초전도체 역사 물리학과 기술 발전의 핵심 축 중 하나인 초전도체(Superconductor)의 역사를 자세히 살펴보려고 합니다. 초전도체란, 특정 온도 이하에서 전기저항이 0이 되고, 또한 자기장을 밀어내는 마이스너 효과를 보이는 물질을 말합니다. 현대 사회에선 MRI(자기 공명 영상), 입자가속기, 자기부상열차 등 다양한 산업 분야에서 없어서는 안 될 기술이 되었지만, 그 역사는 생각보다 길고도 다채롭습니다.
초전도체 역사 서론
초전도체 역사 처음에는 “왜 어떤 물질이 일정 온도 이하에서 전기저항이 사라지는가?”라는 단순한 호기심에서 출발했지만, 시간이 흐르면서 이 현상의 이론적 배경을 밝히는 과정에서 노벨상이 여러 차례 수여되었고, 새로운 분야인 ‘고온 초전도체’까지 등장해 학계와 산업계가 뜨거운 관심을 쏟아오고 있죠. 이번 글에서는 초전도체의 역사적 흐름을 이야기해 보겠습니다. 고전적인 저온 초전도체의 발견부터 이론적 돌파구, ‘꿈의 재료’라고 불리는 고온 초전도체의 발견까지, 그리고 앞으로의 전망을 망라할 예정입니다.
초전도체 역사 현상의 최초 발견
초전도체 역사 초전도체 역사의 출발점은 네덜란드 라이덴 대학의 물리학자 카멜링 오너스(Heike Kamerlingh Onnes)가 1911년에 수은(Hg)을 극저온 상태로 냉각하는 실험을 진행하면서 발견한 현상입니다. 오너스는 당시 극저온 물리 연구의 선구자였는데, 액체 헬륨(4.2K)까지 냉각하여 물질의 전기적 특성을 측정했습니다. 그 결과 수은이 약 4.15K 이하로 내려가면 전기저항이 ‘무(0)’가 되는 충격적인 결과를 확인했죠.
오너스는 이 현상을 “저항이 사라진 초전도(superconductivity)의 상태”라고 명명했습니다. 이는 곧 전기회로에서 전력 손실이 전혀 발생하지 않는다는 점에서 엄청난 잠재 가치를 가지며, 이후 물리학계와 산업계에서 큰 화제가 되었습니다. 오너스는 이 업적으로 1913년 노벨 물리학상을 수상했습니다.
1911년 초전도체 발견 개요 표
| 연도 | 과학자 | 실험 물질 | 온도(K) | 주요 성과 |
| 1911 | 카멜링 오너스 | 수은(Hg) | 4.15K | 세계 최초 초전도 현상 발견 |
| 1913 | 카멜링 오너스 | - | - | 노벨 물리학상 수상 |
전통적인 금속 연구와 확장
다른 금속에서의 초전도 현상 확인
수은 발견 후, 연구자들은 납(Pb), 주석(Sn), 알루미늄(Al) 등 다양한 금속 소재를 극저온 상태로 내려보며 초전도성을 찾기 시작했습니다. 그 결과 대부분의 금속이 매우 낮은 온도(1K~10K 사이)에서 초전도 현상을 보이는 것으로 밝혀졌죠. 이를 우리는 오늘날 저온 초전도체(Low-Temperature Superconductors, LTS)라고 부릅니다.
임계 자기장과 마이스너 효과
1933년에는 발터 마이스너(W. Meissner)와 로버트 옥센펠트(R. Ochsenfeld)가 “초전도체가 외부 자기장을 밀어내는 현상(마이스너 효과)”을 발견했습니다. 이로써 초전도체는 단순히 저항이 0인 물질일 뿐 아니라, 자성(磁性) 측면에서도 기존 금속과 완전히 다른 거동을 한다는 사실이 확립되었습니다.
