[사이언스칼럼] 극저온 냉각기술과 초전도 현상의 발견

  • 오피니언
  • 사이언스칼럼

[사이언스칼럼] 극저온 냉각기술과 초전도 현상의 발견

손원혁 한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 선임연구원

  • 승인 2024-08-15 15:49
  • 신문게재 2024-08-16 18면
  • 임효인 기자임효인 기자
clip20240815094951
손원혁 한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 선임연구원
연일 30도를 넘는 무더위가 기승을 부리고 있다. 햇빛을 피해도 주변의 끓는 더위로 찜통에 들어온 느낌이 들고, 열대야로 잠 못 드는 밤을 경험하고 있다. 이럴 때 우리는 뜨거운 실내 온도를 낮춰주기 위해 에어컨을 작동시킨다. 무더운 날씨에도 실내를 쾌적하게 만들어 주기 때문에 에어컨은 없어서는 안 될 존재가 됐다. 에어컨은 냉매가 압축돼 액화하는 응축과 팽창돼 기화하는 증발의 과정을 반복하는데, 바로 팽창과 증발 단계에서 온도가 낮아진다. 단열 상태에서 기체의 부피가 갑자기 증가하면 온도가 내려가는 단열팽창 원리를 이용한 것이다.

단열팽창을 통한 냉각기술은 1800년대 후반 프랑스 물리학자 카유테(Louis Paul Cailletet)의 우연한 발견을 통해 발전했다. 카유테는 아세틸렌 기체를 액화하기 위해 기계장치의 압력을 높이고 있었는데, 압력을 못 견디고 장치에 작은 구멍이 발생했다. 이 구멍으로 아세틸렌 기체가 빠른 속도로 빠져나가면서 구멍이 아주 차갑게 냉각된 것을 발견한 것이다. 이 발견으로 고압의 기체를 단숨에 팽창시켜 온도를 낮추는 기술을 개발해 산소 액화에 성공했다. 산소의 끓는점이 섭씨 -183도임을 생각하면 실로 엄청난 성과였다.

그 후 냉각기술은 더욱 발전했으며, 1898년 스코틀랜드 물리학자 듀어(James Dewar)는 섭씨 -253도에서 수소 액화에 성공했다. 듀어는 일반 용기를 활용한 단열의 한계를 극복하기 위해 두 겹의 유리 용기를 만들고, 유리 사이를 진공상태로 만들어 전도에 의한 열전달을 최소화했다. 또한 빛을 반사하는 물질을 표면에 발라 복사에 의한 열전달도 차단했다. 어쩌면 우리에게 친숙한 텀블러의 최초 버전이라고 할 수 있다. 이를 통해 듀어는 수소 액화에 성공했으며 수소가 액화된 후에는 헬륨만이 기체로 남아있었다.

극저온 냉각기술이 발전을 거듭하면서 과학계에는 새로운 궁금증이 시작됐다. 온도에 따른 전도체의 저항이 어떻게 변하는가? 당시에는 전도체의 저항은 온도가 낮아질수록 낮아진다는 데는 이견이 없었으나 절대온도 0K(섭씨 -273도) 근처에서의 저항에 대해서는 의견이 분분했다. 당시 극저온에서의 전기저항에 대한 가설은 세 가지였다. 첫째, 전자도 모두 얼기 때문에 전기저항이 무한히 커질 것이다. 둘째, 열에너지에 의한 방해가 없으므로 전기저항이 0으로 내려갈 것이다. 셋째, 열에너지의 방해는 없지만 전자도 얼기 때문에 전기저항이 어떤 유한한 값으로 수렴할 것이다. 하지만 이런 가설들을 검증하기 위해선 절대온도 0K까지 냉각하는 기술이 먼저 필요했다.

1908년, 드디어 헬륨 기체가 네덜란드 물리학자 오네스(Heike Kamerlingh Onnes)에 의해 섭씨 -269도, 절대온도 약 4.2K에서 액화됐다. 오네스는 고압의 헬륨을 액체 공기를 이용해 섭씨 -183도까지 냉각한 후, 액체 수소를 이용해 섭씨 -253도까지 냉각했다. 이후 고압 헬륨 기체를 얇은 관에서 뿜어져 나오게 해 온도를 낮춰 헬륨 액화에 성공한 것이다. 오네스의 헬륨 액화는 냉각기술의 발전을 넘어선 발견으로 이어졌다. 오네스는 극저온에서 전기저항에 대한 가설을 검증하기 위해 금속의 저항을 측정했다. 여러 종류의 금속을 실험한 결과, 수은의 전기저항이 절대온도 4.2K에서 0이 되는 것을 발견했다. 바로 초전도 현상에 대한 최초의 발견이다.

