훅붕이들아. 내가 글 쓰다 날려서 아주 뭐 같았지만 응원받고 쓴다. 아흐….

이 글을 쓰는 이유는, 우리가 LK-99를 응원하는 훅갤러로서 마음은 크지만 동시에 기존 초전도체 이론과 진행상황에 대해서 이해가 부족한 건 사실이다. 그렇기에 학계의 시선을 이해 못할 수도 있고, 학계에서 무지렁이라고 비난하는게 좃 같아서 (ㅋㅋㅋ) 어느정도 기초지식을 갖고 논의하는게 좀 더 나은 결과를 낼 수 있을 거 같아 쓴다. 물론 나도 문과라서 어려운 수식 같은 건 다 집어치웠기에 이걸 본다고 무지렁이에서 벗어날 수는 없다. 하지만… 그래도 좀 더 나은 무지렁이가 되기 위해 노력해보자. 무하늘소 정도는 되어야 LK-99를 지지하는 훅붕이로서 뭔가 있어 보이지 않겠냐?


<목차>

1. 초전도체의 배경과 이론

2. 초전도체의 특징

3. 초전도체의 종류 (1종, 2종 초전도체)

4. 초전도체의 상용화 현황

5. 초전도체의 과제

6. LK-99에 적용가능한 기존 초전도체 기술과 이론


1. 초전도체의 배경과 이론


가) 배경 : 1800년대~1900년대 초 과학자들의 관심사는 아주 낮은 온도에서 금속의 저항이 어떻게 될지 파악하는 것이었음. 도체는 일반적으로 온도를 낮출수록 저항이 떨어졌고, 반도체/부도체는 반대로 온도를 올릴수록 저항이 올라갔음. (에너지 밴드론으로 설명가능한데 Pass) 그런데 결국 온도를 계속 낮추다가 저항이 일정부근에선 오를지, 더 떨어져서 ‘0’에 가까울지, 아님 유지될지가 궁금한 과학자들은 금속 온도 낮추기 경쟁을 시작한다. 결국 액체핼륨 액화에 성공한 네델란드의 Heike Kamerlingh Onnes 라는 이름이 존나 긴 아저씨가 이 액체헬륨으로 금속의 온도를 낮춰보기 시작함.


① 액체수은의 초전도성 발견 : 일단 순도가 높은 금속을 골라야 해서 그때 젤 순도높게 만들 수 있는 수은을 대상으로 온도를 낮춰보다가, 특정 온도에서 ‘선형적’이 아니라 폭포수 커브처럼 저항이 뚝 떨어지는 현상을 발견한다. 분명히 금속은 온도와 저항의 관계가 선형적이었는데? 그래서 이것을 그는 ‘초전도체’라고 이름 붙이게 되고, 그 이후부터 본격적인 초전도체에 대한 연구가 시작됨.



<그림 : 수은의 초전도성 그래프. 이때 측정한 저항은 10^-5 수준이다.>


나) 이론의 변천 : 이후 이게 왜 되냐에 대해서 이론이 여러가지 나왔다가, 우리가 흔히 듣는 BCS 이론(양자역학적으로 쿠퍼쌍을 통한 초전도성 발현)으로 ‘저온 초전도체’에 대해서는 일단락이 되었음. 하지만 그 이후 초전도 현상의 한계점으로 이야기한 30~40K(=섭씨 -243도)를 넘어가는 고온초전도체(=저온 초전도체보다 상대적으로 고온이라 고온 초전도체로 부름)가 발견되면서 BCS 이론은 수정이 필요하게 됨. 그래서 김현탁 박사님은 BR-BCS로, 권교수님은 양자우물론으로 서로 ‘내가 맞따!’ 시행중인거고… 그래서 아직 고온 초전도체를 설명하는 명확한 이론은 없다고 보는게 맞다.


다) 근데 상온초전도체? 이건 뭐 어떤 매커니즘인지도 분분하고 있는지 없는지도 모른다. 생각해봐라. 중2 수학도 이해못해서 지금 맨날 날밤까는 학생한테 갑자기 대학원 수준의 논문을 들이밀면 화가 나겠냐 안 나겠냐? 게다가 뭐 씨팔 납+구리+인+황의 ‘부/반도체 브라더스 + 구리’로 초전도성을 구현했다는데 이게 말이 되냐고… 하지만 2종 초전도체(=고온초전도체)의 예를 보면 이게 완전히 말도 안되는 소리는 아니다. 그 이유는 1종 초전도체는 대부분 전기가 잘 통하는 금속이었는데, 2종 초전도체는 금속산화물(=일반적으로 순금속보다 저항이 높음)과 세라믹(=쉽게 말해 돌땡이. 부도체/반도체들)으로 만들어진 것들이 오히려 임계온도가 높은 상태에서 초전도 현상이 일어나기 때문. LK-99도 세라믹형태고, 다만 세라믹이 ‘취성(=잘 깨짐)’이 강한지라 1종 초전도체보다 2종 초전도체가 잘 쓰이지 않았던 원인이 여기에 있었다.


2. 초전도체의 특징


가) 초전도체의 특징 : 많이 본 그림인데, 초전도체는 일단 ‘저항이 0’이어야 하고 그 외에 3가지 요소를 갖고 있다. 이 3가지가 존재하면 일단 초전도체로 볼 수 있다. (마이스너 이야기는 밑에)


① 저항 0 : ‘초전도체’가 물리학에서 말하는 ‘완전도체(=저항0인 도체)’인 이유. 저항이 없다는게 초전도체의 가장 중요한 특징이며, 다만 현재 직류전원장치와 나노볼트미터의 저항 측정한계(대략 10^-9이하)가 있어 엄밀히 저항이 ‘0’임을 측정할 수는 없다. 그래서 국제표준규격을 참고한 한국표준에서는 ‘임계온도(=초전도성을 띄기 시작하는 온도)’의 기준 저항수준으로 3*10^-9 Ohm.cm 를 제시하고 있다.(KS C IEC 61788-10)


② 임계온도 : 특정 온도를 지나면 초전도성이 사라지고 상전도체가 되는 온도.