초전도체 구분
이후 1950~1960년대에 접어들면서, 초전도체를 자기장에 대한 반응성으로 1형(Type I)과 2형(Type II)으로 나누는 개념이 정립되었습니다.
- 1형 초전도체: 임계 자기장(Hc)이 낮으며, 그 한계를 초과하면 바로 초전도성이 소멸
- 2형 초전도체: 임계 자기장이 두 번 존재(Hc1, Hc2). 보통 합금이나 화합물 형태로, 강한 자기장에서도 초전도성을 유지할 수 있음
1형 초전도체는 수은, 납, 주석 등이 해당하며, 2형 초전도체는 이후 Nb-Ti(니오븀-티타늄) 같은 합금이 대표적 예시가 됩니다.
초전도체 역사 BCS 이론 및 정립
초전도체 역사 초전도체 현상을 설명하는 결정적인 이론적 도약은 1957년, 바딘(John Bardeen), 쿠퍼(Leon Cooper), 그리고 슈리퍼(J. Robert Schrieffer)가 발표한 이른바 BCS 이론입니다. 이 이론에 따르면 전자들이 격자 진동(포논)을 매개로 서로 ‘결합’하여 양자역학적 쌍을 이루고, 이를 쿠퍼 쌍이라고 부릅니다. 쿠퍼 쌍을 이룬 전자는 보통 전도 전자가 겪는 산란을 받지 않게 되어, 전기저항이 0으로 떨어진다는 설명이 가능해집니다.
노벨상의 연속
BCS 이론은 초전도 현상의 미시적 메커니즘을 성공적으로 설명함으로써, 1972년 노벨 물리학상을 받게 됩니다. 이로써 초전도 물질의 “왜, 어떻게”에 대한 근본적 해답이 제시되었다고 할 수 있죠. 이후 이 이론은 저온 초전도체 연구에서 핵심적인 역할을 하게 됩니다.
BCS 이론 한계
다만 BCS 이론이 완벽해 보이지만, 1986년 이후 발견된 고온 초전도체(Cuprate)는 순수한 전자-포논 상호작용만으로 설명하기 어려운 부분이 많습니다. 그럼에도 불구하고, BCS 이론이 초전도체 연구 분야에서 가장 중요한 기초 이론으로 자리 잡았다는 사실은 변함없습니다.
고온 혁명
구리 산화물의 등장
초전도체 역사에서 또 한 번의 혁명은 1986년에 찾아옵니다. 스위스 IBM 연구소의 베드노르츠(K. Alex Müller)와 괴르겔(J. Georg Bednorz)가 La-Ba-Cu-O(란탄-바륨-구리-산소) 계열 물질에서 약 35K 부근의 초전도성을 발견한 것이 그 시초입니다. 1987년에는 이 발견으로 노벨 물리학상을 받았습니다.
이보다 놀라운 사실은, 구리 산화물(Cuprate) 계열 물질을 조금씩 조성 변경해 나가면, 임계 온도(Tc)가 90K를 넘어설 수 있다는 것이었습니다. 이는 기존의 액체 헬륨 대신 액체 질소(77K)로 냉각이 가능함을 의미합니다. 즉, 초전도 실용화가 훨씬 쉬워지는 길이 열린 셈이죠.
YBCO와 BSCCO의 등장
이후 1987년, 이터륨-바륨-구리-산화물(YBa2Cu3O7, YBCO)이 92K에서 초전도성을 보인다는 보고가 나와 전 세계 물리학계가 들썩였습니다. 곧이어 BSCCO(Bi2Sr2Ca2Cu3O10) 계열도 100K를 넘어서는 Tc를 보이며 “고온 초전도체(High-Temperature Superconductors, HTS)” 시대를 열게 됩니다.
고온 초전도체 연구 열풍
1980~1990년대에는 고온 초전도체 연구 열풍이 전 세계를 휩쓸었습니다. 다양한 구리 산화물(Thallium, Mercury 계열 등) 소재에서 최대 130K를 넘나드는 초전도 현상이 확인되면서, 사람들은 “이러다 상온(300K) 초전도체도 가능하지 않을까?”라는 기대를 품게 됩니다.