초전도 현상은 다양한 분야에서 사용되고 있다. 비록 매우 극저온에서만 초전도 현상이 나타나기에 쉽게 접할 수 없지만, 강한 자기장을 만드는 기술에 사용된다. 가장 친숙한 예로 자기공명영상장치(MRI)에 초전도 현상을 활용되며 핵자기공명장치(NMR), 입자가속기에도 활용되고 있다. 또한 양자컴퓨터의 큐비트를 만들 때도 초전도 현상이 활용되고 있어, 미래 기술 혁명의 중요한 역할을 담당할 것으로 기대된다. 이렇듯 냉각기술의 발전 과정은 단순해 보이는 기술이 예상치 못한 과학적 발견과 혁신을 만들어 낼 수 있음을 알려준다. 어쩌면 지금은 보잘것없어 보이지만 멀리 보면 엄청난 파급력을 갖춘 기술이 더 있지 않을까? 손원혁 한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 선임연구원

중도일보(www.joongdo.co.kr), 무단전재 및 수집, 재배포 금지

기자의 다른기사 보기

랭킹뉴스

  1. '늑구' 탈출 장기화… 포획 원칙에 폐사 가능성 열고 수색 확대
  2. 한국늑대 종복원 18년 노력의 결실 '늑구'… 토종의 명맥 잇기도 '위태'
  3. 세종시의원 20석 주인은 어디로… 경쟁구도 속속 윤곽
  4. KINS, 입체적인 안전점검 체계로 원전 사고 예방… 생활 주변 방사선 안전도
  5. 잊힌 '서울대 10개 만들기'…"부족한 지역 거점국립대 교원 확보부터 절실"
  1. 월평정수장 용출 4곳 중 3곳서 하루 87톤 흘러 …"시설 내 여러 배관 검사부터"조언
  2. [지선 D-50] 안정론 VS 견제론 與野 금강벨트 명운 건 혈투
  3. 대덕특구 '글로벌 과학기술혁신 허브'로… 특구 5개년 육성계획 확정
  4. [중도초대석] 이창섭 부위원장 "U대회로 하나된 충청… 연대의 가치, 전 세계에 알릴 것"
  5. 2026 자전거 타고 '행정수도 퍼즐' 완성 투어… 경품이 내 품에

헤드라인 뉴스


계룡시 모 고교서 3학년 학생이 교사 피습

계룡시 모 고교서 3학년 학생이 교사 피습

충남 계룡시의 한 고등학교에서 3학년 학생이 교사에게 흉기를 휘두르는 충격적인 사건이 발생했다. 등교 직후 학생들이 교실에 머무는 시간대에 교내에서 벌어진 사고로 교육 현장의 안전 관리 체계에 대한 우려가 커지고 있다. 논산경찰서와 소방 당국에 따르면, 13일 오전 8시 44분경 계룡시 소재 모 고등학교 교장실에서 이 학교 3학년인 A 군이 30대 남성 교사 B씨를 향해 흉기를 휘둘렀다. 당시 경찰의 119 공동 대응 요청을 받고 출동한 구급대원들은 등과 목 부위를 다친 B 교사를 인근 대학병원으로 긴급 이송했다. 다행히 B 교사는..

꼭두새벽에 `쾅` 폭발음에 전쟁이라도 난 줄, 청주 봉명동 폭발사고 처참한 현장
꼭두새벽에 '쾅' 폭발음에 전쟁이라도 난 줄, 청주 봉명동 폭발사고 처참한 현장

13일 오전 4시께 청주시 흥덕구 봉명동 일원에서 LP가스 누출로 추정되는 폭발 사고가 발생해 인근 아파트와 상가 유리창과 차량이 파손됐다. 새벽 시간이라 대부분 잠을 자고 있던 주민들은 폭발음에 놀라 대피하는 등 소동이 벌어졌다. 폭발로 인한 파편으로 인근 주택과 아파트 유리창이 깨지고 주민 15명이 부상 치료 중인 것으로 파악되고 있다. 주민들은 "전쟁이라도 난 줄 알았다. 어디부터 수습해야 할지 막막하다"며 놀란 가슴을 쓸어 내리기도 했다. 처참했던 사고 당시 현장 화면을 영상에 담았다. 금상진 기자금상진 기자 | 영상:독자제..

월평정수장 용출 4곳 중 3곳서 하루 87톤 흘러 …"시설 내 여러 배관 검사부터"조언
월평정수장 용출 4곳 중 3곳서 하루 87톤 흘러 …"시설 내 여러 배관 검사부터"조언

대전 월평정수장 옹벽과 사면에서 물이 솟는 현상에 대한 본보 보도 이후 대전시상수도사업본부가 잔류염소 정밀검사를 진행 중인 가운데, 본보가 용출 4개 지점 중에 3곳에서 유량을 관측한 결과 하루 87t 이상의 물이 흐르는 것으로 추정됐다. 정수장 내부에도 여러 배관이 설치돼 있어 누수 여부를 함께 조사해야 한다는 의견과 함께 원수나 전처리 단계에서는 염소를 넣지 않거나 상대적으로 미량을 넣어 잔류염소 검사만으로는 한계가 있다는 지적이다. <본보 4월 6일자 1면 보도>물이 샘솟는 용출 현상이 직접 관찰되는 월평정수장 울타리 안쪽 3..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 대전시 선관위, 지방선거 50여일 앞두고 투표참여 캠페인 대전시 선관위, 지방선거 50여일 앞두고 투표참여 캠페인

  • 초여름 날씨에 등장한 반팔 초여름 날씨에 등장한 반팔

  • 대전한화생명볼파크는 오늘도 매진 대전한화생명볼파크는 오늘도 매진

  • 벚꽃 만개한 보령 주산 벚꽃길 ‘장관’ 벚꽃 만개한 보령 주산 벚꽃길 ‘장관’