③ 임계자장 : 일반적인 금속은 자기저항효과(magnetoresistance effect)에 의해 외부 자기장의 변화에 따라 저항이 변화하는데, 초전도체는 일정 자기장 이하에서는 외부자기장을 완전히 밀어내는 ‘마이스너효과’가 발생해서 외부 자기장이 변화하더라도 저항이 변하지 않는다.(=외부 자기장을 모두 밀어내기 때문에 영향을 받지 않는다.) 하지만 외부 자기장 세기가 세지면 초전도성이 사라지고 일반 도체처럼 자기장 세기에 따라 저항이 변한다. 그 초전도성이 사라지는 외부 자기장을 임계 자장이라고 한다.


④ 임계전력밀도 : 초전도체에 전류를 흘리다 보면 일정 전류 이상에서는 저항이 급격히 높아지는데, 이것을 임계전류라고 한다. 주로 Jc로 표현하고 단위가 A/Cm^2로 표기한다. 즉 제곱센치미터당 흐를 수 있는 전류로서, 이 임계전력밀도가 높은 초전도체일수록 기존 구리선을 대체할 수 있는 가능성이 높아진다. (LK-99는 이 부분에서 좀 아쉽다.)




나) 초전도체의 또 다른 특징 : 마이스너효과, 플럭스 피닝


① 마이스너 효과 : ‘초전도체’와 ‘완전도체’를 구분하는 중요한 효과로, 완전도체는 렌츠의 법칙에 따라 자기장을 걸어주면 차폐전류가 흘러 반자성을 띄게 되는데 이 반자성은 ‘완벽하게’ 외부 자기장을 차단하진 못한다. 하지만 초전도체는 ‘완벽하게’ 외부 자기장을 밀어내서 외부 자기장이 침투할 수 없다. 이 경우 완벽한 ‘반자성체’가 된다. 즉 임계자기장 이하에선 자기장을 변화시켜도 초전도체 내부에 영향을 미치지 못한다. 1종 초전도체의 고유 효과이다. 이런 마이스너 효과가 있는 1종 초전도체는 흔히 알려진 것과 다르게 자석 위에 두었다가 뒤집으면 ‘떨어진다!’. 그리고 자석 1개로는 제대로 공중부양이 되지 않는다. (이거 졸라 중요함) ‘부양’으로 이해해라.


② 플럭스 피닝 : 2종 초전도체는 1종 초전도체와는 다르게 ‘완벽한’ 마이스너 효과를 보여주지 않는다. 그 이유는 초전도체(=마이스너 효과로 자기력이 침투못하는) 사이에 자력이 통과할수 있는 작은 홀이 박혀있는데, 이 사이로 외부 자기장이 ‘고정된 자기선속’을 가지고 침투한다. 그렇게 되다 보니 포크에 찍힌 소세지처럼 포크 위에 ‘고정’ 되게 되는데, 포크를 ‘자기장’으로 생각하면 된다. 2종 초전도체의 고유 효과로, 이 플럭스 피닝 상태에서는 자석을 뒤집어도, 옆으로 돌려도 자력선이 잡아주기 때문에 밑에 ‘붙어있다.’ 1종 초전도체의 마이스너 효과로 인한 ‘부양’이 아닌, ‘고정’으로 이해하라. 그리고 이 플럭스 피닝효과를 통해 2종 초전도체의 ‘임계전류’를 높이는 연구가 활발하다.


③ LK-99의 마이스너 효과로 인한 반자성이 ‘완벽하지 않다’고 이야기하는데, 사실 2종 초전도체 또한 ‘완벽하지’않다. 하지만 오히려 그렇기 때문에 더 유용한데, 마이스너의 반자성은 안정적으로 허공에 떠 있기가 어려운데(자석을 여러개 써야 함) 플럭스 피닝은 자기력이 ‘잡아’주기 때문에 어떤 상황이든 ‘고정’되어 이것을 이용한 호버보드나 이동수단 등이 연구되고 있다. 결국 ‘완벽한 마이스너 효과=초전도체’는 아니고 ‘일부 마이스너효과=초전도체’도 가능한 맥락이다.


④ 마이스너 효과가 그래도 중요한 이유 : 임계자장 이하에서 자기력이 강한 경우(=MRI, 핵융합로 자석등) 마이스너 효과가 없는, 자기력이 통과하는 부분에서는 저항이 변한다. 이렇게 되면 홀 효과(Hall effect)와 다른 효과 때문에 자칫 잘못하면 ‘퀜치(quench : 초전도체가 외부의 충격, 자기력 변화 등으로 인해 초전도성을 잃고 상전도로 변하면서 해당 부분이 급격히 온도가 올라가는 현상)’에 영향을 줘서 초전도체가 타버릴 수 있다.


플럭스 피닝 ) https://youtu.be/bEVKPxvr6JU?si=vhkmSlD

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마이스너 ) https://youtu.be/CQ8luAWrfwk?si=TxkLdVu0OHhgW2rL


> 두 효과의 차이점 보이지? 마이스너는 말 그대로 불안정하게 '부양' 한다는 느낌이면 플럭스 피닝은 '고정' 되는 느낌이다.


<퀜치현상>