초전도성—무엇이 그토록 흥분을 자아내는가?

스티로폼제 커피잔의 아래 절반 부분처럼 생긴 그릇 안에, 작은 단추 크기의 약간 검은 물질로 된 정제 하나가 놓여 있다. 그 정제 위에는 더욱 작은 금속 조각 하나가 놓여 있다. 한 학생이 조심스럽게 그릇 안으로, 김이 피어 오르는 액체를 조금씩 붓는다. 탁자 둘레에 서 있는 사람들은 모두 비상한 관심을 가지고 지켜 보고 있다.

액체가 그릇에 닿자, 처음에는 쉬잇 하고 요란한 소리를 낸다. 곧 주위가 조용해지고, 분위기가 차분해 진다. 그 다음에 작은 금속 조각이 마치 춤이라도 출 듯이 들썩거리기 시작한다. 그러다가 갑자기 금속 조각이 정제로부터 떨어져 솟아오르더니, 손이 닿지 않는 높이에 떠 있는 것이 아닌가! 그 학생은 철사 고리를 잡고서 금속 조각 주위로 휘두른다. 어떠한 눈가림이나 속임수도 쓰지 않았지만 금속 조각이 공중에 떠 있는 것이다!

이것은 캘리포니아(미국)에 있는 어느 고등 학교에서 일단의 학생들이 실시한 초전도체에 관한 실험이었다. 단지 1, 2년 전만 하더라도, 그와 같은 실험은 정교한 장비와 충분한 기금을 갖춘 전문 실험 연구소에서만 실시할 수 있었다. 고등 학교 학생들이 그러한 실험을 한다는 사실은 요즈음 이 분야에서 급속한 발전이 이루어졌음을 지적해 주는 것이다.

지난 5월, 「타임」지에서는 “초전도체—세상을 바꿔 놓을 수 있을 만큼 경탄스러운 도약”이라는 제목의 표지 기사가 실렸다. 「뉴스위크」지에서는 그것을 가리켜 “새로운 전기 혁명”이라고 언급했다. 「라이프」지는 “즉석 물리학”이라는 제목의 표지 기사를 실음으로써, 이 분야에서 얼마나 빠른 진척이 이루어지는가를 암시해 주었다. 그러면, 초전도성이란 무엇인가? 그리고 무엇이 그토록 흥분을 자아내는가?

오랫동안 추구해 온 이상

전도성의 정의는 물질이 전류를 전달할 수 있는 능력의 척도이다. 우리 대부분은 유리나 자기(磁器) 같은 물질이 전기가 통하지 않는다는 것을 안다. 반면에, 구리, 금 및 백금과 같은 금속은 전기가 통할 때 비교적 저항이 적기 때문에 우수한 전도체인 것이다. 따라서 초전도성이란 어떤 물질 내에 전기 저항이 전혀 없는 상태 즉 전기의 흐름이 방해를 받거나 손실되지 않는 이상적인 상태이다.

과학자들은 그러한 이상적인 물질 즉 초전도체가 지닐 수 있는 어마어마한 잠재력에 대하여 오랫동안 관심을 가져 왔다. 예를 들면, 초전도체로 만들어진 송전선을 사용하면, 일반 전선을 사용할 때 생기는 저항으로 인한 엄청난 양의 에너지 손실을 없앨 수 있을 뿐 아니라, 지방마다 얽혀 있어 보기 흉하고, 값비싼 전선을 사용하지 않아도 된다. 초전도체를 사용하면, 지금까지는 불가능했던 속도로 작동시킬 수 있는 집적 슈퍼 컴퓨터도 만들 수 있다. 초전도체의 독특한 자성을 이용하면 의료 진단 장치와 같은 실험 장치, 공중에 뜬 채로 달리는 고속 열차, 거대한 입자 가속기, 심지어는 융합 에너지 등을 실용화할 수 있는 강력한 전자석의 새로운 세대가 들어설 수 있을 것이다.

