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은하철도 999- 이트륨(Y), 란타넘(La) - 목록

조회 : 7846 | 2012-03-06

저항 제로
1987년, 츄(1941~)가 YBCO(이비시오)로 불리는 고온초전도체를 발표하자 전 세계는 열광하였다. 그는 수년 내로 고온초전도체가 널리 사용될 것이라 전망했지만 현실은 쉽지 않았다. 고온초전도체 앞에는 많은 장애물이 있었다. 그럼에도 수많은 연구자들이 고온초전도체 연구에 매달리고 있다. 고온초전도체의 ‘새로운 산업혁명’을 일으킬 폭발적인 잠재력을 갖는 재료였기 때문이다. 초전도란 어떤 현상인가? 전기 저항이 작아 전류가 잘 흐르는 구리와 같은 금속을 도체라 한다. ‘초전도’란 말 그대로 ‘보통의 전도를 초월한 전도’이다. 즉 초전도는 전기 저항이 0인 현상을 말한다. 어떤 물체에 전류가 흐를 때, 물체에는 전류의 제곱과 저항에 비례하여 열이 발생한다. 전열기는 이 열을 이용하지만 전류를 이용할 경우, 열은 문제가 된다. 비록 구리는 도체이지만 도선이 길수록 저항에 의해 열로 에너지가 손실된다. 반면에 초전도체는 열로 인한 손실 없이 전류를 이용할 수 있는 꿈의 재료인 것이다.




수은과 초전도체
전류는 자유전자의 이동이다. 자유전자는 도체 안의 불순물과 결함, 그리고 진동하는 격자와 충돌 등으로 저항을 받기 때문에 열이 발생한다.










1911년, 오네스(1853~1926)는 격자가 멈출 정도로 온도를 낮추면 저항은 불순물과 결함에 의해서만 나타날 것으로 예상했다. 그는 수은을 초저온으로 냉각시키면서 저항을 측정하던 중 4.2 K에서 저항이 사라지는 것을 발견하였다. 이것을 초전도 현상이라 한다. 금속은 온도가 높아지면 격자가 진동하기 때문에 저항이 커진다. 반면에 반도체는 열에너지를 얻은 전자가 핵에서 해방되어 자유롭게 움직이면서 저항이 감소하는 성질이 있다.




공중 부양
1931년, 마이스너(1883~1958)는 자석의 자기력선이 초전도체는 통과하지 못하는 마이스너 효과를 발견했다. 즉 초전도체가 마치 같은 극끼리 밀치는 것처럼 자석의 자력선을 밀쳐 내므로 초전도체는 자석 위에 뜬다. 초전도체가 공중 부양하는 것이다.










초전도체의 공중부양(CC)과 마이스너 효과





온도 변화에 따른 여러 물질의 비저항





영구자석으로 가능한 자기장은 2 테슬라 이하이다. 전자석도 도체에서 발생하는 열로 인해 한계가 있다. 초전도체로 코일을 만들면 저항이 없기 때문에 강력한 자기장을 만들 수 있다. 그러나 수은이 초전도 현상을 나타내려면 액체 헬륨이 필요하기 때문에 실제로 사용하기는 어렵다.




BCS 이론
초전도 현상은 어떻게 일어날까? 1950년대 중반까지도 초전도 현상의 원리는 밝혀지지 않았다. 아무리 순수한 물질이라도 절대영도(-273 ℃)가 아니면 격자진동에 의해 저항이 나타난다. 즉, 초전도 현상은 절대영도가 아니면 불가능한 현상이었다.










쿠퍼쌍을 이루는 원리





1957년, 초전도 현상은 바딘(1908~1991), 쿠퍼(1930~), 슈리퍼(1931~)의 BCS 이론에 의해 설명되었다. BCS는 이름의 첫 글자를 딴 것이다. BCS 이론은 절대영도 근처에서 전자들이 쌍을 형성한다는 것이었다. 즉 자유전자가 양이온 사이를 통과할 때 양이온을 당기면서 격자가 일그러진다. 이 일그러짐은 음파 형태로 전달돼 멀리 있는 자유전자를 끌어 당겨 ‘쿠퍼쌍’을 형성한다는 것이었다. BCS 이론으로 과학자들은 실망했다. 이 이론에 따르면 초전도 현상은 금속에서, 그나마 30 K 이하에서나 가능한 것이었다. 온도가 높아지면 쿠퍼쌍이 깨지기 때문이다.




두 개의 노벨상
1901년 노벨상 수상이 시작된 이래 우리나라는 아직까지 노벨과학상을 수상한 적이 없다. 그런데 노벨상을 두 번이나 받은 과학자가 4명이나 있다. 퀴리 부인(1867~1934)은 남편 피에르 퀴리(1859~1906)와 함께 ‘라듐 및 폴로늄의 방사능 발견’으로 1903년 노벨물리학상을, ‘순수 라듐의 발견’으로 1911년 노벨화학상을 받았다. 폴링(1901~1994)은 ‘화학결합에 관한 연구’로 1954년 노벨화학상을, ‘핵무기의 국제적 통제와 핵실험 반대 운동’으로 1962년 노벨평화상을 받았다.










