[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. 백석문화대 간호학과, '제16회 나이팅게일 선서식' 개최
  2. 아산시, 미급식 경로당 대상 '통합돌봄 시범사업' 본격 추진
  3. 유등노인복지관 제30회 노인의 날 기념행사 ‘오늘도 청춘 ON
  4. 백석대, 노인의 날 맞아 건강체조·공연으로 소통
  5. 풀꽃문학상 13회째 수상자 발표
  1. 충남콘진원, '스케일업 액셀러레이팅' 통해 지역기업 2개사 프리팁스 선정 쾌거
  2. [현장취재]홍상혁 작가 세번째 개인전 <동그라미 그리려다...2> 오프닝 현장에 가다
  3. 한기대 STEP, LMS 신규 참여기관 모집
  4. [독자칼럼]아이를 낳으라는 사회보다, 아이를 낳고 싶은 사회로
  5. 천안흥타령춤축제, 전통춤 배우기부터 대한민국 무용대상까지 펼쳐져

헤드라인 뉴스


충청권 4개 시도, `충청광역연합 특별법` 제정 공동 대응 나서

충청권 4개 시도, '충청광역연합 특별법' 제정 공동 대응 나서

대전시를 비롯한 충청권 4개 시·도가 충청광역연합 특별법 제정을 위해 공동 대응에 나선다. 허태정 대전시장은 2일 서울 켄싱턴호텔에서 열린 '충청광역연합 특별법 제정을 위한 정책토론회'에서 박수현 충남도지사, 조상호 세종시장, 신용한 충북도지사, 구형서 충청광역연합의회 의장과 업무협약을 체결했다. 이번 협약은 충청광역연합이 초광역 행정 주체로서 실질적인 권한과 재정 기반을 확보할 수 있도록 특별법 제정에 공동 대응하기 위해 마련됐다. 4개 시·도는 앞으로 국회와 중앙정부에 특별법 제정을 공동 건의하고, 관련 토론회와 간담회 개최,..

`시간 여행+짬뽕`으로 뜨거운 군산… 언제 가볼까
'시간 여행+짬뽕'으로 뜨거운 군산… 언제 가볼까

전북 군산시(시장 김재준)가 축제의 계절인 10월을 맞아 '시간여행과 짬뽕' 축제로 후끈 달아오르고 있다. 군산에서만 만날 수 있는 특별한 시간여행은 올해 14번째로, 지난 2일부터 5일까지 친구와 연인, 가족 모두 함께 즐거움과 흥미로운 이야기를 만나는 과정을 선사한다. ▲선선한 가을밤, 달빛 아래 고조되는 '시간여행 축제' 열기 메인 행사장인 시간여행 마을은 지난 2일 개막식에서 거리 전체를 화려한 무대로 전환하는 퍼포먼스의 장으로 승화했다. 1980년대로 떠나는 여행을 선사한 글로벌 모던 플래시몹, 이어진 '군산시립예술단 공연..

우주청, 튀르키예 국제우주대회서 대전 포함한 `한국관` 개설
우주청, 튀르키예 국제우주대회서 대전 포함한 '한국관' 개설

튀르키예 안탈리아에서 10월 5일 개막하는 '제77회 국제우주대회(IAC 2026)'에서 대전시가 우주항공청과 함께 우리의 우주기술과 기업을 소개하는 한국관을 운영한다. 국제우주대회(IAC)는 전 세계 정부 우주 기관, 기업, 연구소 및 학계 관계자들이 모여 우주 분야 발전 방향 및 협력 방안 논의하는 행사다. 대전시는 2009년 10월 제60회 IAC 대회를 유치해 대전컨벤션센터에서 개최한 바 있다. 국제우주연맹(IAF)이 매년 주관해 올해는 튀르키예에서 5일부터 9일까지 진행된다. 이번 IAC에 참가하는 우주항공청은 강경인 우주..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 국군의 날 기념행사 참석한 이재명 대통령 국군의 날 기념행사 참석한 이재명 대통령

  • 안전하고 세련된 모습으로 바뀐 무궁화호 안전하고 세련된 모습으로 바뀐 무궁화호

  • ‘대전시는 수소트램 원점 재검토하라’ ‘대전시는 수소트램 원점 재검토하라’

  • 금빛으로 빛난 대전의 영웅들 금빛으로 빛난 대전의 영웅들