이러한 모든 것이 매혹적이긴 하지만, 한 가지 문제점이 있다. 지난 75여 년간, 과학자들은 어떤 금속들이 초전도성을 가지고 있기는 하지만, 단지 영하 몇백도의 극도로 낮은 온도로 냉각될 때에만 초전도성을 나타낸다는 사실을 알고 있었다. 네덜란드의 과학자인 하이케 카메를링 오네스가 처음으로 초전도체를 우연히 발견한 것은 1911년의 일이었다. 1913년에 노벨상을 수상하게 되었던 연구 주제인 헬륨가스를 액화시키는 기법을 개발한 직후에, 그는 온도를 낮출 때 여러 종류의 금속이 받는 영향에 대하여 조사를 하고 있었다. 우연히도, 카메를링 오네스는 과학자들이 켈빈 척도로 절대 영도라고 일컫는 온도보다 4도가 높은 4K 즉 약 -269°C.에서 수은이 전기 저항을 완전히 잃는다는 사실을 발견했다.a

비록 초전도성이 아주 우연히 발견되기는 하였지만, 그 가치는 곧바로 인정되었다. 그러나 전이 온도 혹은 임계 온도로 불리는 극도로 낮은 온도에서 금속이 초전도성을 갖는다는 사실은 커다란 장애가 되었다. 비용이 많이 든다는 점과 그렇게 낮은 온도에서는 작업을 하기가 복잡하다는 점 때문에, 실용적 가치가 제한되었다. 그후 몇 십년 동안, 과학자들은 좀더 높은 온도에서 초전도성을 띠는 물질을 발견하려고 다른 물질로 실험을 하였다. 그러나 쉽사리 진전이 이루어지지 않았다.

그러나, 여러 해가 지나면서, 초전도체의 색다른 특성이 밝혀지게 되었다. 가장 중요한 특성 한 가지가 1933년에 발견되었는데, 그것은 초전도체를 자장 속에 두면 자력 선속(磁力線束)이 통과하는 것을 차단할 뿐 아니라, 자력 선속을 물리치거나 자력 선속에 의해 밀려나는 특성이다. 고등 학교에서 실시한 실험에서 보았던 것처럼, 물체가 공중에 뜨는 원인이 바로 마이스너 효과로 불리는 이 현상 때문이다. 이러한 특성이 발견됨에 따라 더 높은 온도에서 존재하는 초전도체를 찾기 위한 노력이 재개되었다. 그러나 연구는 여전히 답보 상태에 머물러 있었다. 최근 1973년에 들어서, 아직 비실용적으로 낮은 온도이긴 하지만, 23K 즉 -250°C.에서 초전도성을 띠는 금속 합금을 발견한 것이 최대의 진전이었다. 그리고는 이어지는 십 수년 동안, 다소 정체 상태에 머물러 있었다.

온도가 올라가다!

스위스의 취리히에 있는 IBM 실험 연구소에 근무하는 두명의 과학자가, 아마도 다른 연구원들이 큰 성공을 거두지 못하고 있는 이유는 그들이 엉뚱한 물질로 연구를 하고 있기 때문일지도 모른다는 생각을 갖게 된 때를 기점으로 하여, 새로운 사태 진전이 시작되었다. 그때까지만 하더라도, 대부분의 연구는 금속이나 합금을 대상으로 진행되었다. 두 사람의 과학자 가운데 한 사람인 알렉스 뮐러는, “기존의 연구 노선을 계속 따른다면 더 이상 진전이 이루어질 수 없음을 깨닫게 되었다”라고 말했다.

뮐러와 동료 연구원인 게오르크 베드노르츠는 1983년에 금속 산화물로 실험을 시작하였다. 1986년 초가 되자, 바륨, 란탄, 구리 및 산소로 이루어진 화합물을 사용하여 35K 즉 -238°C.에서 초전도성을 발견함으로써, 수년간에 걸친 연구에서 처음으로 중요한 진전을 이룩하였다. 마침내 1986년 9월에 그 소식이 공표되자, 과학계는 놀라움을 금하지 못하였다. 스위스의 연구소에서 과학자들이 사용한 물질은 일반적으로 절연체로 알려져 있는 도자기의 한 계통으로, 수십년 만에 온 가장 비약적인 진전이 그와 같은 물질에서 이루어지리라고는 아무도 생각하지 않았을 것이다.

