방정계 구조로 상변환을 한다. 또한 Sr의 양이 0.05이하가 되면 반강자성 상태가 됨이 밝혀짐으로써 고온초전도체는 반강자성 상태와 밀접한 관계가 있음을 제시하였다. 이후 P.W. Chu에 의해서 임계온도가 90K인 YBa2Cu3O7-δ 초전도체가 발견되었으며, 일본의 Maeda에 의해 CuO 층수가 다른 Bi2Sr2Can-1CunO2n+4이 개발되었고, Tl2Sr2Can-1CunO2n+4등이 개발되어 CuO 층수에 따라 임계온도가 결정됨을 보였다. 1993년에는 임계온도가 135K인 수은계 초전도체 HgBa2Ca2Cu3O8+δ가 발견되었으며, 고압 하에서는 임계온도가 165K까지 상승함을 보고하였다. 그리고 홀효과에 의해서 고온초전도체의 전하운반자는 양공임이 밝혀졌으며, Ce을 도핑한 Nd2-XCeXCuO4는 전하수송체가 전자임을 밝혔다.
그러나 과학자들은 초전도체가 이론보다 높은 온도에서도 가능한 이유가 무엇인지, 또 무엇이 초전도성을 띠게 하는지 아직 완벽하게 알아내지는 못하고 있다. 많은 부분을 이해하고 있다고 생각하지만 아직도 전체를 설명하고 있지는 못하다. 그리고 또 다른 문제점은 이 고온초전도체가 금속이 아니고 벽돌과 같아서 응용을 하기엔 너무도 딱딱하다는 것이다. 그래서 고온 초전도체가 발견이 된 후 10여 년간 사람들은 계속해서 벽돌처럼 딱딱하지 않고 높은 온도에서 작동하는 초전도체를 찾고 있었다. 그들이 반도체 혁명을 능가하는 새로운 세상을 만들 획기적인 초전도체를 찾고 있던 중 2001년 1월에 새로운 초전도체가 개발 되었다. 이것이 MgB2란 초전도체인 것이다.
 
4. 그러면 MgB2 초전도체란 무엇인가?
마그네슘 다이보라이드, 이보론 마그네슘, 이붕소 마그네슘 등으로 불리는 이 물질은 1953년에 개발된 이후 40여년이 넘도록 쓰여 왔으나, 초전도현상이 있다는 사실이 발견된 것은 2001년 1월의 일이었다.  일본의  Akimitsu그룹은 이 물질이 층상인 육방구조로 금속 중 가장 높은 39K 임계온도를 가지고 있음을 확인하였다. 이 물질이 각광을 받자 세계 물리학계는 이 물질을 활용한 박막과 도선 제작에 전력투구 해왔다. 그런데 어느날 미국과 일본의 화학 회사들은 이 물질과 이의 원료들에 대하여 수출 금지 조치를 취했다.
이 물질들이 대 공산권 수출 제한 물질이었지만 항상 개방하여 장사를 하던 것과는 매우 다른 조치였다. 너무도 중요한 물질이어서 그랬었던 것 같다. 동위원소 실험을 통해 MgB2는 BCS 이론에 따라 포논을 매개로 하여 초전도성이 나타남을 보였다. 이 MgB2는 화학회사에서 순수 보론을 만들기 위해 쓰던 물질로서 수 Kg 정도는 쉽게 공급받을 수 있었다. 이 흔한 물질에서 이제까지 발견된 금속계 초전도체 중 전이온도가 가장 높았던 Nb3Sn 보다도 15K가 더 높은 절대온도 39K에서 초전도현상이 나타났다는 것에 대해 과학자들은 놀라움을 감추지 못하고 있다.