퀴리 부인과 폴링, 생어와 바딘





프레더릭 생어(1918~)는 1958년 ‘단백질, 인슐린의 구조’에 관한 연구로, 1980년에는 ‘핵산의 염기 배열에 관한 연구’로 노벨생리의학상을 받았다. 마지막으로 존 바딘(1908~1991)은 1956년 반도체 연구와 트랜지스터 발명으로, 1972년에는 초전도체에 관한 BCS 이론으로 노벨물리학상을 받았다.




다시 시작된 꿈
1986년, 베드노르츠(1950~)와 뮬러(1927~)는 한계로 여겼던 30 K를 넘는 고온초전도체(임계온도가 30 K 이상인 초전도체)로 다시 한 번 세상을 놀라게 했다. 게다가 금속이 아닌 란타넘, 바륨, 구리, 그리고 산소로 이루어진 산화물 초전도체였다. 그들은 불과 1년 9개월 만에 노벨상을 수상하였다.










곧바로 비슷한 고온초전도체가 합성되기 시작했다. 마침내 1987년, 츄(1941~)는 란타넘을 이트륨으로 치환한 YBCO를 개발했던 것이다. 이것은 액화 질소의 기화점인 77 K보다 높은 98 K였기 때문에 헬륨 대신에 값싼 질소를 냉각제로 사용할 수 있었다. 이처럼 고온초전도체의 중심에는 란타넘과 이트륨이 있었다. 계속해서 임계온도가 134 K인 Hg-Ba-Ca-Cu-O 산화물이 발견되었다. 전 세계는 다시 고온초전도체 열풍에 휩싸이게 됐다. 이들의 초전도 현상은 BCS 이론으로 설명할 수 없었다. 고온초전도체의 원리가 밝혀지지 않았기 때문에 어떤 물질이 고온초전도체가 될 지는 여전히 알 수 없는 것이다.





초전도체의 임계온도 변화




자기공명장치(MRI)
1946년, 블로흐(1905~1983)와 퍼셀(1912~1997)은 자기공명장치(MRI) 원리를 발견하여 노벨상을 받았다. X-선이나 초음파로 영상을 얻는 장치와는 달리 MRI는 강한 자기장 안으로 사람을 넣어서 전파를 발생시킨 후 그 파형으로부터 영상을 얻는다. MRI는 세포의 수소 원자핵인 양성자의 자기적 성질을 이용한다. 팽이처럼 자전하는 양성자는 자기장을 가하면 세차운동을 시작한다. 이 세차운동과 같은 주파수의 자기장을 가하면 양성자는 에너지를 흡수한다. 그리고 자기장을 없애면, 양성자는 원래 상태로 돌아가는데 이 때 정상세포와 암세포는 물의 양, 즉 양성자의 양이 다른 것으로부터 암세포의 영상을 얻는 것이다. MRI에서 강한 자기장을 만들려면 강한 자석이 필요하다. 따라서 초전도체로 만든 전자석으로 자기장을 만들기 때문에 비싸다. 따라서 액체 질소를 사용할 수 있는 고온초전도체가 개발된다면 MRI를 X-레이처럼 저렴하게 사용하게 될 것이다.










무릎의 자기공명이미징 영상 (CC) http://wikipedia.org




자기부상열차
열차는 바퀴와 선로 사이의 마찰력으로 앞으로 나아간다. 그러나 열차가 빨라지면 마찰력 때문에 빨리 달릴 수 없다. 즉, 마찰력이 크면 움직이지 않고 작으면 미끄러지는 것이다. 열차를 공중에 띄워서 달리면 선로와의 마찰이 없기 때문에 작은 힘으로 빨리 달릴 수 있다. 열차를 어떻게 띄울까? 기본적으로 차체와 레일에 같은 극의 자석을 부착하여 공중에 띄운다. 즉, 열차 아래에 S극의 자석을 달고 선로를 S극이 되도록 하면 반발력에 의해 열차가 공중에 뜬다.










자기부상열차의 원리





이 때 선로와 바퀴의 마찰력이 없기 때문에 자기부상열차는 엔진이 아니라 초전도 자석에 의해 전진한다. 예를 들어 열차의 밑이 S극이고 선로가 S극일 때, 선로의 앞이 N극이면 열차를 끌어 당겨 열차가 전진한다. 그리고 선로의 극을 재빨리 S극으로 바꾸고 그 앞은 N극으로 만들어 열차를 계속 전진시키는 것이다. 영구자석은 열차를 띄울 만큼 자력이 세지 않아 전류의 양에 비례하는 전자석을 이용해야 한다. 구리로 만든 전자석은 수백 톤의 열차를 띄우기 위해 전기를 흘려보내면 열에 의해 코일이 녹아버린다. 따라서 강한 전기를 보내도 열이 발생하지 않는 초전도체로 전자석을 만들어야 하는 것이다.










자기부상열차의 여행




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