그 뒤를 이어 아주 빠른 속도로 기록 갱신이 이루어졌다. 1987년 2월에 휴스턴 대학교의 C. W. 추가 이끄는 연구팀은 뮐러가 만든 혼합물에서 란탄을 빼고, 이른바 또 다른 희토류(稀土類) 원소인 이트륨을 넣은 물질로 93K 즉 -180°C.에서 초전도성을 발견하는 기록을 세웠다.

이러한 성취로 인해 고온에서의 초전도성 연구에 새로운 장이 열렸다. 그 당시까지는 연구 대상 물질을 필요한 만큼의 저온으로 낮추기 위해서 액체 헬륨을 사용해야만 했는데, 그렇게 하는 데는 비용도 많이 들고 복잡한 과정을 거쳐야만 했다. 이제 새로운 발견으로 인해, 액체 질소를 사용하여 냉각할 수 있게 되었는데, 질소는 77K 즉 -196°C.에서 액화된다. 액체 질소는 쉽게 구할 수 있고, 가격도 우유 값 정도로 싸며, 복잡한 기구를 사용하지 않고서도 취급이 가능하다. 이러한 사실은, 산화물이 만들기도 쉽고 가격도 저렴하다는 사실과 함께, 초전도성에 관한 연구에 부가적 이점으로 중요한 역할을 했다.

물론, 궁극적인 목표는, 냉각할 필요 없이 실온에서 사용 가능한 초전도체를 발견하는 것이므로, 전세계에 걸쳐서 과학자들은 그 목표를 달성하기 위하여 연구에 몰두하고 있다. 사실상, 실온에서 가능한 초전도성의 “희미한 흔적”에 대한 보고서들도 선을 보이기 시작했다.

1987년 5월 말경, 추와 그의 연구팀은 자신들의 기록을 갱신하였다. 그들은 225K 즉 -48°C.에서 초전도성을 띠는 표본 소자를 발견했지만, 그 표본 소자는 단지 간헐적으로만 초전도성을 띠었다. 연구 팀의 일원인 페이헹 호는 이렇게 말하였다. “그 현상은 한번 보고 나면, 얼마 후에 사라져 버립니다. 하지만 그 현상은 또다시 나타납니다.” 버클리의 캘리포니아 주립 대학교 소속의 또 다른 연구팀은, 그들이 연구하고 있던 어떤 물질이 292K 즉 -19°C에서 초전도성을 띠었다는 보고를 하였지만, 실험 결과를 반복하여 얻지는 못하였다.

황금 시대가 목전에 있는가?

많은 사람들은 초전도체에 관하여 매우 흥미있는 소식들을 듣고서, 우리가 이제 새로운 시대 곧 과학 기술의 황금 시대의 문턱에 서 있다는 인상을 받게 되었다. 과거에 전등이나 트랜지스터와 같은 발명품으로 인해 우리의 생활이 바뀐 것처럼, 우리의 생활이 또다시 바뀌려 한다고 사람들은 말한다. 초전도체가 가능하게 할 것으로 여겨지는 온갖 경탄스러운 일들이 실제로 임박해 있는가?

미국 국립 과학 재단 책임자인 에리히 블로흐는 다음과 같이 진술했다. 우선 “우리가 초전도성을 널리 이용하기 전에, 기본적인 과학적 이해를 훨씬 더 충분히 갖추어야 할 것이다.” 과학자들은 아직도 인공 도자기 원료가 왜 그와 같은 작용을 하는지에 대해 명확한 해답을 얻지 못하고 있다.

이러한 사실 때문에, 많은 전문가들은 초전도체가 실험실을 벗어나 실용화되려면 여러 해가 지나야 할 것으로 생각한다. 미국 국립 표준국의 한 연구원은 이렇게 말한다. “이러한 물질이 지니는 잠재력은 대단하지만, 신문에서 예상하는 시간표는 맞지 않는다. 5년은 지나야 컴퓨터의 박막(溥膜)에 사용될 것이고, 20년은 지나야 대량으로 응용될 것이다.”