최근 동향과 논란
철 기반 초전도체(2008년)
2008년에는 구리 산화물과 전혀 다른 철 기반(Fe-based) 초전도체가 발견되어 큰 관심을 받았습니다. LaFeAsO, BaFe2As2 등의 물질이 50K 이상에서 초전도성을 나타내면서, 그 물리적 매커니즘이 새로운 연구 분야가 되었죠. 이는 BCS 이론만으로는 완벽히 설명되지 않는 복잡한 스핀-격자 상호작용, 전자 밴드 구조 등이 얽혀 있음을 시사했습니다.
고압 하이드라이드 계열과 “상온 초전도” 이슈
최근에는 고압(수백 기가파스칼) 상태에서 황화수소(H2S), 란타넘 하이드라이드(LaH10) 등이 200K를 넘는 온도에서 초전도성을 보인다는 보고가 나왔습니다. 이는 ‘상온 초전도체’에 한 걸음 가까워졌다고 볼 수도 있으나, 실험 조건이 지구 심부(深部)에 준하는 초고압 환경이어서 아직은 실질적 응용이 요원합니다.
시장화 및 실제 응용
MRI, 핵융합로 마그넷(ITER), 자기부상열차, 초전도 케이블 등 다양한 산업 분야에서 초전도체가 활용되면서, 이 기술이 단순 실험실 호기심에서 벗어나 실용화 단계에 들어섰음을 알 수 있습니다. 하지만 냉각 비용과 소재 공정의 어려움 등 현실적 제약이 남아 있어, 대중화까지는 시간이 더 필요하다는 평이 지배적입니다.
인류의 오랜꿈이 이뤄질까?
상온 초전도체를 향한 도전
초전도체 역사는 “더 높은 임계 온도를 찾아가는 여정”이라고 해도 과언이 아닙니다. 1911년 수은(4.15K)에서 출발해, 구리 산화물(130K 이상)과 철 기반 초전도체(55K+), 그리고 극한의 고압 조건에서 200K를 넘겼다는 보고까지—이 모든 흐름은 상온(300K) 부근에서도 초전도체 현상을 일으킬 물질을 찾아내고자 하는 인류의 오랜 꿈을 보여줍니다.
양자기술, 에너지 등과의 융합
초전도체는 전기저항이 ‘0’인 특성 외에도 양자컴퓨팅, 스핀트로닉스 등 차세대 기술과 결합되어 새로운 장을 열 가능성이 큽니다. 예컨대 조셉슨 접합을 이용한 양자비트(Qubit) 구현이 대표적 예시죠. 또한 에너지 효율 문제와 기후 위기에 대응하는 과정에서 초전도 송전선, 초전도 발전기·전동기가 대안으로 부상할 수도 있습니다.
결론
1911년 오너스의 발견에서 시작된 초전도체 역사는, 저온 초전도체(BCS 이론) 시대를 거쳐, 1986년 이후 고온 초전도체 시대가 열렸고, 최근에는 철 기반, 고압 하이드라이드, 양자컴퓨팅 등 다양한 방향으로 분화·심화되고 있습니다. 여전히 냉각 비용, 소재 공정, 경제성 등의 한계가 존재하지만, 과학기술의 발전과 함께 초전도체는 이미 우리 삶 곳곳에서 기여하고 있고, 앞으로 더 큰 변화를 불러올 잠재력이 충분합니다.
초전도체 역사 이번 글을 통해 초전도체의 역사를 되짚어보면서, 앞으로 우리에게 펼쳐질 초전도 시대의 가능성을 엿보셨을 거라 믿습니다. 상온 초전도체가 실현되어 일상에서 전력 손실이 없는 전송망을 쓰게 되는 날이 올지, 아니면 또 다른 형태의 혁신이 나타날지—계속 주목해볼 만한 분야임은 분명합니다.