절대온도 140K까지 올라간 구리 산화물계 초전도체가 발견된지 10여년이 지난 지금 절대온도 39K인 이 물질에 대해 세상 사람들이 놀라는 이유는 무엇일까?
첫째, 1972년에 노벨상을 받은 BCS(Bardeen, Cooper, Schriffer)이론을 되새겨 보면 알 수 있다. 이 이론에 의하면 초전도는 절대온도 25K를 넘지 못할 것으로 생각되었는데, MgB2는 산화물계 초전도체와는 달리 BCS이론을 만족하면서 이 한계를 뛰어넘었다는 것이다. 따라서 물리학적 관점에서 이 물질이 가지고 있는 특성을 찾아내어 그 속에 숨어있는 신비로운 새로운 물리학 법칙을 찾아내어야 한다.
둘째, 마그네슘은 구조가 간단하며 화학적으로 매우 안정되어 있고, 지상에도 풍부하게 저장되어 있을 뿐 아니라 바닷물에도 많은 양이 들어 있어 공급이 원활하다는 것이다. 또 이제까지의 고온초전도가 네 가지 이상의 원자로 구성되어 있어, 제조과정이 복잡하고 안정적이지 못한데 반하여 이 물질은 구조가 간단하여 외부환경에 의해 초전도성이 저하되는 등 문제가 거의 없다. 한번 전기 부품으로 만들어 놓으면 수십 수백 년이 지나도 변하지 않고 반영구적으로 쓸 수 있다.
셋째, 재래식 초전도물질보다 초전도 전이온도가 매우 높다는 것이다. 이 정도의 온도라면 액체헬륨을 쓰지 않고 단순한 저온 냉동장치를 이용하여도 충분히 온도를 낮출 수 있기 때문에 그 응용이 무궁무진하다. 예를 들어 통신을 위한 중계소에서 초전도 부품을 사용한다고 하자. 그런데 이를 위해서 큰 대륙의 사막 한 가운데나 높은 산에 있는 중계소에 액체 헬륨을 지속적으로 공급하기는 불가능하다. 그러나 이정도의 초전도체라면 전기냉동장치로도 중계소의 초전도를 유지시킬 수가 있다.
넷째, 현존하는 어떤 초전도체보다도 초전도 전류를 많이 흘릴 수 있는 장점이 있다. 현재 1cm2에 천만 암페어나 일억 암페어 전기를 흘려도 저항이 나타나지 않는다는 사실이 알려져 있다. 이는 서울시 전체에서 쓰는 모든 전기를 지름 5cm의 전선으로 운송할 수 있게 된다는 것이다.
다섯째, 앞으로 알려질 새로운 사실에 대한 기대감이다. 본격적인 연구가 시작된 지 얼마 지나지 않은 상태에서 밝혀진 이 초전도체의 비밀은 빙산의 일각이고, 앞으로 새롭게 밝혀질 성질은 엄청날 것이기 때문에 이 물질의 응용 가능성이 얼마나 될지는 아무도 예측할 수가 없다. 현재에도 마이크로파를 이용한 통신, 초전도 디지털 소자로의 응용 가능성이 예측되고 있다. 만약 이 물질을 이용하여 무선 통신의 기지국 수를 지금보다 10분의 1 또는 100분의 1로 줄일 수 있다면 미국, 호주 등 면적이 넓은 나라일수록 그 경비 절감이 어마 어마할 것이다.
무한한 가능성을 가지고 있는 이 새로운 초전도체의 연구가 매우 시급한일이 아닐 수 없다.

5. 새로운 초전도체 MgB2 연구에 세계적으로 앞서가고 있는
  한국인들
이 물질에 관하여 우리의 태극 전사들이 세계를 앞서가는 연구를 하고 있다. 포항공대 본인은 세계 최고 성능의 초전도박막을 개발하였을 뿐 아니라 미국 버클리대학의 최형준 박사(현 연세대 물리학과)는 이 물질의 초전도 원리를 규명하는 이론을 제기, 이 분야 연구에서 세계를 이끌어 가고 있다.
2001년 봄, 본  포항공대 연구진은 초고속 슈퍼컴퓨터, 마이크로파통신, 뇌파측정 장치 등의 개발에 쓰일 수 있는 세계 최고 성능의 초전도 박막을 제조하는 데 성공했다. 우리는 절대온도 39K(영하 234도)에서 초전도 기능을 지닌 MgB2 박막을 세계 최초로 제조하는데 성공하였고 이 연구결과는 미국에서 발행하는 세계적 과학저널인 ‘사이언스’(2001.5.25)에 게재되었다.
또 이 초전도 박막 제조 비법은 미국, 일본, 유럽 등에 특허하였다. 우리는 2001년 1월 이 연구에 착수, 1월말 섭씨 850~1000도, 3만 기압 하에서 ‘MgB2 고온 고압 시료’를 세계 최초로 합성하는데 성공하였고, 이어 2월초 박막 제조 연구에 들어갔다. 이 당시 미국 일본 유럽에서 수백 개의 국립연구소와 기업 연구소가 초전도 응용의 기본인 초전도 박막화를 위한 연구에 돌입했으나 우리가 세계 최초, 최고의 MgB2(Tc=39K) 박막 제조에 성공, 최후의 승자가 되었다.
이 새로운 초전도 박막은 마이크로파를 이용한 무선통신 기지국의 주요 부품으로 가장 먼저 사용될 것이며, 위성간의 장거리 통신 구축망의 핵심 부품으로 쓰이는 등 다양한 분야에 응용이 본격화될 것으로 예상된다. 특히 마이크로파 소자들을 이용한 이 부품이 우주공간에서 사용될 경우 우리나라가 절대적으로 유리한 위치를 선점할 것으로 기대된다. 특히 연구단이 개발한 초전도 박막은 두께가 500-1000옹스트롬(1옹스트롬은 1억분의 1cm) 밖에 되지 않아 이를 응용한 전자소자 개발에 결정적인 역할을 할 것으로 보인다.