한 가지 장애 요소는 고온의 초전도체 물질들은 금속과는 달리 가단성(可鍛性)이나 가공성이 없다는 것이다. 도자기나 사기 접시를 떨어뜨려 본 사람은 누구나 알듯이, 이러한 깨지기 쉬운 재료는 쉽게 휘지 않는다. 하지만, 초전도체가 실용화되기 위해서는, 도선(導線)이나 막(膜) 형태로 제작되어야 한다. 예를 들어, 컴퓨터나 집적 전자 회로에 사용될 경우에는, 1미크론의 몇분의 1 두께의 막으로 만들어야 한다. 원동기나 자석류는, 얇고 유연한 선을 권선(捲線)으로 사용해야 하며, 송전선은 강하면서도 유연해야 한다.

문제를 더욱 복잡하게 만드는 것은, 과학자들도 과연 초전도성 물질이 많은 응용 분야에서 필요로 하는, 많은 양의 전류나 자장을 전달할 수 있는지를 잘 알지 못한다는 사실이다. 모든 초전도체는 일정한 한계를 넘어서면 초전도성을 잃게 된다. 현재로서는 그렇게 될 가능성이 비교적 높다. 이러한 문제점들이 풀리기는 하겠지만, 당장에 기대하기는 어렵다.

그러나 초전도체에 대해 더욱 불길한 측면이 또 있다. 우주전에서 입자 빔 무기 즉 에너지 지향형 무기로 초전도체가 쓰일 수 있다는 말이 벌써부터 나오고 있다. 과연 초전도체는 모든 사람들이 예측하고 희망하는 바대로 축복이 될 것인가, 아니면 과거에—화약이나 핵분열 같은—혁명적인 발명품이 초래했던 것과 같은 결과를 가져오고 말 것인가? 이것은 아무도 자신있게 대답할 수 없는 질문임이 분명하다.

[각주]

[21면 네모]

초전도체가 지닌 잠재력

“질소 냉각 초전도체가 실용화되면, 공익 사업에서 수십억 달러를 절감할 수 있으며, 50개 이상의 발전소를 가동하지 않아도 될 만큼 많은 에너지를 절약할 수 있다”라고 「비즈니스 위크」지는 언급한다. 또한 초전도 발전기나 전력선을 사용하면 더 많은 수의 강력한 발전소를 도시로부터 더 멀리 떨어져 있게 할 수 있는데, 이렇게 되면 오염과 비용과 위험성이 줄어들 수 있을 것이다.

시속 480킬로미터로 달릴 수 있는 자기 부상(磁器浮上) 열차—자력에 의해 공중에 뜬 채로 달리는 열차—는 가벼운 초전도 자석을 사용하면 실용화될 수 있다. 능률적인 초전도 모터로 가동하는 전기 자동차를 사용하면 도시의 공기 오염을 줄일 수도 있다. 심지어는 선박도 그러한 모터를 사용하여 운행될 수 있다.

실리콘 트랜지스터보다 1,000배나 빠른 초전도 마이크로 칩 장치가 벌써 개발되고 있다. 그러한 칩을 사용한다면, 미래의 컴퓨터는 더 빠를 뿐 아니라, 발열량이 크게 감소되므로 크기도 더욱 작아질 것이다. 탁상용 컴퓨터가 오늘날의 컴퓨터 본체 만큼이나 강력해질 것이다.

NMRs(nuclear magnetic resonance scanners, 핵자기 공명 진단 장치)와 SQUIDs (superconducting quantum interference devices, 초전도 양자 간섭계)는 인체 내부를 투시하여 뇌파를 탐지할 수 있는 기계이다. 초전도체를 사용함으로써 비용이나 복잡성을 감소시킨다면, 이러한 기계를 일반 병원이나 진료소에서도 설치할 수 있을 것이다.

초전도체가 지니고 있는 잠재력은 엄청나다. 과연 얼마만큼 실현될 수 있을 것인가?

[19면 사진 자료 제공]

IBM Research