초전도재료

1. 초전도의 역사적 배경초전도(superconductivity)는 1911년 네덜란드의 저온 물리학자 카메린 온네스(Heike Kammerlingh Onnes)에 의하여 최초로 발견되었다. 19세기말에 저온 냉동 분야에 있어서 많은 과학적 진보가 이루어졌으며 온네스는 줄곧 저온 냉동에 대하여 연구를 해오던 도중 1908년 7월 10일 4 K(영하 269?)까지 냉각하여 헬륨을 액화시키는데 성공한다. 온네스는 그날 겨우 수 밀리리터의 액체헬륨을 만들 수 있었다고 한다. 그러나 그것은 전에는 도달할 수 없었던 온도 영역에 있어서 그의 새로운 학문적 탐험이 시작되는 중요한 계기가 되었다. 액체헬륨은 물질들을 가장 차가운 온도인 절대온도 0 K에 가깝도록 냉각할 수 있게 하였는데, 절대온도 0 K란 물질의 에너지가 가장 작아지는 온도인 것이다. 1911년, 온네스는 아주 낮은 극저온에서 물질의 전기적 성질을 조사하기 시작하였다. 금속의 전기저항은 상온에서 냉각할 때 떨어지는 것으로 오랫동안 알려져 왔다. 그러나 저항이 어디까지 떨어지는 가에 대한 극한치는 알려져 있지 않았다. Kelvin과 같은 과학자는 도체를 통하여 흐르는 전자들은 절대온도에 가까울수록 완전히 멈출 것으로 믿고 있었으나 온네스를 포함한 다른 과학자들은 차갑게 냉각한 선재의 저항은 사라질 것으로 믿었다. 이것은 곧 전기저항이 연속적으로 감소하는 것을 의미하는 것이고 전기전도성이 더 나아지는 것을 의미하는 것이다. 이렇게 과학자들은 어떤 아주 낮은 온도에서 정의하기는 어렵지만 어떤 최소 값으로 저항이 도달함에 따라 전류를 조금만 흐르게 하거나 저항이 없어지는 상태가 생길 것으로 믿고 있었던 것이다. 온네스는 순도가 높은 수은 선재를 통하여 전류를 흘리고 온도를 내리면서 연속적으로 저항을 측정하는 실험을 하던 도중 온도가 4.2 K에 도달했을 때 저항이 갑자기 사라진 것을 확인하였다. 전류는 수은 선재를 통하여 흐르고 있었고 아무 것도 멈추지 않았으나 저항이 완전히 영(零)이 된 것이다. 그림(1)은 온네스가 측정한 수은선재의 저항과 온도 곡선 그래프이다. 온네스는 실험에 사용한 수은이 이상한 전기적 성질로 인하여 초전도상태라고 부를 수 있는 어떤 새로운 상태로 들어갔다고 생각했다. 수은 선재의 저항이 사라진 것은 의심할 수 없는 실험적 사실인 것이다. 카메린 온네스는 이렇게 새로 발견한 상태를 초전도(Superconductivity)라고 명명하였고, 과학계에 대한 발견의 중요성뿐만 아니라 그것의 새로운 과학 발견이 나올 때마다 과학자들은 그 현상을 설명하기 위하여 애를 쓴다. 1933년 Walther Meissner 와 R. Ochsenfeld는 초전도체가 전기적으로 완전전도체가 되는 성질하고는 다른 또 하나의 새로운 현상을 발견하였다. 그것은 자기장을 배척하는 흥미 있는 자기적 성질로 초전도체는 그 내부로 자기장이 들어오는 것을 허용하지 않는 것이다. 그것은 달리 말하면 재료 내부로 침투한 자기장과 평형을 맞추기 위하여 초전도체 내부에서 자기장을 발생시키는 전류를 만들어 내는 것이다. 이러한 현상은 마이스너 효과(Meissner Effect)라고 불리게 되었고 초전도현상을 보여주는 가장 인기 있는 현상이 되었다.