선진국에서는 지금도 포항공대 연구단이 개발한 초전도 박막과 같은 수준의 박막을 만들어 내기 위해 엄청난 노력을 기울이고 있으나, 아직도 이와 유사한 박막은 만들어내지 못하고 있다. 현재 이 박막의 우수성이 확인되어 미국, 유럽 등지의 연구소를 비롯한 국내 유수 대학연구소에서는 우리와 공동연구를 수행하고 있다.
이 물질에 관한 한국인이 낸 또 하나의 개가는 미국  버클리대학 물리학과 최형준 박사(현 연세대학교 교수)의 이론 업적이다. 최 박사는 ‘미래의 신소재’로 주목받는 MgB2의 초전도성 메커니즘에 관한 새로운 이론을 과학전문지 ‘네이처(2002. 8.15일자)’에 발표하였다.
최 박사는 이 논문에서 MgB2가 다른 초전도체보다 높은 온도에서 초전도성을 띠는 것은 내부 전자들이 ‘이중 에너지 간격(double energy gap)’이라는 특수한 성질을 가졌기 때문이라 주장하였다. 최박사는 MgB2에 대한 정밀한 물성계산과 엄격한 이론 적용을 통해 이 물질에 초전도현상을 일으키는 상태인 ‘초전도 에너지 간격(superconductivity engenergy gap)’이 두개가 공존하면서 39K에서 초전도현상을 나타내며 이 때문에 MgB2가 현재까지의 금속계 초전도체와는 다른 성질을 보인다는 것을 밝힌 것이라고 말했다. 이러한 최박사의 주장은 포항공대 연구팀의 실험결과와도 일치하는 것이다. 

6. 새로운 초전도체를 만들려는 시도들
우리 생활에 쉽게 쓰일 새로운 초전도체를 만들려는 노력은 세계 각국에서 시도가 되고 있다. 그런데 이러한 노력이 쉽게 결과로 나오고 있지는 못하고 있다.
우리 국내에서는 포항공대 초전도 연구팀에서 이 연구를 활발히 진행하고 있다. 우리 연구팀은 새로운 초전도 물질을 다양한 기법으로 개발한 후 새로운 초전도 물성을 측정, 이해, 응용부분에서 세계적인 주자가 되기 위해 불철주야 연구에 몰두하고 있다. 새로운 초전도체를 만들기 위하여 우리는 새로운 제안, 즉 지구 내부에서와 같이 뜨겁고 높은 압력의 극한 상황에서 다이아몬드와 같은 새로운  물질이 개발된다는 아이디어로 고압 고온 시료 제조 장치를 설치한 후 여러 새로운 초전도체를 제작하였다.

최고 20만 기압의 압력 내에서 고온 1500℃의 열을 가하여 새로운 초전도체를 만드는 시도를 매일 하고 있다. 본 연구팀이 세계 최초로 개발한 물질에는 세 종류의 MgB2 물질 (고압시료, 박막, 그리고 단결정), 무한 층 구리 산화물계 초전도체의 단일상, MgCNi3 단결정 등이 포함되어 있다. 이외에도 본 연구팀은 동경대 팀이 개발한 Na가 함유된 Ca2CuO2Cl2의 단결정의 성질을 향상시킨 후 현재는 이 물질을 제조하는 세계 유일의 팀이 되었다. 본 연구팀은 이러한 여러 종류의 초전도 시료를 독점적으로 제조할 수가 있어 다양한 초전도 현상을 남보다 먼저 연구할 수가 있었다. 우리는 새로운 초전도 MgB2를 3만 기압 하에서 세계 최초로 합성하여 초전도 성질을 대폭적으로 향상시켰고 또한 이 물질의 박막과 단결정도 세계 최초로 제조한 후 이의 다양한 초전도 특성을 발견하였다.
전 세계에서 이렇게 고압, 고온으로 초전도 시료를 제조하는 연구팀은 손꼽을 정도이다. 특히 세계 어느 누구도 따라 올수 없는 여러 비법이 숨겨져 있는 포항공대의 고압장치는 그 성능이 세계 최고이다. 같은 고압 장치이지만 우리의 장치를 사용해야만 만들어지는 몇 가지 시료를 우리가 가지고 있기에 이 연구에서 앞서 나갈 수가 있다. 앞으로도 새로운 초전도체 제조에 기대가 크다.

그림 1. 마이스너 효과(Meissner effect)
그림 2. 초전도체의 임계온도 변천
그림 3. MgB2 모형 
그림 4. 포항공대 고온 고압 초전도 시료제조 장치

필자약력
서강대 물리학과 학사
Ohio State University 물리학과 석·박사
Ohio State University 물성연구소 연구원
포항공대 물리학과 교수
창의적연구진흥사업 초전도 연구단 단장